Ammac

ISSN 0188-7297

Certificación ISO 9001:2008 ‡

Manual de Usuario IMT-PAVE 1.0

Paul Garnica Anguas Roberto Hernández Domínguez Documento Técnico No. 53 Sanfandila, Qro. 2013

Manual del Usuario IMT-PAVE 1.0

SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Manual del IMT-PAVE 1.0

Documento Técnico No. 53 Sanfandila, Qro. 2013 2

Manual del Usuario IMT-PAVE 1.0

Este documento técnico fue realizado en la Coordinación de Infraestructura del Instituto Mexicano del Transporte, por el Dr. Paul Garnica Anguas y el Ing. Roberto Hernández Domínguez. Se agradece la colaboración del Ing. Eloy Dorantes Bárcenas en el desarrollo de la primera etapa de esta metodología para el diseño de pavimentos.

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1. Manual del usuario 1.1 Descripción general El IMT-PAVE es una herramienta informática para el diseño de pavimentos mediante una metodología empírico-mecanicista que, sin descuidar otros factores, pone un énfasis en el concepto de espectro de carga para relacionarlo con el de espectro de daño, a través del análisis de esfuerzos y deformaciones en la estructura de pavimento y su correlación con los principales tipos de deterioros que presenta. Las metodologías empírico-mecanicistas pretenden tener un enfoque más científico, con un marco teórico suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento, ante las acciones del clima y del tránsito vehicular. Esto es, un marco teórico en donde las propiedades fundamentales de los materiales se conocen, ya que se pueden determinar en laboratorio o en campo. Esta metodología permitiría la predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, por ende, aumentar en gran medida la confiabilidad del diseño. Las componentes de entrada al proceso de diseño se refieren a la geometría de la estructura, básicamente son los espesores de cada capa, las propiedades de los materiales que conforman cada una de esas capas que serán módulos dinámicos o resilientes y el nivel de tránsito vehicular definido por su espectro de distribución de cargas. La selección del diseño inicial consiste en una primera estimación de valores para esas componentes de entrada. Definido el diseño inicial, se procede al cálculo de las respuestas estructurales en la sección estructural del pavimento. Estás respuestas estructurales consisten en conocer la distribución de esfuerzos (ζ), deformaciones unitarias (ε) y deflexiones (δ). El cálculo se realiza básicamente considerando al pavimento como un medio multicapas, en donde el comportamiento de los materiales se apoya en la Teoría de la Elasticidad, con simplificaciones necesarias para su cálculo más eficiente, como se verá más adelante. A partir de la respuesta estructural en el pavimento se calcula el nivel de daño esperado en el período de diseño, para los dos tipos de deterioro principales que se presentarán. Estos son agrietamientos por fatiga y deformaciones permanentes.

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Calculados los niveles de deterioro para el período de diseño, se introduce el concepto de vida remanente, el cual es el inverso del daño acumulado en el periodo de diseño y determinará cuando una sección ha excedido o no el valor máximo de daño acumulado.

Como fue expresado anteriormente, la idea fundamental es la de poder garantizar el desempeño del pavimento a lo largo de su vida de proyecto. Esto significa garantizar que los niveles de agrietamiento y de deformación permanente, se mantendrán dentro de un rango ideal, que dependerá de la importancia de la red carretera de que se trate.

1.2 Factores que afectan el diseño de pavimentos Las cuatro variables principales a considerar en el diseño estructural de pavimentos son:    

Tránsito vehicular Criterios de falla Estructura y propiedades de los materiales Factores ambientales

La vida de diseño de un pavimento es resultado de la interacción entre estas variables, además del proceso constructivo y trabajos de mantenimiento. El proceso de interacción de dichas variables puede apreciarse en la Figura 1.1. La estructura y propiedades de los materiales incluyen los espesores individuales de cada capa, su resistencia y propiedades de deformabilidad. El tráfico debe incluir el eje y la configuración de la rueda, la carga y magnitud de la carga, además del número de repeticiones aplicadas al pavimento. Los dos factores anteriores derivan, con base en un modelo estructural (ej. teoría elástica multicapa), en lo que se conoce como respuesta estructural del pavimento, que permite proseguir con la segunda etapa del diseño, la predicción del desempeño del pavimento con base en los criterios de falla que permiten la incorporación de la respuesta estructural. Los factores ambientales se refieren principalmente a regímenes de temperatura y precipitación, el drenaje y humedad, que afectan las propiedades de los suelos y otros materiales en el tiempo.

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Figura 1.1 Factores que afectan el diseño de pavimentos

Si bien es cierto que los cuatro factores mencionados representan los principales componentes que afectan el diseño de pavimentos, el proceso de caracterización y análisis se traduce en una propuesta estructural que sólo puede lograrse con la disposición de un modelo de diseño con el que se pueda evaluar los insumos (solicitaciones y materiales) y la respuesta del pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones). He ahí el origen y razón del IMT-PAVE.

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1.3 Espectros de carga Los datos de tráfico es uno de los factores clave requeridos para el diseño estructural de pavimentos. Se necesita para determinar la magnitud de las cargas transmitidas al pavimento y la frecuencia con que dichas cargas son aplicadas durante toda la vida de diseño del pavimento. Su caracterización adecuada es fundamental para poder concebir estructuras de pavimento que sean capaces de ofrecer altos desempeños en términos de durabilidad. La importancia de ese factor es exponencialmente mayor en vías de alto y muy alto tránsito vehicular, como sucede en los ejes carreteros troncales del país, aunque no exclusivamente, en donde un gran porcentaje de los vehículos son de carga y muy pesados. En México, el interés se centra en cinco tipos de vehículos de carga, cuya configuración y pesos legales se indican en la Figura 1.2. De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana de Pesos y Dimensiones del 2008, los pesos máximos permitidos para los ejes sencillos duales, en tándem y en trídem son 11, 18 y 23.5 toneladas, respectivamente. En la misma figura se presentan, para fines de comparación, los valores que se tenían anteriormente en la Norma del año 1995. Esos pesos máximos por eje mencionados, son valores legales, en ningún caso se les podría considerar como valores de diseño. La autoridad correspondiente es la responsable de su cumplimiento. Para fines de diseño, rehabilitación, modernización, reconstrucción, preservación y operación de carreteras, se propone que la mejor caracterización del tránsito vehicular es en términos de lo que denomina espectros de carga de cada uno de los diferentes tipos de ejes. Para ello se utilizan estaciones móviles de pesaje dinámico, denominadas en el ámbito de trabajo como estaciones WIM, por sus siglas en inglés Weight In Motion, y de las que se presentan unas imágenes en la Figura 1.3.

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Tipo

Configuración del vehículo y peso por eje (Ton)

PBV (Ton)

C2 Clase 5 NOM 1995 NOM 2008

6.5 6.5

11 11

17.5 17.5

C3 Clase 6 NOM 1995 NOM 2008

6.5 6.5

19.5 18

26 24.5

T3-S2 Clase 9 NOM 1995 NOM 2008

6.5 6.5

19.5 18

18 17

44 41.5

6.5 6.5

19.5 18

22.5 23.5

48.5 48

T3-S3 Clase 10 NOM 1995 NOM 2008

T3-S2-R4 Clase 13 NOM 1995 NOM 2008

6.5 6.5

19.5 18

18 17

18 17

18 17

66.5 66.5

Figura 1.2 Configuraciones y pesos legales de vehículos de carga en México

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a) Cableado y sensores

b) Sensores piezoeléctricos

c) Consola de registro

d) Señalamiento

Figura 1.3. Componentes de una estación móvil de pesaje dinámico (WIM) El concepto de espectro de carga, como factor fundamental para el diseño de pavimento, se ha ganado una amplia aceptación en los últimos años. En la Guía de Diseño Empírico-Mecanicista para el Diseño y Rehabilitación de Pavimentos de la AASHTO, DARWIN-ME, las cargas del tráfico se caracterizan mediante espectros de carga por tipo de eje. Un espectro de carga se puede definir como la distribución de la carga de un grupo de ejes durante un período de tiempo, es decir, es la relación entre el número de ejes con cierto rango de carga y el número total de ese tipo de eje, expresado en porcentaje. Los espectros de carga por eje se representan por 9

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medio de histogramas de distribución de la carga por eje para cada uno de los cuatro tipos de ejes: sencillo direccional o sencillo, dual, tándem y trídem. Entre los múltiples aspectos que se pueden mencionar en relación a los espectros de carga, conviene destacar los siguientes: 1. Cada punto del espectro de carga representa el porcentaje de ejes de un cierto tipo que circula con cierto nivel de carga. 2. El área bajo la curva de cada espectro de carga debe ser unitaria. 3. El espectro de carga caracteriza al tránsito pesado en el tramo carretero en donde se hace la medición. El seguimiento en el tiempo permite valorar la evolución de la distribución de las cargas, aspecto que está relacionado con la intensidad de las actividades económicas en el sector transporte. 4. Los valores máximos permiten identificar los niveles de carga más usuales; niveles que se pueden asociar a si los vehículos circulan vacíos o con carga completa. 5. Permite identificar los tramos carreteros en donde los niveles de carga exceden el reglamento y en qué porcentaje. 6. Se pueden asociar comportamientos del tránsito de vehículos de carga similares y establecer espectros regionales. 7. Permiten diseñar y revisar la capacidad estructural de un pavimento con datos realmente representativos de una red carretera. 8. Son indicadores de la severidad que se puede esperar de los distintos deterioros en una carretera a lo largo del tiempo. Esto puede de ser de particular interés para los responsables de la conservación y mantenimiento de una red carretera en términos de desempeño.

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Figura 1.4. Espectros de carga en la carretera libre Portezuelo-Palmillas (2003) 11

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1.4 Caracterización de materiales Las propiedades fundamentales de los materiales que usualmente son parte de la sección estructural de un pavimento, se deben determinar a partir de ensayes de laboratorio de carga repetida. Para el caso de las mezclas asfálticas, la propiedad se llama módulo dinámico, (ASTM D3497), en donde un espécimen cilíndrico se somete a pulsos repetidos de cierto esfuerzo cíclico, en condiciones de compresión no confinada. El módulo dinámico se calcula como el cociente entre el esfuerzo aplicado y la deformación unitaria elástica en cada ciclo de carga (figura 1.5). En la Tabla 1.1. se presentan algunos valores típicos.

Figura 1.5 Montaje de un ensaye de módulo dinámico en mezclas asfálticas Para suelos y materiales granulares, la propiedad de referencia es el módulo de resiliencia, que se ejecuta de acuerdo con la norma AASHTO T274 y cuyo montaje se muestra en la figura 1.6. En este caso, la prueba se ejecuta por medio de un ensaye triaxial donde la presión de confinamiento es constante, y el esfuerzo desviador se aplica cíclicamente. El módulo de resiliencia se define como el cociente entre el esfuerzo desviador aplicado y la deformación unitaria elástica en cada ciclo de carga. En Tabla 1.2 se presentan valores típicos.

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Los ensayes de módulo de resiliencia se deben realizar en condiciones representativas de la colocación de los materiales en obra, como son las características de peso volumétrico, contenido de agua de compactación, método de compactación, granulometría, etcétera, ya que el ensaye es muy sensible a esas condiciones.

Figura 1.6 Ilustración de una cámara triaxial y el concepto de módulo de resiliencia

En todos los materiales se necesitarán los valores correspondientes a la relación de Poisson. Basados en un estudio específico, los módulos mencionados se podrán estimar a partir de la medición de otros parámetros más comunes, como puede ser la resistencia a la compresión simple, o el valor relativo de soporte. Sin embargo, siempre será una mejor práctica la ejecución directa de los ensayes.

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Tabla 1.1. Valores típicos de Módulos Dinámicos, Ed, para Mezclas Asfálticas (a 20°C, 10Hz) Material

Rango de Ed, MPa

Valor típico de Ed, Mpa

Mezcla asfáltica diseñada con la metodología Marshal, asfalto convencional

2000 - 4000

3000 MPa

Mezcla asfáltica de alto desempeño, metodología Superpave, Protocolo AMAAC, asfalto modificado

4000 - 6000

5000 MPa

Mezcla asfáltica de alto módulo, metodología especial

8000 - 12000

10000 MPa

Tabla 1.2. Valores típicos del módulo de resiliencia, Mr, para suelos clasificados con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, S.U.C.S. Manual SCT M-MMP-1-02/03 Clasificación del suelo CH CH+cal CH+cemento MH CL ML SW SP SW-SC SW-SM SP-SC SP-SM SC SM GW GW+cemento GW+Asfalto GP GW-GC GW-GM GP-GC GP-GM GC GM

Rango de Mr (MPa)

Valores típicos de Mr (Mpa)

34 - 90 100-200 200-300 55 - 120 90 - 165 50 – 100 193 – 259 166 – 228 148 - 214 166 – 228 148 - 214 166 -228 148 - 193 193 - 259 273 – 350 750-2000 500-1500 245 -300 193 - 276 245 - 279 193 - 269 214 - 276 166 - 259 228 - 290

55 150 250 80 117 75 220 193 176 193 176 193 166 221 310 1500 1000 270 238 266 235 252 214 266

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1.5 Espectros de daño Para la obtención de los espectros de daño, se necesita el concepto de daño definido por Miner, 1945, en donde para cada tipo de eje, i, y cada nivel de carga, j, se obtiene el cociente entre el número de repeticiones correspondiente esperado por año, n, y el número de repeticiones admisibles, N, para limitar el desarrollo de un cierto tipo de deterioro. El daño total se calcula con la ecuación (1). (1) El coeficiente de Daño, D, así obtenido, está asociado a un cierto tipo de deterioro en el pavimento, como los que se muestran en la Figura xx. El inverso de D representa el tiempo, T (en años), en que se alcanzará el número de repeticiones admisible de ese deterioro y es el que se debe comparar con el período de diseño deseado (usualmente 20 años en pavimentos asfálticos).

a) Agrietamiento por fatiga

b) Deformaciones permanentes en las capas inferiores

Figura 1.7 Tipos de deterioros comunes en pavimentos asfálticos

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Es práctica común asociar el número de repeticiones admisible con los esfuerzos y deformaciones máximos que se presentan en puntos críticos de la sección estructural de un pavimento. Para agrietamiento por fatiga se toma, por ejemplo, la deformación unitaria de tensión máxima, t, en la fibra inferior de la carpeta asfáltica y, para la deformación permanente de las capas inferiores, la deformación unitaria de compresión máxima,c, en la parte superior de las terracerías. El cálculo de esas deformaciones supone un comportamiento elástico de los materiales, lo que es válido en pavimentos ya que los niveles de esfuerzos que se generan al paso de las cargas vehiculares son muy inferiores a la resistencia al esfuerzo cortante. Para el número de repeticiones admisible para agrietamiento por fatiga, Nf, se utilizan modelos del tipo que se indica en la ecuación (2).

N f  f 1 t

 f2

(2)

Para el modelo de deterioro por deformación permanente de las capas inferiores la forma matemática es la que se establece similar a la anterior, ecuación (3).

N d  f 4 c

 f5

(3)

El IMT-PAVE 1.0 utiliza valores particulares de esos parámetros, definidos con base en su propia experiencia y análisis de otros modelos. El cálculo de esfuerzos y deformaciones se realizó con el método de Odemark, 1949, que permite transformar la estructura de un pavimento en una sección homogénea equivalente. Los resultados obtenidos con esta metodología para las deformaciones unitarias que se requieren son muy similares a los que proporcionan los programas de cómputo existentes basados en la Teoría de Burmister para medios estratificados, además de permitir una programación mucho más sencilla. La Figura 1.8 muestra el diagrama de flujo general de las etapas necesarias para el cálculo de los Espectros de Daño.

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Manual del Usuario IMT-PAVE 1.0 Datos básicos del Tránsito vehicular Espectros de carga por tipo de eje Espesores y Módulos de cada capa del pavimento

Iteraciones para cada uno de los tipos de ejes de carga

Iteraciones para cada uno de los intervalos de clase del espectro de carga correspondiente

    

Cálculo del número de repeticiones esperado por año Calculo de las deformaciones unitarias de tensión en la fibra inferior de la carpeta asfáltica y de compresión en la parte superior de las terracerías. Calculo del número de repeticiones admisible para agrietamiento por fatiga y para deformación permanente. Calculo del incremento en el coeficiente de daño para cada tipo de deterioro. Actualización del coeficiente de daño total para cada tipo de deterioro

   

Análisis de los espectros de daño Revisión del cumplimiento del período de diseño deseado Análisis paramétrico Diseño final

Figura 1.8. Diagrama de flujo general para el cálculo de los Espectros de Daño 17

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1.6 Ejemplo de análisis Como se mencionó anteriormente el IMT-PAVE una herramienta informática para el diseño de pavimentos en desarrollo constante, ésta es su versión 1.0 y a continuación se presenta un caso de análisis.

Fig. 1.9 Pantalla de bienvenida del IMT-PAVE 1.0

Consideremos una carretera de 4 carriles con un Tránsito Diario Promedio Anual, TDPA, de 44,000 vehículos diarios con una tasa de crecimiento del 3%, de los cuales 78% son vehículos ligeros y el 22% son vehículos de carga (5% de C2, 5% de C3, 7% de T3-S2, 4% T3-S3 y 1% de T3-S2-R4). Suponiendo coeficientes de distribución por sentido y por carril de 0.5 en ambos casos. Tránsito Para comenzar se debe introducir los valores del tránsito en la pestaña correspondiente, como el valor del TDPA (veh/día), factores de distribución por carril y por sentido, el horizonte de proyecto, el periodo de análisis y la tasa de crecimiento.

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Fig. 1.10 Características del Tránsito

El número de ejes promedio por año para cada tipo de eje de carga, y su porcentaje de participación en el total de ejes, aparece en la parte inferior izquierda de la hoja de tránsito, se calcula automáticamente al modificar cualquier dato de entrada de esta hoja y es el que se indica en la Tabla 1.3.

Tipo de Eje Sencillo Sencillo Dual

Número de repeticiones esperado, por año 1,186,730 269,711

Tándem

1,456,441

Tridem

215,769

Tabla 1.3. Número de repeticiones por año esperado para cada tipo de eje en los ejemplos de diseño En la hoja de Espectros de Carga se debe escoger el nivel de carga con el que se calcularán las respuestas del pavimento. Existen cuatro niveles de carga, Legal, 19

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Leve sobrecarga, Sobrecarga, Alta sobrecarga avanzado. Estos niveles representan condiciones de sobrecarga comunes en muchas carreteras mexicanas. Y para el nivel avanzado permite la personalización de los propios espectros de carga medidos en el lugar, mediante una modelación matemática propuesta, la cual está fuera del alcance de esta primera versión del IMT-PAVE. Así también al seleccionar el límite legal de carga, se muestran los umbrales que rigen para cada tipo de eje en la normativa mexicana vigente y determinar de manera gráfica el nivel de exceso de carga por cada eje.

Figura 1.11 Espectros de carga

Esta metodología permite revisar secciones estructurales para pavimentos nuevos o existentes, o bien valorar la modernización de la vía. Para ello la información que se requiere son los espesores de cada una de las capas y los módulos dinámicos o resilientes correspondientes, los cuales se ingresan en la ventana llamada Análisis Espectral. Se deben ingresar el número de capas usadas, y en la última capa no ingresar ningún valor de espesor, ya que éste se considerará semi-infinito. El número de capas deberá ir acorde a las capas anotadas en la parte superior. El modelo de deterioro usado será el llamado IMT, tanto para fatiga como para deformación permanente, el cual se basa en la experiencia adquirida en el laboratorio de infraestructura del Instituto Mexicano del Transporte. 20

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Para efectuar el análisis se debe hacer clic en el botón “Análisis Espectral”.

Figura 1.12 Análisis Espectral

La metodología sirve para revisar secciones propuestas, así entonces, una sección será adecuada cuando se cumpla el umbral de diseño que aparece en el valor de vida por fatiga y vida por deformación, donde éstas deberán ser superiores al horizonte de proyecto que se ingresó en la hoja de datos del tránsito. Para cada tipo de eje se pueden apreciar los espectros de daño calculados en para el agrietamiento por fatiga (Figura 1.13) y para la deformación permanente. Si acumulamos el daño tal y como se indica en la Figura 1.14, se pueden obtener las contribuciones parciales por tipo de eje y la total. En cada curva se indica el tiempo, calculado como el inverso del coeficiente de daño acumulado al final de cada curva, en que se alcanzaría el número de repeticiones admisible de acuerdo con los tipos de deterioro considerados y que se debe comparar con el período de diseño deseado. El espectro de daño acumulado que se indica es la suma de los correspondientes cuatro ejes y la vida esperada es el inverso de la suma total del coeficiente de daño.

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Figura 1.13 Espectro de daño por fatiga

Figura 1.14 Distribución acumulada de daño 22

Bibliografía Rico A., Téllez R., Garnica P. (1998), “Pavimentos Flexibles. Problemática, Metodologías de diseño y tendencias”, Publicación Técnica No. 104, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Pérez N. (2001), “Influencia de las condiciones de compactación en la deformación permanente de suelos cohesivos compactados”, Publicación Técnica No. 165, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Pérez A. (2002), “Comportamiento de suelos arcillosos compactados adicionados con cloruro de sodio”, Publicación Técnica 201, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Gómez J.A. (2002), “Mecánica de Materiales para Pavimentos”, Publicación Técnica 197, Instituto Mexicano del Transporte. Barrera M., Garnica P. (2002), “Mecánica de suelos no saturados en vías terrestres”, Publicación Técnica 198, Instituto Mexicano del Transporte. Sánchez F., Garnica P. (2002) “Metodología racional para el análisis de la densificación y resistencia de geomateriales compactados”, Publicación Técnica 200, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Gómez J.A., Delgado H. (2003), “Algunos aspectos de la densificación de mezclas asfálticas con el compactador giratorio”, Publicación Técnica No. 228, Instituto Mexicano del Transporte.

Carretera Querétaro-Galindo km 12+000 CP 76700, Sanfandila Pedro Escobedo, Querétaro, México Tel +52 (442) 216 9777 ext. 2610 Fax +52 (442) 216 9671

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FRONTERAS TECNOLÓGICAS EN EL USO DE ASFALTOS MODIFICADOS PARA PAVIMENTOS. Gabriel Hernández Zamora, Andrés Guerrero Alvarez, Jesús Alberto Mexicano, Alí Concepción Pineda Sánchez y Mariana Franco Clemente. Dynasol Altamira, S.A. de C.V. Km. 28.5, carretera Tampico-Mante. Altamira, Tamaulipas. México. C.P. 89602 INTRODUCCIÓN. En un escenario de volatilidad de precios en el mercado de las materias primas con tendencia a la alza (aplica para el caso de asfalto, aditivos, polímeros modificadores, etc.), crisis mundial en el sector de construcción, preocupación por el daño al medio ambiente y normativas gubernamentales, lo que queda dentro de los procesos de construcción y rehabilitación de pavimentos es pensar en procesos sustentables, donde convergen beneficios ambientales, económicos y sociales. Figura 1.- Evolución de precios del asfalto.

El desarrollo de productos y tecnologías para la construcción y mantenimiento de pavimentos considera importante la reducción del consumo de energía durante sus diferentes etapas de producción. Los principales problemas que hoy se mencionan en foros internacionales (Argus Asphalt 2011 y 2012) que impactan en el desarrollo de la infraestructura carretera mexicana se centran en: 1. Necesidad de una mejor y rigurosa supervisión en la ejecución de los trabajos por parte de las autoridades. 2. Una mejora en la logística vía marítima o ferroviaria. 3. No hay suficiente capacidad de almacenaje de asfalto en México. En contraparte a los factores ambientales y sociales, la afectación de la calidad de los pavimentos impacta fuertemente en el tema económico, los cuales se ven afectados por el 1

clima, la carga vehicular y el deterioro con el tiempo. Por ello es importante diseñarlos y construirlos de manera adecuada para asegurar una adecuada durabilidad. En la elaboración de la mezcla asfáltica de pavimentos flexibles la parte más importante que da aporte estructural son los agregados; sin embargo, sin el asfalto estos se separarían y la durabilidad del pavimento se vería rápidamente afectada; por ello el asfalto aunque en menor contenido contribuye como ligante o material adhesivo de los agregados. Este asfalto se puede ver mejorado si se modifica con polímeros, particularmente porque se incrementa la resistencia a la deformación (ya que los polímeros mejoran la recuperación elástica), la resistencia al desprendimiento (la adherencia a los agregados y la viscosidad hacen que sea más resistente) y su tiempo de vida útil (reducción de mantenimientos y mejora de la impermeabilidad al pavimento). Existen diferentes tipos de polímeros que reconoce la norma N-CMT-4-05-002/06 en una clasificación general como: TIPO 1: Polímeros de naturaleza elastomérica principalmente derivados de copolímeros de estireno-buadieno en configuraciones radial y SB. TIPO II: Polímeros de naturaleza elastomérica en forma de latex de emulsión acuosa, principalmente látices de estireno-butadieno o neopreno. TIPO III: Materiales de naturaleza plastomérica derivados de EVA y polímeros derivados del polietileno. CLASIFICACION ADICIONAL: Hule de neumático reciclado. De los tipos mencionados antes, los que ofrecen las mejores propiedades en la modificación del asfalto son los del tipo I, ya que funcionan para prevenir la formación de roderas debido a la acumulación de deformaciones plásticas por las altas temperaturas que reblandecen el asfalto, también a prevenir la falla por fatiga dinámica o piel de cocodrilo provocada por fluctuaciones de la temperatura del pavimento por arriba y por debajo de 15°C en un solo día, por gradientes diferenciales en periodos cortos en días a lo largo del mes y por el paso del tránsito pesado cuando el asfalto está experimentando dichas transiciones. Ya que los polímeros del tipo I se expresan como elastómeros, es conveniente definir que un elastómero1,2 es un polímero que entre 18 y 29°C se pueden estirar más de tres veces su longitud original sin romperse, y por otro lado, cuando se estira dos veces su longitud original una vez que cesa el esfuerzo de deformación recupera su forma con una deformación máxima de una y media veces su longitud original en máximo 5 minutos. En este trabajo se presentan los resultados de tres líneas de investigación que muestran las fronteras de desempeño que pueden ofrecer elastómeros de estireno-butadieno en aplicaciones para fabricación de pavimentos y rehabilitación de los mismos.

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Figura 2.- Grado de deformación que sufren los plastómeros y elastómeros bajo condiciones de definición de elastómero.

MATERIALES. Para propósitos del estudio se usará un SBS radial de alto peso molecular, un SBR de peso molecular medio, un plastómero de naturaleza EGA y una material multifuncional que incluye cadenas SBS acopladas con SB. Las propiedades de estos materiales se describen en la siguiente tabla 1.

Tabla 1.- características de los polímeros usados. PROPIEDAD

METODO

SBS RADIAL Alto

SBR

EGA

medio

medio

SBS-AcSB Medio

Peso molecular

GPC ASTM D5296

Contenido de estireno total, %

FTIR ASTM D5775

30

25

0

28

índice de fluidez a 190°C y 2.16Kg, g/10 min

Plastómetro (ASTM D1238)

0

0

12

0

Temperatura de fusión o transición vítrea, °C

DSC ASTM E1269

-90 (Transición vítrea)

-35 (Transició n vítrea)

70°C (temperatura de fusión)

-65 (Transició n vítrea)

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Tabla 2.- Características del asfalto modificado grado AC-20 de Ciudad Madero. Propiedad

Método

Valor

Viscosidad Brookfield a 135°C, cP

MMMP4-05-005-02

540

Penetración a 25°C, 100 g, 5 s, 101 mm.

MMMP4-05-006-00

62

Temperatura de reblandecimiento, °C

MMMP4-05-009-00

56

Saturados, %

Iatroscan

6.5

Aromáticos, %

Iatroscan

24.9

Resinas, %

Iatroscan

41.7

Asfaltenos, %

Iatroscan

26.9

DESARROLLO. Caso 1: Diferenciación del asfalto modificado en mezcla con agregado. Un tema controvertido hasta hace unos años era la demostración de la contribución del asfalto y de forma más específica el asfalto modificado a propiedades estructurales de la mezcla. Para evidenciar la contribución del aporte a la estructura se hicieron diferentes pruebas de las cuales se eligió la resistencia a la deformación por rodamiento medida en rueda APA cargada, se evaluó una mezcla en caliente formulada con un SBR descrito en la sección de materiales a 2.8% peso/peso de polímero en asfalto grado AC-20 y se comparó el efecto de reforzamiento frente a una mezcla en caliente formulada con el mismo asfalto sin modificar, el contenido de asfalto en la mezcla fue de 4.5% peso/peso y el resto de agregados pétreos con un diseño tipo SUPERPAVE y compactada usando un compactador giratorio. Figura 3.- Sistema de rueda APA cargada.

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Para hacer más sobresaliente la prueba se manejaron dos condiciones con probetas secas (insaturadas) y con probetas sumergidas en baño de agua a 25°C (saturadas), los resultados de este diseño hecho a 8,000 ciclos de repetición y ensayos de 5 probetas por muestra se presentan en la siguiente figura 4. Figura 4.- resultados de deformación por rueda cargada APA.

Caso 2: Diferenciación en la estructura del elastómero modificador para reducir tiempo y temperatura en la modificación del asfalto. 5

Mediante tecnologías de acoplamiento por polimerización aniónica se genero una estructura del SBS-Ac-SB multifuncional. Éste polímero ofrece la posibilidad de producir asfaltos modificados a temperaturas de 170 + 5 ° C y tiempos de dispersión menores a los que se requieren con un SBS radial. En los resultados obtenidos se puede observar que los asfaltos modificados a 170 + 5° C con SBS-Ac-SB proporcionan valores de módulo dinámico similares a los que proporciona el SBS radial cuando se modifica a 190 + 5° C, y valores mayores de módulo dinámico que los proporcionados por el mismo SBS radial cuando se modifica a 170 + 5° C. Esto es debido a que las moléculas de SBS-Ac-SB en su fracción SB requieren menor tiempo y temperatura para dispersarse en el asfalto por ser más afines químicamente que las moléculas de tipo SBS y también requieren de menor energía para promover una mejor transferencia de masa y dispersión del polímero en el asfalto. En la figura 5 se observa que el valor de G*/Seno δ (82° C) de un asfalto modificado con de SBS radial se reduce cuando se la temperatura baja de 190 + 5 a 170 + 5° C, observando valores de 1.33 y 0.75 kPa respectivamente, sin embargo, el asfalto modificado con SBSAc-SB a 170 + 5° C mantiene sus propiedades reológicas muy cercanas a las obtenidas a con el SBS radial modificado a 190 + 5° C, proporcionando valores de G*/Seno δ (82° C) de 1.17 kPa. Figura 5.- Desempeño del asfalto modificado con SBS -Ac-SB y SBS radial a diferentes temperaturas de producción

190 + 5° C 170 + 5° C

170 + 5° C

Los resultados obtenidos hasta el momento, nos indican que con esta nueva tecnología es posible producir asfaltos modificados con propiedades elásticas con polímeros de tipo I a temperaturas del orden de 165 - 175° C. En la tabla 3 se muestran las temperaturas de falla de los asfaltos modificados con SBS y SBS-Ac-SB, en la cual podemos observar que la temperatura de falla de un asfalto modificado con SBS radial es 0.45% mayor que la temperatura de falla del asfalto modificado con SBS-Ac-SB, lo cual sugiere que ambos 6

asfaltos presentarán similares características y resistencia a la deformación plástica en el pavimento. Tabla 3. Desempeño reológico del asfalto modificado con SBS radial y SBS-Ac-SB a diferentes temperaturas de producción.

Polímero SBS Radial SBS Radial SBS-Ac-SB

Temperatura de

G*/Seno δ

Temperatura

Temperatura

Angulo

producción (°C)

(kPa)

de prueba (°C)

de falla (°C)

fase (°)

190 + 5 170 + 5 170 + 5

1.33 0.751 1.17

82 82 82

85.0 82.1 83.7

84.08 79.4 83.7

Caso 3: Pavimentos elásticos. Se ha comprobado que la durabilidad de los pavimentos a temperaturas medias y frías se encuentra directamente relacionada con la maleabilidad y elasticidad del asfalto a dichas temperaturas4. La norma de la SCT N-CMT-4-05-002-06 solicita valores de recuperación elástica por torsión a 25° C (RET25) de 40% para asfaltos modificados con elastómeros (Tipo I), y 30% para asfaltos modificados con plastómeros (Tipo III) como se muestras en la figura 6. Figura 6.- Recuperación elástica por torsión a 25° C de asfaltos modificados con elastómero y plastómero a diferentes concentraciones.

Debido a que la temperatura del pavimento puede ser menor a 25°C, es importante observar el comportamiento de la recuperación elástica torsional en los asfaltos modificados con elastómeros y plastómeros a temperaturas inferiores, tal como se observa en la figura 7, donde se muestran los resultados de recuperaciones elásticas evaluadas a 13 y 7° C. Figura 7.- Recuperación elástica por torsión a 13 y 7° C de asfaltos modificados con elastómero y plastómero a diferentes concentraciones. 7

Se puede observar que un elastómero como los SBS radiales mantienen las propiedades elásticas del asfalto incluso a temperaturas inferiores de 25° C, las pruebas de RET realizadas a 13° C muestran que los asfaltos modificados con SBS radial se recuperan ante el esfuerzo de torsión en 40% según lo solicitado por la norma a pesar de estar por debajo de la temperatura te prueba, mientras que la RET de los plastómeros cae a niveles inferiores de 30%. Los valores de RET obtenidos a 7° C muestran como el asfalto modificado con plastómeros siguen reduciendo su capacidad de recuperación elástica, pero en esta ocasión se puede observar que el valor de la RET es de 20% en las tres concentraciones evaluadas (0.8, 1.1 y 1.5%). Lo cual sugiere que a esos niveles de temperatura no importa si se duplica la concentración de plastómero, éste tiende a perder su capacidad de recuperarse de un esfuerzo torsional. Sin embargo, el asfalto modificado con SBS muestra mayores características elásticas que el asfalto modificado con EGA, mientras que con un SBS radial se obtiene un valor de RET a 7°C de 34%, con un EGA (independientemente de la concentración) se obtienen valores de 20%. De igual manera, la RET de los asfaltos modificados con SBS puede ser incrementada mediante el aumento de la concentración de SBS, es decir, al aumentar la concentración de SBS, la recuperación elástica aumenta tal como se muestra en la figura 8, cuando se aumenta la concentración de 2 a 3% de SBS-Ac-SB, la RET a 7°C aumenta de 27 a 30%. Caso 4: Emulsiones modificadas de asfalto para riegos de sello. El actual interés por reducir el consumo energético y la emisión de gases de efecto invernadero, ha despertado el interés por las emulsiones asfálticas5,6, en este sentido se ha observado que dichas emulsiones fabricadas a partir de asfalto modificado con copolímeros de estireno-butadieno ofrecen la opción más barata y eficiente, ya que en esta técnica se asegura la modificación del asfalto. 8

En relación a los copolímeros de estireno-butadieno se han desarrollado diferentes familias para llevar a cabo la modificación del asfalto por la tecnología de Emulsión. Por un lado se encuentran elastómeros termoplásticos SBS lineales donde la totalidad de la composición de los monómeros se encuentran formando bloques secuenciales alternantes (para formar un tribloque) de poliestireno-polibutadieno-poliestireno, una segunda modalidad son materiales que combinan tribloques secuenciales con dibloques estireno butadieno y finalmente, un tercer grupo comprende copolímeros de estireno-butadieno que tienen un bloque parcial de estireno en su estructura3. Las figuras 8 y 9 esquematizan el tipo de estructuras de las cuales se habla. Figura 8.- Elastómero compuesto de SB y SBS lineal. Estructura tipo SB Di-bloque

Estructura tipo SBS tri-bloque secuencial

+ Donde: = monómero de butadieno. = monómero de estireno.

Figura 9.- Elastómero de estructura parcial (SBR).

Donde: = monómero de butadieno. = monómero de estireno.

En este estudio se produjeron emulsiones asfálticas de rompimiento rápido7,9 con el objetivo de observar las propiedades elásticas que proporcionan al residuo asfáltico los siguientes polímeros: a) b) c) d) e)

SBS + SB SBR SB EGA Látex de SBR

9

Los resultados obtenidos en la figura 10 muestran que el modificador que proporciona la mayor recuperación elástica en las tres concentraciones evaluadas es el SBS + SB, lo cual se atribuye a que su peso molecular es aproximadamente mayor en un 30% a las moléculas de SBR y SB, y 45% mayor que el látex. Figura 10.- Valores de recuperación elástica por ductilómetro del residuo de destilación de emulsiones con distintos modificadores poliméricos.

Las características de las emulsiones modificadas con SBS + SB se muestran en la tabla 4, en la cual se puede observar que es posible producir emulsiones de alta viscosidad y estables al almacenamiento, la propiedades elásticas del residuo asfáltico incrementan con el aumento de la concentración de polímero, siendo una concentración de SBS + SB de 3% la adecuada para cumplir todos los parámetros solicitados por la norma mexicana.

10

Tabla 4.- Características de la emulsión modificada con SBS+SB. Propiedades

Norma SCT

SBS+SB 2%

SBS+SB 3%

SBS+SB 4%

Contenido de cemento asfáltico, %

60

67

66

67

Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C; s

50 – 200

107

132

145

0.1

0.001

0.0015

0.002

3

0.5

1

1.6

100 a 200

124

113

105

Ductilidad a 4°C, 5 cm/min; cm, min

30

28

34

37

Recuperación elástica por ductilómetro a 25°C, 20cm, 5 min, % min.

40

35

44

46

Recuperación elástica por ductilómetro a 10°C, 20cm, 5 min, % min.

50

46

53

54

Retenido en malla #20, % Asentamiento a 5dás, % Penetración a 25°C, 100g, 5 s; 10-1 mm

En la tabla 5 se muestran las características de las emulsiones modificadas al 3% con SBR, SB y látex, se observa que es posible obtener valores de viscosidad Saybolt Furol mayores a 100 segundos, lo cual indica que para el caso de los asfaltos modificados con SBR y SB es posible alcanzar niveles aceptables de molienda y obtener tamaños de partícula menores a 10 micras, tal como se muestra en la figura 11. Tabla 5. Características de la emulsión modificada con SBR, SB y Látex. Propiedades

Norma SCT

SBR 3%

SB 3%

Látex 3%

Contenido de cemento asfáltico, %

60

66

65

66

Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C; s

50 – 200

122

105

116

0.1

0.01

0.013

0.011

3

1.2

1.5

1.4

100 a 200

113

124

115

Ductilidad a 4°C, 5 cm/min; cm, min

30

36

38

35

Recuperación elástica por ductilómetro a 25°C, 20cm, 5 min, % min.

40

41

42

41

Recuperación elástica por ductilómetro a 10°C, 20cm, 5 min, % min.

50

55

52

54

Retenido en malla #20, % Asentamiento a 5dás, % Penetración a 25°C, 100g, 5 s; 10-1 mm

11

Figura 11.- Fotografía del la ECR-2P modificada con SBR tomada con un microscopio de fluorescencia a 10 x.

Los tamaños de partículas que se muestran en la figura 12 son consistentes con los valores de retenido en malla #20 y con la estabilidad al almacenamiento mostrada en las pruebas de asentamiento a 5 días8,9, ya que los valores observados fueron de 1.2% para la emulsión modificada con SBR, 1.5% para emulsión modificada con SB y 1.4% para emulsión modificada con látex. Durante el estudio se intentó producir emulsiones a partir de asfalto modificado con plastómero de EGA, pero esta emulsión no se mantenía estable y rompía a los pocos minutos de la molienda, se observó que los problemas principales se encuentran en la rigidez del asfalto que el plastómero le transfiere y los tamaños de partícula son mayores a 30 micras. CONCLUSIONES. En este estudio se presentaron resultados del desempeño de diferentes tipos de polímeros que modifican el asfalto y su aporte de propiedades a la mezcla de asfalto modificado. En el primer caso de estudio se observa que el asfalto modificado genera mayor reforzamiento del asfalto contribuyendo al módulo elástico de la mezcla asfáltica con agregados petreos sometida a esfuerzo de deformación por rueda cargada APA, esta mejoría del asfalto modificado no se observa en la mezcla formulada con asfalto virgen. En un segundo caso, se presenta una modificación en la estructura de los copolímeros de estireno-butadieno que combina tribloques secuenciales acoplados con dibloques de estireno-butadieno que ofrecen la gran ventaja de poderse dispersar en menos tiempo y temperatura en el proceso de modificación del asfalto cuando se comparan contra el SBS radial utilizado en este estudio. Para los productores de asfalto modificado esto representa un ahorro en energía y tiempo. 12

Las propiedades reológicas que se consiguen tanto con SBS radiales como con este nuevo polímero de características estructurales diferenciadas permiten ver que adecuando las condiciones de proceso se pueden conseguir grados PG superiores a 82°C, y por supuesto el grado PG 76 que la mayoría de las obras en México solicitan. Es muy importante estudiar el comportamiento del asfalto modificado a bajas temperaturas por los efectos de fatiga dinámica o cracking térmico, esto también está relacionado con la durabilidad del pavimento porque generalmente el enfoque de diseño está pensado para las fallas por acumulación de deformaciones plásticas y generación de roderas y se descuida la parte de las fallas por cambios en la temperatura hacia fluctuaciones por debajo d 15°C. es interesante denotar la versatilidad que ofrecen elastómeros del tipo I como los SBS y SBSAc-SB para mantener altas propiedades de recuperación elástica por torsión, cosa que no se observa con polímeros del tipo II como plastómeros como el EGA, como se demuestra en el caso 3 de este estudio. Finalmente, el caso 4 permite ver que los copolímeros del tipo SBS y SB permiten contar con una opción viable para no solo modificar el asfalto sino también emulsionar el asfalto modificado ofreciendo un residuo asfalticos que cumple con las características que exige la SCT y asegurando la modificación del asfalto. Estos materiales compiten en el mercado con latices de SBR que se encuentran formulados con agua, los cuales partiendo de una emulsión se integran muy rápido con el asfalto cuando se emulsionan en conjunto, pero no garantizan que se modifique el asfalto. En el escenario de altos precios en materias primas y altos costos de construcción en ambientes de crisis es importante pensar en calidad de materiales y durabilidad, los copolímeros de estireno butadieno en sus diferentes versiones ofrecen soluciones duraderas para adaptarse a cualquier tipo de clima y tráfico, garantizando reducción de mantenimiento y alto tiempo de visa útil. Es importante que México como país elimine las malas prácticas de construcción, se pienso en soluciones de largo plazo donde el mayor ahorro esta en el número de mantenimientos y la seguridad de los usuarios, y no en la reducción de espesores de carpetas y el uso de materiales que no cumplan con calidad en las normas que se establecen y las nuevas propuestas como el protocolo AMAAC.

BIBLIOGRAFÍA

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5. Asociación española de fabricantes de mezclas asfálticas ASEFMA, Compendio de comunicaciones técnicas de proyecto Fénix de terceras jornadas técnicas, v. 1, n. 1, Madrid, España. 2008. 6. HUSSAIN, U.B., MILLER, T.D., “Sustainable Asphalt Pavements: Technologies, knowledge gaps and opportunities”, Prepared for the Modified Asphalt Research Center, The University of Wisconsin Madison, USA, 2009. 7. “QUIMIKAO-Chemical products”, manual de tecnología de emulsiones, Guadalajara, Jalisco 1999. 8. EL-AASSER, M. S., “The role of surfactants in emulsion polymerization processes”, Lehigh University, Philadelphia 1998. 9. STROUP, Gardiner Mary., “Modified asphalt and emulsion”. Polymer Literature Review., University of Minnesota. USA 1995.

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INFLUENCIA DEL ASFALTO MODIFICADO EN MEZCLAS CON DIFERENTES GRANULOMETRÍAS, EVALUADAS CON LOS ENSAYOS A TRACCIÓN INDIRECTA Y RESISTENCIA AL DESGASTE Autor correspondiente Dr. Saúl Castillo Aguilar Universidad Veracruzana Coordinador del Laboratorio de Materiales Facultad de Ingeniería Civil, zona Universitaria, CP. 91500 Xalapa, Veracruz, México Tel: 01 228 8421756 [email protected], [email protected] Dr. Gilbert Francisco Torres Morales Centro de Ciencias de la Tierra Universidad Veracruzana Xalapa, Veracruz, CP 91190 Tel: 01 228 8421700 ext 12637 [email protected]

I. RESUMEN Este trabajo de investigación muestra un estudio sobre la influencia que tienen los diferentes ligantes asfalticos modificados en diferentes mezclas asfálticas con granulometría diferentes, empleando los ensayos de tracción indirecta y resistencia al desgaste, para llegar a conocer su comportamiento mecánico de cada una de las mezclas analizadas y estudiadas en el laboratorio de materiales de la facultad de ingeniería de la Universidad Veracruzana. Se analiza en el laboratorio cada uno de los ensayos mencionados para cada tipo de mezcla que contiene el mismo agregado, mismas granulometría, contenido de asfalto, tipo de compactación, energía de compactación, misma temperatura de compactación y curado; variando solo los tipos de asfaltos convencionales y modificados con polímeros tal como: AC-20 convencional, asfalto Oxidado, Modificado con Elvax, Elvaloy y SBS, se determinaron sus características geométricas y volumétricas de todos los especímenes empleados para cada mezcla, compactados con el mismo equipo (Compactador Marshall) y fabricados a una misma temperatura (165 °C), así como el curado en condiciones normales, de acuerdo a la norma mexicana. Se realizan los ensayos a cada una de las probetas empelando el ensayo de tracción indirecta a una temperatura de ensayo de 5°C, en condiciones en seco y húmedo, finalmente para las resistencias al desgastes se obtendrán a una temperatura de 25°C en condiciones en seco y húmedo. Por último se demostrará que al usar una mezcla con asfalto convencional y un modificado. También se destaca, la gran importancia que tiene la temperatura de compactación, el tipo de granulometría, el tipo y cantidad de asfalto. Finalizando con un análisis comparativo de cada una de las mezclas modificadas con diferente granulometría.

II. INTRODUCCION Una de las principales funciones de un pavimento asfálticos es de portar al usuario características estructurales y funcionales, son de suma importancia para garantizar su resistencia, durabilidad, confort y seguridad durante su periodo de servicio Las mezclas asfálticas utilizadas en la construcción de carreteras deben conseguir parámetros de calidad para su diseño. El control de calidad sobre el producto fabricado suele realizarse mediante varios métodos de diseño; tal como, el ensayo Marshall, el ensayo tracción indirecta y resistencia al desgaste, extrayendo una muestra de la planta asfáltica o también extrayendo una muestra del pavimento. Sin embargo, la calidad final del producto de la mezcla extendida y compactada, solo se controla mediante la extracción de testigos de obra, para la determinación de su densidad y comparación respecto a su densidad patrón. Se dice que durante el proceso de transporte, extendido y compactación pueden producirse algunas irregularidades, como: escurrimiento del asfalto, segregación del pétreo grueso, trituración o machaqueo del material y el enfriamiento de la mezcla; y que pueden influir en la calidad final de la mezcla y consecuentemente en su comportamiento durante su vida útil de servicio. Uno de los factores citados que pueden producirse durante el transporte, extendido y compactación de la mezcla asfáltica, es el estudio de la influencia que tiene la temperatura de compactación en su desempeño. En esta investigación se obtuvieron los valores sobre 5 tipos de cementos asfálticos empelados en las mezclas con granulometría Densa, Semidensa y Abierta, donde se emplearon diferentes asfaltos: uno convencional y cuatro modificados con diferentes polímeros y finalmente se ensayaron a Tracción Indirecta y Resistencia al Desgaste (Ensayo Cantabro), sobre probetas fabricadas y compactadas a una sola temperatura. Es importante mencionar que no existe un control sobre la temperatura a la que se compactan las mezclas asfálticas, ya que solo se menciona que la compactación debe concluirse antes de que la mezcla alcance una temperatura por debajo del los 110 ºC. Este criterio de aceptación es objeto de controversias debido a que se ha demostrado a través de varias investigaciones, que el cumplimiento de la densidad, no garantiza el buen comportamiento de la mezcla asfáltica. III. ANTECEDENTES Nuestro país es uno de los líderes en producción a nivel mundial de petróleo y a su vez por la altísima cantidad de cemento asfáltico que produce, ha convertido a las mezclas asfálticas en la principal opción para la pavimentación de carreteras. Pues bien, los concretos asfálticos son mezclas elaboradas en plantas fijas y móviles, continuas y discontinuas, en donde se calientan los agregados y el asfalto, para posteriormente mezclarse. Para el diseño de las mezclas asfálticas, el método más usado en México es el Marshall, desarrollado en 1943, el cual determina el porcentaje óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. Con relación a los controles de calidad que se realizan en el proceso de colocación y compactación de la mezcla, la normativa mexicana para la aprobación o rechazo de una carpeta asfáltica en caliente, se limita principalmente a asegurar la densidad de la mezcla asfáltica compactada sea como mínimo el 95% de la densidad promedio de las probetas elaboradas en el laboratorio y el proceso de compactación debe concluirse antes que la mezcla alcance una temperatura muy baja. Este criterio de aceptación es objeto de controversias debido a que se ha demostrado a través de investigaciones, que su cumplimiento no garantiza los criterios

que se establecen en la norma referente a los parámetros mecánicos de estabilidad, flujo, cohesión ó algún otro parámetro mecánico, que debe tener la mezcla compactada. Tomando en cuenta la naturaleza de la mezcla asfáltica por su condición de material viscoso; propiedad que se introduce en la mezcla por la presencia del cemento asfáltico, resulta de suma importancia controlar y verificar de modo permanente durante todo el proceso la temperatura de la mezcla, debido a que el asfalto es un material termoplástico, por lo que su consistencia varía en mayor o menor grado con la temperatura. IV. EVALUACIÓN DE LOS ASFALTOS MODIFICADOS Otra de las investigaciones realizadas en el laboratorio, fue la caracterización reológica de asfaltos modificados con polímeros. Se realizó la caracterización de un asfalto convencional AC-20 de Salamanca y 4 modificados con diferentes polímeros y cuyos ensayos se representan en la tabla 1. Tabla 1.- Análisis de laboratorio de los asfaltos empleados Tipo de Prueba

Penetración a 25°C 100 gr 5 seg (1/100 mm) Penetración 4°C 200 gr 60 seg (1/100 mm) Punto de Reblandecimiento 5°C/min (°C) Viscosidad Brookfield a 135 °C

AC-20 Salamanca

AC-20 Oxidado

Mod. Elvax

Mod. Elvaloy

Mod. SBS

70 28 48 369

41 56 12 743

53 57 22 832

45 26 65 1829

42 61 62 1348

Posteriormente a esto, se procedió a realizar las pruebas correspondientes a los asfaltos, sobre la película delgada mediante el equipo RTFO, donde se obtuvieron los resultados de los cinco asfaltos empleados en el estudio y que fueron empleados en cada una de las mezclas en estudio. Presentando sus características en la tabla 2. Tabla 2.- Análisis de los asfaltos del residuo de la película delgada RTFO AC-20 AC-20 Mod. Mod. Tipo de Prueba Perdida de masa por calentamiento a 163°C (%) Penetración a 25 °C 100 gr 5 seg (1/100 mm) Penetración a 4 °C 200 gr 60 seg (1/100 mm) Punto de Reblandecimiento 5 °C/min (°C) Viscosidad Brookfield a 135 °C Penetración Retenida a 25 °C (%) Penetración Retenida a 4°C (%) Grado de desempeño PG Temperatura de falla [G*/sen δ = 2.2 KPa] Mód. Reológico Corte Dinámico PG [G*/sen δ] (KPa) Angulo de Fase (δ) a PG (°)

Salamanca

Oxidado

Elvax

Elvaloy

Mod. SBS

0.68 31 20 56 643 44 71 64 67.99 3.63 81.08

0.51 24 19 65 2222 59 69 76 78.98 3.02 70.94

0.20 24 20 66 1571 45 73 76 80.31 3.41 73.76

0.44 28 16 75 4334 63 61 76 81.92 3.52 59.11

1.37 26 17 70 2301 62 68 76 80.4 2.94 69.34

V. PREPARACION DE ESPECIMENES Todos los especimenes fueron fabricados en laboratorio de la Universidad Veracruzana por estudiantes que realizan sus Tesis de licenciatura y posgrado, en la cual se emplearon tres tipos de granulometría, Una Densa, Una Semidensa y una Abierta, empleando un solo tipo de material pétreo de un banco de la región de cercano a la Ciudad de Xalapa, Veracruz, a este material se le realizaron todos los ensayos correspondientes de acuerdo a la normatividad mexicana, obteniendo las siguientes características representadas en la tabla 3.

Tabla 3. Características del agregado pétreo usado en el estudio Valor obtenido Valor Especificado Norma mexicana Desgaste de Los Ángeles, % 28.6 30 máx. Partículas alargadas, % 17.5 35 máx. Partículas lajeadas, % 12.5 35 máx. Partículas trituradas, % 100 No especificado Absorción (agregado grueso), % 1.7 No especificado Densidad (agregado grueso), ton/ cm3 2.32 2.4 mín. Equivalente de arena, % 69 50 mín. Ensayos Realizados

La granulometría utilizada fue la establecida en la norma mexicana N·CMT·4.04/01, 4.04/02 y 4·04/03 para una carpeta asfáltica de granulometría densa, semidensa y abierta para un número de ejes equivalentes menor de 1x106, con un tamaño máximo nominal de 19.0 mm y ajustada al límite superior. El contenido de asfalto en la mezcla fue constante e igual a 6.25%, 6.15% y 5.75% respectivamente sobre el peso de los agregados en cada una de las mezclas estudiadas, y este fue definido mediante el ensayo Marshall. VI.1. Proceso de Fabricación Se fabricaron especimenes para ser ensayados a tracción indirecta y resistencia al desgaste, estos especímenes para su fabricación se realizaron con un peso entre 1000 a 1150 gr de material pétreo y 65.5 hasta 62.5 gr de cemento asfáltico, con el fin de que al realizar la compactación con el equipo Marshall, esto con el fin de llegar a obtener una altura minima de 50 mm y un diámetro de 4” (10.1 cm) aproximadamente. Para lograr una buen mezclado del pétreo con el asfalto, se realizo un calentamiento del pétreo al menos de 2 hrs a 150°C en horno, posteriormente se incorpora el asfalto a la temperatura de 155 y 165 °C y se realiza la envuelta con una mezcladora, finalmente se incorpora el filler. Finalmente el mezclado se hizo mediante un equipo mecánico y la compactación con equipo Marshall aplicando 75 golpes por cara con el propósito de producir mezclas compactadas con un bajo porcentaje de vacíos según el tipo de mezcla, con el fin de obtener estas propiedades en condiciones seco y húmedo. Finalmente, con la compacidad y el contenido de cemento asfáltico óptimos, hacer un análisis comparativo de los resultados obtenidos Esta investigación se plantea principalmente para estudiar el comportamiento mecánico de diferentes mezclas asfálticas de graduación Densa, Semidensa y Abierta para ver la resistencia que se producen a Tracción Indirecta y el ensayo Cántaro aplicando a las mezclas un porcentaje de de ligante (cemento asfáltico normal y modificados) antes mencionado y una misma compacidad. Los objetivos principales que se plantean en esta investigación son los siguientes: 1. 2. 3. 4.

Estudiar el comportamiento mecánico de las diferentes mezclas contempladas en el trabajo. Estudiar el comportamiento mecánicos de cada uno de los asfaltos al ser sometidos a diferentes ensayos. Realizar un análisis comparativo de este estudio para cada uno de los ensayos y evaluar aquellas mezclas que tiene el mejor comportamiento mecánico. Obtener valores medios de resistencia a tensión indirecta y desgaste, de cada una de las mezclas asfálticas de cada una de las granulometrías empleadas y realizar un análisis comparativo entre ellas.

VI.2 Equipos y aparatos para el ensaye El Ensayo de tracción indirecta se emplea una prensa servo hidráulica, en la cual se aplica la velocidad Marshall (50.8 mm/min), aplicando una carga sobre distribuida sobre una barras de acero (fig. x), los módulos de resiliencia se obtienen con una prensa de carga dinámica, aplicando cargas que oscilan entre 100 y 120 kg y que oscilan entre 0.33, 0.5 y 1 Hz y finalmente el ensayo Cantabro desarrollado, se realiza con probetas tipo Marshall introducidas en el cilindro de Los Ángeles, sin esferas, se mide la perdida (en peso) del material después de 300 vueltas del cilindro, dando como resultado el porcentaje en peso del material desprendido respecto al original antes del ensayo.

Figura 1.- Ensayos realizados, a) tracción indirecta b) probeta ensayada c) Equipo

Las probetas se fabrican con el compactador giratorio y con un pisón y molde Marshall: Este equipo se utiliza para la elaboración de probetas aplicando una compactación dinámica de 75 golpes/cara para después ser ensayadas en la prueba de desgaste. Los moldes que se emplean para elaborar los especimenes tienen un diámetro interior de 10.1 cm y una altura de 8.7 cm. El molde tiene una extensión a collarín de 6.98 cm y una placa metálica estándar para apoyar el molde. Para elaborar las probetas, previamente al momento de la mezcla el agregado pétreo y el cemento asfáltico deben mantenerse a una temperatura mínima de 120ºC y así, realizar un mezclado homogéneo entre dichos agregados. Se vierte la mezcla en el molde y con el compactador giratorio o el pisón se aplica la compacidad indicada. Se emplea un cilindro de los Ángeles V. ANALISIS DE RESULTADOS V.1. Resultados a Tensión Indirecta A continuación se presentan los resultados obtenidos de cada una de las mezclas estudiadas y analizadas en el laboratorio, en la cual se emplearon dos condiciones de ensayos, en seco y en húmedo, el ensayo se realizo a una temperatura de 5°C. En la tabla 4, los valores que se presentan son el producto de realizar al menos 6 especimenes por cada una de las mezclas en el estudio, cabe mencionar que el procedimiento de curado fue el siguiente: 3 días a temperatura ambiente las de condiciones en seco y las de en húmedo, después de este proceso se dejaron bajo inmersión al menos 4 hrs a 60°C, finalmente todas reintrodujeron a una temperatura de 5°C al menos 4 horas para que finalmente se realizara el ensayo.

Resistencias a Tensión Indirecta

35

Resistencias en kg/cm2

30

25

20

15

10 SECO HUMEDO

5

0 AC20

OX

ELVAX

ELVALOY

SBS

Tipo de Cemento Asfáltico

Figura 2.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Densa

En la figura 2 se puede apreciar de forma muy clara el comportamiento de cada una de las mezclas estudiadas con diferentes tipos de asfaltos convencional y modificados, donde tenemos dos curvas, una representa los resultados en seco y la otra en húmedo, por tal los valores obtenidos en seco son aquellos que tienen mayor resistencia, la mezcla que solo contiene AC-20 de Salamanca, es la que tiene valores más bajos que oscilan entre 26.56 y 22.68 kf/cm2, sin embargo las mezclas que se empleo un asfalto modificado con polímero son las que tienen mejores resistencias a la tracción indirecta, teniendo un mejor comportamiento la mezcla con Elvaloy, ya que sus valores oscilan en seco y húmedo, entre 32.1 y 28.14 kg/cm2 respectivamente, sin embargo es muy importante mencionar que el incremento de las resistencias de las mezclas asfálticas con asfaltos modificados, son mayores que la que tiene solo asfalto convencional.

Figura 3.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Semi abierta

Figura 4.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Abierta

Figura 5.- Tendencia de los valores obtenidos en las cada una de las mezclas

V.2. Resultados de Resistencia al Desgaste En cuanto a valores de desgaste (ensayo cantabro) para cada una de las mezclas en estudio, a estas se les realizo el ensayo a diferentes temperaturas (-5, 5, 25 y 40 °C) con el fin de conocer su comportamiento mecánico, cabe hacer mención que se ensayaron tres probetas por cada temperatura, obteniendo lo siguiente: Se aprecia en la tabla 4 cada uno de los resultados promedio obtenidos para cada temperatura y para cada una de las mezclas ensayadas.

Tabla 4.- Resultados obtenidos de resistencias al desgaste: Mezcla Densa Temperatura

AC-20

OXIDADO

ELVAX

ELVALOY

SBS

-5

2.66

2.47

2.26

3.48

4.81

5

3.97

3.76

3.45

3.7

6.12

25

11.96

8.27

6.98

12.3

15.18

40

33.55

29.87

29.28

28.66

30.46

Figura 6.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Densa

Tabla 5.- Resistencias desgaste de mezclas asfálticas: Mezcla Semi abierta Temperatura

AC-20

OXIDADO

ELVAX

ELVALOY

SBS

-5

7.14

7.05

5.45

7.12

5.85

5

10.25

9.45

8.47

7.95

6.5

25

16.31

13.45

10.5

12.5

9.5

40

35.6

33.2

28.9

27.8

25.1

Figura 7.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Semi abierta

Tabla 6.- Resultados obtenidos de resistencias al desgaste: Mezcla Abierta Temperatura

AC-20

OXIDADO

ELVAX

ELVALOY

SBS

-5

15.6

13.2

11.2

9.45

8.9

5

17.5

16.5

14.5

11.9

12.3

25

21.5

19.5

17.5

15.6

16.9

40

46.1

41.2

38.1

32.2

29.9

Figura 8.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Abierta

En las figuras 6, 7 y 8 se aprecian de forma muy clara el comportamiento de las mezclas estudiadas en el laboratorio, todas las curvan tienen un comportamiento

similar, sin embargo sus valores son diferentes, las curvas de la mezcla con AC-20 sus resistencias al desgaste son más elevadas en todas las temperatura con respecto a las demás mezclas, esto significa que tienen baja cohesión y que el desprendimiento de los agregados pétreos es más alto, por otro lado se puede apreciar que la curva que tiene resistencia más bajas o mejor cohesión es que en la que se empleo un asfalto Oxidado sobre todo a temperatura muy bajas, teniendo un incremento de resistencia a temperatura altas, también se puede apreciar que la mezcla con Elvaloy a temperaturas altas tiene una mejor cohesión lo cual significa que su resistencia al desgaste no sea muy elevada. También se aprecia que las mezclas que se empleo asfalto modificado a temperatura de 40°C, sus valores son muy similares, lo cual puede decirse que tiene una mejor cohesión.

VI. RELACIÓN ENTRE LOS ENSAYOS REALIZADOS Los ensayos de tracción indirecta, resistencia al desgaste y módulos de resiliencia se realizaron completamente por separado, el único punto en común es que se utilizaron los mismos asfaltos y la misma granulometría. Se trabajó con este fin y de tal manera con un propósito de introducir la mayor objetividad a la investigación. La información presentada en este documento fue los resultados obtenidos en la reología de los asfaltos, así como la descripción y presentación de los resultados obtenidos de la cohesión de cada una de las mezclas, mediante los ensayos ya mencionados, para estos tres ensayos se ha concluido con un rankin de los resultados obtenidos, se han clasificado los asfaltos y las mezclas de mejor a peor comportamiento. Se puede apreciar en los resultados mostrados en las tabla 7 el rankin que obtienen las mezclas sobre cada ensayo realizado, por tal se aprecia que su comportamiento no es igual en ningún ensayo, por tal se puede predecir que la cohesión de las mezclas son diferentes, esto puede influir en el tipo de compactación, temperatura de fabricación y temperatura de ensayo y mezclado. Tabla 7. Rankin de las mezclas de acuerdo al ensayo realizado Tipo de Mezcla Tensión Indirecta Resistencia al desgaste Mod. resiliencia

Mod. Elvaloy Mod. S B S AC-Oxidado Mod. Elvax AC-20 Salamanca

1 2 4 3 5

2 1 4 3 5

2 1 4 3 5

VII. CONCLUSIONES Una vez concluido la investigación que se resume en este artículo, ha sido posible llegar a las siguientes conclusiones: 1. Existe una buena correlación entre la información proporcionada por los métodos de caracterización reológica de asfaltos y la cohesión presentada en cada uno de los ensayos realizados, tracción indirecta y resistencia al desgaste. 2. Se confirma con el comportamiento de las mezclas asfálticas con asfalto convencional o modificado son muy similares en cada una de las mezclas ensayadas. 3. En cuanto a las mezclas ensayadas con asfalto modificado, estas presentaron mejores valores son aquellas en las que sus valores a tracción indirecta y resistencia al desgaste, fueron aquellas en donde se empleo el Elvaloy y SBS.

4. Cuando se eleva la temperatura de fabricación, de 155 a 165 °C el incremento no es mayor del 25%. 5. Los ensayos realizados a las mezclas con asfalto modificado con polímero, indican que la cohesión de cada una de ellas es muy bueno en relación a mezclas cunado se emplea un asfalto normal. VII.- BIBLIOGRAFÍA 1. Normas NLT I. Ensayos de carreteras CEDEX, 1992: NLT-346/96. Resistencia a compresión diametral (ensayo brasileño 2. Perfomance Tests for Hot Mix Asphalt (HMA). ASTM. STP 1469 3. Placement and Compaction of Asphalt Mixture. F.T. Wagner. ASTM. STP 829. 1982. 4. SUPERPAVE “Antecedentes y métodos de ensayos asfálticos y mezclas asfálticas”. ASPHALT INSTITUTE. 1998. 5. Tesis Doctoral “Técnicas y Metodologías empleadas en el diseño y construcción de una mezcla mixta reciclada con cemento y emulsión” S. Castillo Aguilar, R. Miro, F. Pérez. Barcelona, España. 1999.

NANOTUBOS DE CARBONO OBTENIDOS POR DESCOMPOSICIÓN CATALÍTICA DE METANO PARA EL MEJORAMIENTO DE ASFALTOS A. Jiménez 1,2, F. Reyes 2, C. Daza 1 1

Departamento de Química. Facultad de Ciencias. Pontificia Universidad Javeriana, Carrera 7 No. 40 – 62. Bogotá, D.C. Colombia. 2 Departamento de Ingeniería Civil. Facultad de Ciencias. Pontificia Universidad Javeriana, Carrera 7 No. 40 – 62. Bogotá, D.C. Colombia.

Resumen Se realizó un diseño de experimentos para el proceso de descomposición de metano, en el que se evaluó la temperatura (600, 700 y 800 ºC), el tipo de catalizador y el tiempo de reacción (1, 2 y 3 h). La variable de selección fue el peso bruto de los NTC obtenidos. Se presenta la mayor actividad usando el catalizador de Ni-Cu-Al y metano, sin diluyente, bajo régimen isotérmico a 700 ºC durante 3 h. Para estas condiciones, se generó la mayor producción de g NTC/g catalizador de 6,17 reportada en la literatura. Los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) fueron caracterizados por Análisis Termogravimétrico (TGA), Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). El asfalto 60/70 convencional y modificado se caracterizó reológica, mecánica y químicamente. Palabras Clave: Descomposición de metano, CNTs, asfaltos modificados

desempeño del asfalto, ya que pueden llegar a tener una alta afinidad química dado su carácter hidrofóbico, generando un material híbrido mejorado. Así mismo, los asfaltos son muy susceptibles ante cambios de temperatura y los NTC podrían contribuir con su estabilidad, reduciendo el deterioro, y aumentando su vida útil.

Introducción los NTC han sido empleados para mejorar las propiedades de diversos materiales, ya que poseen propiedades físicas, químicas, térmicas y eléctricas con rangos de magnitudes mucho más altos que los demás materiales conocidos y usados (1,2), como resistencia a la tracción (3), transmisión de calor, (4), y el módulo de Young, cuya magnitud asciende a 1 TPa (5) entre otras, incluyendo los empleados comúnmente en ingeniería civil, como concreto y polímeros, elastómeros (6,7) y plastómeros (8).

Sin embargo, la síntesis de estas estructuras es costosa y sus rendimientos de producción son bajos (9). Adicionalmente, el costo de purificación de los diferentes materiales nanométricos ha sido uno de los problemas a la hora de usarlos en el campo de la construcción, en donde se requieren grandes cantidades (10), por esta razón se buscan

La modificación con estructuras nanométricas, como los NTC, pueden ser una opción prometedora para el incremento en el 1

métodos de síntesis que reduzcan dichos costos y generen un bajo impacto ambiental.

Los NTC de pared simple están compuestos por una única lámina de grafeno, su diámetro está en el rango de unos pocos nanómetros (1-2 nm) (18,19) , mientras que en los de pared doble y múltiple se forman varias láminas con disposiciones concéntricas, donde el espaciamiento entre cada uno de los cilindros puede llegar a ser de 0,34nm (20,21)

La descomposición catalítica del metano surge como alternativa de síntesis de los NTC, dado su bajo costo de operatividad (11) ya que requiere menor energía en la reacción, en comparación con otros procesos de síntesis como ablación laser, descarga de arco, entre otros (9,12).

Síntesis de los nanotubos de carbono

Adicionalmente, el proceso genera como único sub-producto hidrógeno. Hoy en día se están buscando diferentes métodos para la obtención de hidrogeno, puesto que es uno de los candidatos más viables a sustituir los combustibles fósiles como fuente de energía, debido a que es un gas con alta densidad de energía, no contaminante, eficiente y prácticamente inagotable (13). Esto hace que la descomposición del metano sea una opción atractiva como proceso químico conducente en la obtención de los NTC e hidrogeno (14).

En las últimas dos décadas se han empleado diversos métodos con el fin de obtener NTC con propiedades superlativas, además, de aumentar el rendimiento en su producción. Dentro de los diferentes métodos de síntesis sobresalen, arco-descarga (22,23), ablación laser (24) y Deposición catalítica química en fase vapor (CCVD). Deposición catalítica química en fase vapor (CCVD) Este método se ha convertido en la técnica más común para producir NTC (25–27), puesto que puede emplearse en procesos de producción a gran escala, ya que requiere menos energía que los métodos mencionados anteriormente, y los residuos no son contaminantes, en la mayoría de casos (28– 30). Así mismo, esta tecnología es una de las que hoy en día se está empezando a desarrollar para la obtención de hidrógeno como una fuente de energía alternativa y limpia (9,31).

Nanotubos de carbono (NTC) Los NTC son una forma alotrópica del carbono compuestos por hojas hexagonales de grafeno, laminadas de forma cilíndrica (15,16) en donde los átomos de carbono están unidos por enlaces con hibridación sp 2, similares a los del grafito, los cuales confieren una extraordinaria estabilidad a la estructura (17). Además, los NTC son estructuras moleculares definidas con dimensiones reproducibles que los hacen más rígidos y más fuertes que cualquier otro material conocido (5).

El proceso consiste en alimentar un reactor tubular, que contiene un catalizador, con una fuente de carbono en fase gaseosa. Cuando en el reactor se alcanzan temperaturas entre 600 – 1200 ºC las moléculas del hidrocarburo se descomponen, difundiéndose sobre el catalizador y generando el crecimiento.

Los NTC pueden ser obtenidos con diversos tamaños, diámetros y longitudes lo cual está en función del método de síntesis. De acuerdo con su estructura, se clasifican en: nanotubos de pared simple, de pared doble y múltiple pared.

En este proceso, es importante controlar y regular condiciones tales como: temperatura 2

de reacción, presión de los gases, flujo y concentración de la fuente de carbón, tipo, tamaño y cantidad del catalizador, ya que de estás dependen las características de los NTC (32).

La formación de una o varias capas en los nanotubos está regida por el tamaño de la partícula del catalizador ya que cuando esta es de unos pocos nanómetros se forman nanotubos de una sola pared, mientras que para partículas más grandes (decenas o cientos de nm), la formación de NTC de pared múltiple es más común (44).

Las fuentes de carbón más comunes son el metano, (16,33,34) etileno (34,35), benceno (36) (37) acetileno (38), monóxido de carbono (39), xileno (40), tolueno (41), dióxido de carbono, hexano, etanol, naftaleno y antraceno entre otros (42).

Se han reportado diferentes tipos de catalizadores. Por ejemplo, los catalizadores obtenidos por tratamiento térmico de hidrotalcitas como precursores de óxidos mixtos, presentan una alta estabilidad térmica y grandes áreas superficiales, favoreciendo los procesos de crecimiento de los NTC. Además, de la buena dispersión de las partículas metálicas (45,46).

La estructura molecular de la fuente de carbón influye tanto en el crecimiento como en la morfología de los NTC. Para el caso de los hidrocarburos lineales como el metano, etileno y acetileno se producen NTC rectos y huecos, por el contrario, para los hidrocarburos cíclicos como benceno, xileno y/o ciclohexano su morfología tiende a ser curva (43).

Por su parte, mediante el método de auto combustión se pueden obtener materiales catalíticos que presentan alta productividad en la formación de NTC dado su baja densidad y alta porosidad.

Catalizadores para el método CCVD El uso de un determinado tipo de catalizador, metálico de transición, junto con el tipo de fuente de carbono puede generar diferencias en los tipos de nanotubos. Por ejemplo, el Ni, Fe y Co tienen una mayor tendencia hacia el crecimiento de los NTC en comparación con otros metales, generando principalmente NTC de pared simple con menor diámetro (44).

En este método se emplean los nitratos de los metales, previamente seleccionados, y un compuesto orgánico que sirve como combustible. Cuando los nitratos se descomponen por efectos térmicos reaccionan rápidamente con el compuesto orgánico generando una combustión; luego de la calcinación del óxido, la porosidad en el material se forma debido al efecto “template” del compuesto orgánico (47–49)

Los catalizadores más empleados son los metales de transición, que pertenecen al grupo 8 de la tabla periódica, tales como Ni, Fe y Co. La actividad de estos metales radica en su elevado punto de fusión, junto con la alta solubilidad que tienen con el carbono a grandes temperaturas, (32). Otros tipos de catalizadores son Ru, Rh, Pd, Os, Ir Pt, Cu, Au, Ag, Pt y Pd reportados en los siguientes resúmenes (30,32).

Por otra parte, el soporte catalítico ayuda en el crecimiento de los NTC sobre el catalizador, ya que el tamaño y la estabilidad de las partículas del catalizador (fase activa) depende de la interacción con este (32). Además, la interacción entre el metal y el soporte controla la formación de las estructuras de los NTC, de ahí la importancia en la adecuada selección del material soporte (50). 3

Dentro de los diversos soportes catalíticos empleados se encuentran: grafito, cuarzo, silicio, carburo de silicio, sílice, alúmina, silicato de aluminio (zeolitas), CaCO3, óxido de magnesio, lo cual se reporta en el trabajo resumen de (51).

actividad en la descomposición del metano (58) . La reacción de auto-combustión se realizó mezclando los nitratos de las sales en proporciones (Mg+Cu)/Ni=2, y Mg/Cu=1 para el catalizador Ni-Cu-Mg-Al; Mg/Ni=2 para el catalizador Ni-Mg-Al y (Mg+Cu)/Ni=2 y Mg/Cu=1 para el catalizador Ni-Cu-Al. En todos los casos, las proporciones M2+/Al fueron iguales a 3 y la proporción NO3-/gly fue igual a 1, ver Figura 1.

Los catalizadores de Ni se emplean con frecuencia en la descomposición de metano para obtener hidrógeno y NTC, dada su actividad y alta estabilidad térmica (33,52,53). Mecanismos de formación de los NTC

La mezcla se calentó lentamente hasta la formación de un gel, en este momento, la temperatura se elevó súbitamente (alrededor de 300ºC) para promover la descomposición de los nitratos y la reacción de combustión.

Actualmente, se han definido dos mecanismos de formación de los NTC, crecimiento por punta y desde la base. El primero, se asocia con una interacción débil entre el catalizador y el soporte, donde el ángulo que se forma entre esto(52)s dos es agudo (43).

El material resultante se calcinó a 700ºC durante 14 h con un incremento de 10 ºC/min.

Experimentación

Síntesis de los NTC

Obtención de los catalizadores para la síntesis de los NTC

La reacción de descomposición de metano se llevó a cabo en un reactor horizontal de lecho fijo de cuarzo el cual se encuentra introducido en un horno de alta temperatura. En la Figura 2 se presentan detalles del reactor empleado.

Dado que la obtención de los NTC se realizó mediante la descomposición catalítica de metano, fue necesario para llevar a cabo el proceso sintetizar catalizadores de Ni, soportados con Mg, Al y Cu. Estos catalizadores fueron obtenidos mediante el método de auto-combustión a partir de los nitratos de los metales y glicina como combustible (55–57).

En el reactor de cuarzo, se disponen 0,5 g del catalizador sin previa reducción, el metano se introduce en flujo continuo a razón de ~20 cm3/min desde temperatura ambiente. La temperatura se incrementó a razón de 10 ºC/min hasta la temperatura de reacción y se mantuvo en isoterma durante un tiempo determinado, una vez finalizado, la temperatura se disminuyó a razón de -10 ºC/min y se retiró el producto del reactor de cuarzo.

En este trabajo, se evaluaron tres tipos de catalizadores: Ni-Cu-Al, Ni-Mg-Al y Ni-CuMg-Al los cuales fueron seleccionados de acuerdo con reportes de la literatura que señalan que los catalizadores con estas combinaciones de metales presentan alta

4

a)

c)

b)

Figura 1. Proceso de Auto combustión; a) Catalizador de Ni- Cu-Mg-Al; b) catalizador de Ni-Mg-Al; c) Catalizador de Ni-Cu-Al

Los NTC fueron obtenidos después de realizar dos lavados con HNO3 concentrado para retirar el catalizador y posteriormente, lavados con agua destilada.

Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) Los análisis TEM se realizaron en un microscopio JEOL JEM-2010F operado a 200 kV. Las muestras fueron preparadas sobre una rejilla micrométrica de Cu previo a la observación. Se empleó el software ImageJ® para determinar el diámetro y la longitud promedio de los NTC.

a)

b)

Espectroscopía RAMAN Los análisis RAMAN fueron realizados en un Espectrómetro confocal marca Horiba Jobin Yvon, Modelo Labram HR de alta resolución, empleando un láser de 633 nm.

Figura 2 a) Esquema simplificado del reactor de craqueo de metano; b) Detalles del reactor.

Obtención de los catalizadores para la síntesis de los NTC

Con el propósito de establecer las mejores condiciones para la síntesis de los NTC, se realizó un diseño de experimentos en el que se evaluaron la temperatura (600, 700 y 800 ºC), el tipo de catalizador y el tiempo de reacción (1, 2 y 3 h). La variable de selección fue el peso bruto de los NTC obtenidos.

La síntesis de los NTC se realizó empleando tres tipos de catalizadores, obtenidos por el método de auto-combustión, Ni-Mg-Al, NiCu-Al y Ni-Mg-Al-Cu. En este trabajo, no fueron realizadas determinaciones conducentes a la obtención de la composición elemental de los materiales catalíticos. No obstante, en la literatura, se ha señalado que la composición química final de este tipo de catalizadores es muy cercana a la nominal (48) .

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) Los análisis SEM se realizaron en un microscopio JEOL JSM6490LV. Las muestras fueron recubiertas con una delgada capa de Au para su observación.

5

Con el propósito de obtener las condiciones más favorables para la obtención de los NTC, se diseñaron experimentos que evaluaron diferentes variables de operación del reactor catalítico, Las variables evaluadas fueron: tipo de catalizador, masa del catalizador, temperatura, y tiempo de reacción. En todos los casos, el catalizador se empleó sin reducción y el flujo de metano fue constante durante la isoterma.

la isoterma del proceso, mientras que el diluyente se empleó en el incremento y decremento, después de esta. Si bien se ha indicado que la producción de NTC se realiza previa reducción del catalizador con H2. En el presente trabajo, esta reducción no fue llevada a cabo teniendo en cuenta la reducción de costos del proceso. Bajo dichas condiciones, la reducción del catalizador sucede in situ dado el ambiente reductor en el lecho catalítico. Durante los primeros instantes de la reacción, ocurre la descomposición del metano para producir NTC y H2 sobre los sitios metálicos, el hidrógeno es consumido por los óxidos de los metales para reducirse hasta el estado metálico, a partir de este momento, la reacción continúa a través del fenómeno de difusión y nucleación (17,59)

En los primeros experimentos, se determinó que es más favorable para producir NTC usar 0,5 g de catalizador (WHSV = 2,4 Lh-1g-1) bajo régimen isotérmico (700 ºC) que usar 1 g de catalizador (WHSV = 4,8 Lh-1g-1) pues el peso bruto de producción es mayor en un 3,9 % en masa en promedio. Esto sugiere que es probable que los procesos difusivos en fase gaseosa sean limitados con un lecho catalítico de 4,8 Lh-1g-1 debido al empaquetamiento del catalizador en el reactor, este fenómeno puede causar que solo en la parte inicial del lecho se produzca reacción, disminuyendo la producción de NTC (48).

Resultados y discusión Síntesis de los NTC Posteriormente a la selección de las variables ya descritas, los tres catalizadores fueron evaluados en reacciones bajo régimen isotérmico (600, 700 y 800 ºC) durante 1h, ver Figura 3.

Fue seleccionada una velocidad espacial de 2,4 Lh-1g-1, con el fin de aumentar la producción de los NTC. Los resultados demostraron que cuando se usa el gas reactivo puro (sin diluyente), se incrementa la producción de NTC en un 189 % en masa en promedio respecto al uso del gas reactivo diluido (10:50), en la isoterma.

Para la síntesis de los NTC se evaluaron 3 tipos de catalizadores Ni Mg Al, Ni Cu Al y Ni Mg Al Cu. De acuerdo con diferentes resultados, cuando el peso del catalizador es 1 gr, la reacción genera 3.5% menos de NTC, que cuando se realiza con 0,5gr de catalizador, a una temperatura y tiempo de la isoterma de 700°C y 2h, respectivamente.

Lo anterior señala que la reacción debe ocurrir con un tiempo de residencia alto en el lecho catalítico y que un incremento en las velocidades espaciales desfavorece el proceso. De igual manera, podría considerarse que el uso de un gas diluyente podría incrementar los costos de producción.

De otra parte, es más favorable para la síntesis de NTC que durante la isoterma solo exista flujo de metano, ya que las relaciones entre la cantidad de NTC y el catalizador llegan a ser un 189% mayor que cuando está

De acuerdo con este resultado, se seleccionó el uso del gas reactivo (metano) puro, solo en 6

Peso bruto (g)

presente el nitrógeno. En consecuencia el flujo de metano adoptado fue de 10 cssm, mientras que el de nitrógeno solo se colocó cuando se incrementa la temperatura hasta la isoterma, y cuando esta termina y decrece hasta la temperatura ambiente, con una magnitud de 50 cssm. 1,70

Ni Cu Al

1,50

Ni Mg Al Cu

representar beneficios económicos en la producción. Así mismo, se puede observar que para los catalizadores de mayor actividad, la producción máxima ocurre a 700 ºC. A esta temperatura, de acuerdo con los cálculos termodinámicos reportados en literatura, para las condiciones utilizadas en el presente trabajo, la descomposición del metano es del 91% mientras que a 800ºC la predicción es del 98 %. La razón que explica la menor producción a 800 ºC podría ser la sinterización de las partículas del catalizador, cuya rapidez se incrementa con mayores temperaturas.

Ni Mg Al

1,30 1,10

0,90 0,70 0,50

0,30 550

600

650 700 750 Temperatura ( C)

800

850

Después de seleccionadas estas variables, se realizaron experimentos con diferentes tiempos de reacción (1 a 5 h), en la Figura 4 se pueden apreciar los resultados obtenidos.

Figura 3. Peso en bruto de NTC + catalizador para diferentes catalizadores y temperaturas.

Para la elección del tipo de catalizador se mantuvo constantes los parámetros anteriormente descritos, peso del catalizador, flujo de metano, y se contemplo un tiempo de isoterma de 1 hora, evaluando la temperatura de la reacción, a continuación se presentan los diferentes resultados:

De acuerdo con la Figura 4 se infiere que la isoterma de 3 horas, a 700°C es la mejor condición para obtener NTC, razón por la cual se empleó para la obtención de los 210 g de NTC, que fueron empleados para la modificación del asfalto.

A partir de los resultados presentados en la Figura 3, se puede apreciar que los catalizadores que contienen Cu presentan mayor actividad en la descomposición del metano que aquel que no contiene dicho metal, comportamiento similar fue reportado por (54), donde se manifiesta que el Cu promueve la actividad del Ni mejorando considerablemente la producción de NTC e incrementando la estabilidad del catalizador.

3,5

Peso bruto (g)

3,0 2,5

2,0 1,5 1,0 Ni Cu Al

0,5 0,0 0

De los dos catalizadores, el de Ni-Cu-Al presentó mayores cantidades producidas en cada una de las temperatura evaluadas. Adicional a esto, este catalizador posee una combinación química menos compleja (no contiene Mg) por lo que su selección podría

1

2

3 4 Tiempo de isoterma

5

Figura 4. Peso en bruto (NTC + catalizador) para diferentes periodos de tiempo de la isoterma a 700°C.

Para la obtención de dicha cantidad se realizaron 68 montajes que presentaron una media de 3,10 g (peso bruto), mediana de 7

6

2,98 g y Desviación estándar de 0,68, estos valores representan una producción de 6,17 g NTC/g catalizador.

Es posible observar una segunda pérdida a partir de los 100 °C hasta los 400 °C y su magnitud es de 2,27%, debido a la oxidación de carbono amorfo compuestos por uniones CHx ó nanotubos con defectos en su estructura (62,63). Dado que es una perdida relativamente pequeña se puede relacionar con bajas cantidades de estructuras desordenadas de carbono (60).

La distribución del peso bruto de NTC se presenta en la Figura 5. Si bien la desviación de los resultados es elevada, es importante rescatar que se obtuvieron producciones de NTC de las más altas reportadas en la literatura (60), donde le mayor valor se acercaba a 4,8 g NTC/g catalizador. 30

Derivada de Peso (%/ C)

Peso (%)

Cantidad de montajes

25

20

15

10

5

0

Temperatura ( C) 2

3

4

5

6

Figura 6. TGA de los NTC sintetizados a 700°C y purificados.

Peso NTC+ catalizador (g)

Figura 5. Histograma pesos de NTC+ Catalizador, para isoterma de 3 h a 700°C, con 0,5 g de Ni Cu Al y flujo de metano de 10 cssm.

La oxidación de los nanotubos de carbono ocurre entre los 450 y 650°C, rango común en los nanotubos de múltiple pared, similares resultados se presentaron en (61), donde los catalizadores con Ni presentaron mayor estabilidad térmica. La derivada de la pérdida de peso presenta un solo evento de oxidación con un máximo a los 560 °C el cual sugiere que solo existe una sola fase en la muestra. Esta temperatura de los NTC es inferior a la que reporta (64) para NTC sintetizados por descarga de arco (700 °C) y mayor a la reportada por (65) para NTC preparados por descomposición de propileno (420 ºC)

Caracterización de los NTC Los NTC sintetizados con las condiciones establecidas (catalizador Ni-Cu-Al, isoterma de 700 ºC, durante 3h con flujo de metano puro) fueron caracterizados mediante diferentes técnicas. A continuación se presentan los resultados obtenidos: Análisis Termogravimétrico (TGA) El análisis TGA se realizó a los NTC luego de la etapa de purificación con HNO3. El termograma se presenta en la Figura 6. La primera pérdida de masa tiene una magnitud de 1,782 %, y ocurre desde temperatura ambiente hasta los 100 °C, lo cual puede atribuirse a la remoción de agua fisisorbida en el material (60), o a remociones de impurezas orgánicas volátiles (61).

Aproximadamente un 6,3 % de la masa original queda como residuo después de la oxidación, lo cual pudiera provenir de partículas del catalizador, que quedaron encapsuladas dentro de las estructuras de los NTC dificultando su disolución con el ácido nítrico. 8

Si bien mediante el proceso de síntesis se pueden controlar tamaño y tipo de los NTC, su orientación en escala micrométrica tiende a ser desorganizada y aleatoria.

Microscopía electrónica de barrido SEM En la Figura 7 se pueden observar las micrografías SEM tomadas a los NTC después de la purificación, se puede inferir que existen microfibras de carbono, las cuales se extienden por varios micrómetros.

Figura 7. Micrografías SEM de los NTC+ catalizador, sintetizados a 700°C.

Con base en las imágenes se aprecian partículas probablemente de Ni (áreas oscuras) embebidas en las NTC las cuales en algunas fibras permanecen después de la purificación, este fenómeno también se reportó por (66,67). De otra parte, se percibe que el crecimiento de los NTC se da desde la base, de la fase activa, y que su distribución y ordenamiento son aleatorios.

Microscopia electrónica de transmisión (TEM) En la Figura 8 se pueden observar las micrografías TEM para los NTC antes y después de la purificación con HNO3. En las micrografías TEM se aprecian NTC de diferentes tamaños y longitudes observándose que están compuestos, en su mayoría, por múltiples capas. Según (60), este tipo de estructura es la que más frecuentemente se origina en procesos catalíticos.

De acuerdo con (60) no existe una correlación directa entre el tamaño de las partículas de Ni y el diámetro interno de los NTC, y solamente las partículas pequeñas son 9

adecuadas para encapsularse en los NTC, tal como se observa en la Figura 8.

observan NTC con diámetros inferiores a 3 nm los cuales pudieran ser de una sola pared (21). En la Figura 9 se observa una micrografía TEM en donde se presenta un NTC individual, en el que claramente se observa la formación de múltiple capas, pudiéndose diferenciar el diámetro interno y externo, así como una cavidad interior.

Además señalan que el tamaño de las partículas de Ni óptimo para el crecimiento de los NTC está entre 4 y 12 nm, valores similares, 44,0 nm y 42,6 nm, respectivamente, y su desviación estándar es de 15,8 nm. En la distribución, también se

Figura 8. Micrografías TEM de NTC sintetizados a 700°C durante 3 h, a) y b) ante de la purificación, c) y d) después de la purificación.

10

Original 0.5% NTC 1% NTC 1.5% NTC 2 % NTC

a)

S=O

C=O

Figura 9. Micrografía TEM.

Una vez caracterizados los NTC, se adicionaron al asfalto mediante mezcla mecánica. Con el fin de evaluar el comportamiento fisicoquímico del asfalto mejorado se presentan los diferentes resultados de las técnicas de caracterización del material.

800

1000

1200

1400

1600

Numero de Onda cm-1 b)

S=O

1800

Original 0.5% NTC 1% NTC 1.5% NTC 2 % NTC

C=O

Caracterización Química Espectroscopia FTIR Con el fin de evaluar si durante el proceso de mezclado del asfalto con los NTC ocurrió oxidación, se determinaron los grupos funcionales carboxilos (C=O) y sulfoxidos (S=O) mediante FTIR.

800

1000

1200

1400

1600

1800

Numero de Onda cm-1

Número de onda cm-1 Figura 10. Espectros de Asfalto 60/70 con adición de NTC a) Temperatura de homogenización de 153 ºC y b) Temperatura de homogenización de 173 ºC.

Los procesos de oxidación del asfalto han sido reportados como fenómenos de deterioro de las propiedades mecánicas del material por lo que su prevención en la modificación es de gran relevancia. En la Figura 10 a) y b) se presentan los espectros en la zona de 800 a 1800 cm-1.

Con base en los espectros, es posible afirmar que no se presentaron cambios o generación de nuevas señales en la zonas representativas de los grupos funcionales producto de la oxidación, por lo que se infiere que durante el proceso de modificación del asfalto 60/70 con los NTC, no se presentó este fenómeno aún con la temperatura más alta a la que realizó la mezcla, y que comúnmente se asocia con pérdida de fracciones volátiles.

Los espectros revelan diferentes señales características de los asfaltos debido a su naturaleza aromática y alifática. Por ejemplo, la señal en 1510 cm-1 representa los dobles enlaces C=C y sustituciones alquilo, así mismo, los picos entre 1415y 1458 cm-1 corresponden a balanceos de los enlaces en grupos CH2 y C=C con CH2 ramificados. Las señales en 910 y 850 corresponden a las tensiones =CH fuera del plano y tensiones -COrespectivamente.

Esto se confirmó con la integración de las señales en los rangos señalados la cual permanece constante luego de la inclusión de los NTC. Resonancia Magnética Nuclear La RMN fue empleada para confirmar los resultados obtenidos mediante FTIR y 11

establecer posibles asociaciones químicas entre el asfalto y los NTC luego de la modificación, para ello se seleccionaron algunas muestras y se analizaron sus espectros protónicos. En la Figura 11 se presentan los espectros para el asfalto original y los asfaltos con adiciones de 0,5 y 2 %, a una temperatura de modificación de 153°C.

compuestos químicos del asfalto y los NTC (79,80) Figura 11 b). Dada la importante complejidad de estas fracciones se hacen necesarios estudios de RMN mucho más detallados para comprobar esta última hipótesis. Fraccionamiento SARA Con el fin de cuantificar las fracciones SARA del asfalto y su posible oxidación, se presentan en las Tablas 1 y 2 los resultados del fraccionamiento realizado a los asfaltos mediante cromatografía líquida (junto con su desviación), para las diferentes temperaturas y porcentajes de adición de NTC:

A partir del espectro, se observa que las diferentes adiciones de NTC no generan transformaciones apreciables con respecto al asfalto sin modificar. Específicamente no se observa la aparición de señales que pudieran representar la formación de grupos producto de la oxidación como aquellas asignadas al hidrógeno del grupo carboxilo o aldehído, lo que ratifica que el proceso de modificación a 153°C durante no genera envejecimiento en el asfalto y corrobora los análisis con FTIR.

Con base en los resultados obtenidos, no se aprecia una clara tendencia de los valores de las fracciones, ante las distintas adiciones y condiciones de modificación. No obstante, es claro que las fracciones con menor peso molecular, Saturados y Aromáticos, presentaron un aumento con la adición de NTC con respecto al asfalto sin modificar, mientras que las resinas decrecieron.

No obstante, si se observan detalladamente las señales del espectro especialmente en la zona entre 2 y 2,5 ppm se observan corrimientos de las posiciones de los picos y aparición de señales que podrían sugerir la interacción existente entre los

Hβ-α Hα 2

4

2 Hali

Haro 9

0

4

6,3

a)

12

0

b) c) Figura 11. Espectros RMN para el asfalto 60/70, sin modificar (azul), 0,5% -153°C (rojo) y 2% -153°C (verde); b) rango Hli; c) H β-α

Por otra parte, la cantidad de asfaltenos para las diferentes adiciones permaneció similar a la original, lo que evidencia un proceso completamente contrario al ciclo de la oxidación, en donde se genera incremento en las fracciones más pesadas, como asfaltenos y resinas, y disminución en las volátiles, resinas, (81). Este resultado es coherente con encontrado mediante FTIR y RMN.

indicaron valores de saturados, (5–15 %), aromáticos (30–45 %), resinas (30–45 %) y asfaltenos entre 5 y 20 %. Las relaciones entre resinas/asfáltenos y aromático/saturados, son otros aspectos que se emplean para identificar procesos de oxidación (83) , así como el índice coloidal I.C., quien posee mayores magnitudes que el asfalto original, cuando ocurren procesos de oxidación, y está definido por la siguiente relación:

lo

A su vez, los rangos de las fracciones son similares a las reportadas (82) en donde se

Ecuación (2)

Tabla 1. Fraccionamiento SARA para diferentes adiciones, temperatura de modificación de 153°C.

FRACCIONES

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Saturados (% peso) Nafténicos (aromáticos) (% peso) Aromáticos Polares (Resinas) (% peso) Asfaltenos (% peso)

10,45±0,13

12,44±0,3

9,28±0,13

11,57±0,37

11,3±0,72

35,39±0,38

50,99±0,1

50,47±1,36

40,48±1,56

42±1,51

33,58±0,47

18,13±0,24

19,45±0,24

28,67±0,65

27,33±0,05

20,57±0,04

18,44±0,16

20,79±0,99

19,23±1,03

19,37±2,28

Tabla 2. Fraccionamiento SARA para diferentes adiciones, temperatura de modificación de 173°C.

FRACCIONES

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Saturados (% peso)

10,45±0,13

13,16±0,26

12,16±0,22

12,08±0,10

12,56±0,22

Nafténicos (aromáticos) (% peso)

35,39±0,38

41,52±0,54

39,76±1,94

38,86±0,50

42,48±1,92

Aromáticos Polares (Resinas) (% peso)

33,58±0,47

28,58±0,22

26,44±0,26

27,67±0,12

26,92±0,26

Asfaltenos (% peso)

20,57±0,04

16,73±0,82

21,64±0,37

21,39±0,47

18,04±0,36

13

Estos valores se reportan en las Tablas 3 y 4. Las relaciones entre las fracciones de Aromáticos/Saturados y Resinas/Asfaltenos no tienen una tendencia específica. Para temperaturas de modificación de 153°C la relación de elementos con menor peso molecular aumenta, mientras que para las Resinas /Asfaltenos disminuye, para todas las adiciones de NTC.

fracciones con alto peso molecular, para todas las adiciones de NTC, caso particular se aprecia a los 0,5% de adición de NTC. Los valores del IC, son similares al valor de 0,406 reportado para el asfalto colombiano 60/70 sin modificar, y sin oxidar, y cuyo valor se obtuvo a partir del método de cromatografía por columna (84), lo que sustenta que el proceso de adición de los NTC al asfalto no genera oxidación en este último o rigidez asociada al incremento de los asfaltenos, lo cual puede generar reducción de la resistencia a la fatiga del asfalto.

Por otro lado, para modificaciones a 173°C (Tabla 4), el comportamiento es completamente diferente al antes descrito, las relaciones de Aromáticos/Saturados son menores, mientras que disminuye para las

Tabla 3 Relaciones de las Fracciones e índice Coloidal para temperatura de modificación de 153°C.

PARÁMETRO

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Aromáticos/saturados Resinas/Asfaltenos I.C.

3,39 1,63 0,45

4,10 0,98 0,45

5,44 0,94 0,43

3,50 1,49 0,45

3,72 1,41 0,44

Tabla 4 Relaciones de las Fracciones e índice Coloidal para temperatura de modificación de 173°C.

PARÁMETRO

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Aromáticos/saturados Resinas/Asfaltenos

3,39 1,63

3,16 1,71

3,27 1,22

3,22 1,29

3,38 1,49

I.C.

0,45

0,43

0,51

0,50

0,44

Sin embargo, es notorio el incremento de este valor ante mayores cantidades de NTC (si bien se presenta el comportamiento a una temperatura de 60°C, Viscosidad absoluta, no hace parte del criterio PG, y se coloca con el fin de presentar la tendencia).

Caracterización Reológica Clasificación PG A continuación se presentan los resultados de las diferentes condiciones de modificación (temperatura y % NTC), para el asfalto sin envejecer. Primero se analizó la condición en la que no está envejecido el asfalto. Es importante resaltar que este es más susceptible a sufrir fenómenos de ahuellamiento a medida que se incrementa la temperatura, por lo que el parámetro de G*/sen δ tiende a reducirse, Figuras 14 a) y b). 14

Se aprecia que a 70°C se reducen las diferencias entre las magnitudes de G*/sen δ, de las diferentes modificaciones de NTC, independiente de la temperatura de modificación, Figuras 12 a) y b). De otra parte, las magnitudes son ligeramente superiores cuando se adicionan NTC al asfalto a 173°C, que a 153°C, y su mayor diferencia ocurre para dosificaciones de 1% y 1.5% de NTC, oscilando en incrementos de 415%. El rango de desviación de G*/sen δ varía de 1,5 a 6,92%, para todas las condiciones evaluadas.

adiciones de 0.5% y 1% de NTC. Sin embargo, la magnitud de G*/ Sen aumenta conforme se incrementa el porcentaje de NTC. Nuevamente las adiciones de 2% poseen las mayores magnitudes de las modificaciones. Por otro lado, las modificaciones realizadas a 173°C, presentan menores magnitudes que las de 153°C, siendo las primeras más susceptibles ante el ahuellamiento, de acuerdo con la clasificación PG. Se presentó una mayor desviación en la magnitud de G*/ Sen, del asfalto envejecido en el RTFOT, para la adición de 0.5% de NTC a 153°C, llegando a 15%, sin embargo, para las demás adiciones no superó el 8%.

De acuerdo con las Figuras 13 a) y b), residuo de RTFOT, se aprecia una ligera susceptibilidad al envejecimiento a corto plazo, en las diferentes modificaciones con 2%

3,5

1.5%

1%

0.5%

0%

1.5%

1%

0.5%

0%

3,0

G*/ Sen δ (KPa)

3,0

G*/ Sen δ (KPa)

2%

3,5

2,5 2,0 1,5 1,0

>1 KPa

2,5 2,0 1,5 1,0

>1 KPa

0,5

0,5

0,0 58

0,0 58

60

64

70

60

64

70

Temperatura ( C)

Temperatura ( C)

Figura 12. Clasificación PG del asfalto sin envejecer, modificaciones con NTC 153 °C y 173°C. 9

2%

1,5%

1,0%

0.5%

.

0%

7

7,0

6

6,0

G*/ Sen δ (KPa)

G*/ Sen δ (KPa)

8

5 4 3 >2.2 KPa

2 1 0 58

60

64

70

2%

1,5%

1%

0.5%

0%

5,0 4,0 3,0 >2.2 KPa

2,0 1,0 0,0

Temperatura ( C)

58

60

64

70

Temperatura ( C)

Figura 13. Clasificación PG para el residuo del RTFOT, modificaciones con NTC a 153 °Cy173°C

Para completar la clasificación PG es necesario evaluar el residuo del asfalto envejecido en el PAV, el cual arroja la minima temperatura a la cual el asfalto puede

trabajar sin sufrir fisuras asociadas con el fenomeno de fatiga, en las Figuras 16 a) y b) se presentan dichos resultados.

15

0%

9.500

0.5%

1%

1.5%

0%

2%

0.5%

1%

1.5%

2%

8.500

G* Sen δ (MPa)

G*Sen δ (MPa)

9.500

7.500 6.500 5.500 < 5000 KPa

8.500 7.500 6.500 5.500 < 5000 KPa

4.500

4.500 3.500

16

19

3.500

16

Temperatura ( C)

19

Temperatura ( C)

Figura 14. Clasificación PG, Residuo de PAV, adición de NTC a 153 °C; b) 173°C.

Con base en las Figuras 14 a) y b) se aprecia que la adición de NTC genera menor susceptibilidad a la fatiga y que disminuye entre mayor cantidad de NTC se adicione.

(84), donde el PG es de 64-19, lo que demuestra la variabilidad del asfalto colombiano, y sustenta la necesidad de realizar en Colombia otro tipo de clasificación, ya que asfaltos con iguales puntos de penetración pueden tener diferentes PG.

La modificación de asfaltos con NTC aumenta no solo la resistencia a deformaciones plásticas, para altas temperaturas, sino a la fatiga, para bajas temperaturas, y se corrobora con que el PG para asfaltos modificados es de 64-19, mientras que para el asfalto sin modificar es de 58-22.

Angulo de fase Aunque el ángulo de fase está definido como la relación de esfuerzo (carga del trafico), y deformación, depende de la frecuencia y de la temperatura a la cual se evalúe. A continuación se presentan los resultados para las diferentes adiciones y tipos de envejecimiento:

La clasificación PG del asfalto colombiano 60/70, en la presente investigación, es completamente diferente a la reportada por

0%

88

0.5%

1%

1.5%

2%

0.5%

1%

1.5%

87

δ (Grados)

δ (Grados)

87

0%

88

86

86

85

85

84

84 58

64

58

70

64

70

Temperatura ( C) Temperatura ( C) a) b) Figura 15. Angulo de fase para el asfalto sin envejecer a) Adición de NTC 153 °C; b) 173°C.

16

2%

88

0%

0.5%

1%

1,5%

88

2%

0.5%

1,0%

1,5%

2%

86

δ (Grados)

86

δ (Grados)

0%

84

84 82

82

80

80

78

58

64

70

Temperatura ( C) a)

58

64

70

Temperatura ( C)

b)

Figura 16. Angulo de fase para el residuo del asfalto envejecido en el RTFOT a) adición de NTC a 153 °C; b) 173°C

Con respecto a las anteriores Figuras se aprecia que cuando se adicionan NTC, se pierde cierta viscosidad en el material, aumentando su elasticidad, lo cual se representa en el decrecimiento de la magnitud del ángulo de fase.

Como aspecto a resaltar, se aprecia que a altas temperaturas, 70°C, la magnitud del ángulo de fase de las diferentes dosificaciones tiende a converger a un valor, por lo que se presentan menores diferencias que a temperaturas de 58°C y 64°C.

Adicionalmente, cuando se envejece el asfalto se rigidiza, por lo que son notorias la diferencias de magnitud entre las dosificaciones sin envejecer y las que se llevaron a RTFOT, siendo menores en la última condición, comportamiento similar se reporta en (85) y (86).

A bajas temperaturas, las modificaciones poseen comportamientos diferentes, cuando se adicionan los NTC a 153°C el asfalto es más viscoso, y su magnitud se incrementa a medida que se aumenta la cantidad de NTC. Sin embargo, para el caso de las adiciones a 173°C, a mayores adiciones el asfalto tiende a rigidizarse, exhibiéndose el comportamiento para altas temperaturas, descrito anteriormente, Figura 17.

0%

45

0.5%

1%

1.5%

2%

0%

0.5%

1%

1.5%

2%

45

44

δ (Grados)

δ (Grados)

44

43 42 41

43 42 41

40

40

39 15

16

17

18

19

20

Temperatura ( C)

39 15,5

16

16,5

17

17,5

18

Temperatura ( C)

a) b) Figura 17. Angulo de fase para el residuo PAV, adición de NTC a) 153 °C; b) 173°C

17

18,5

19

19,5

Modulo elástico y viscoso En las Figuras 21 y 22, se presentan los módulos elásticos y viscosos, de las 2%

1.5%

1%

0.5%

0%

2%

3,5

3,0 2,5

2,0 1,5 1,0 0,5

1%

0.5%

0%

2,5 2,0

1,5 1,0 0,5 0,0

0,0 56

58

60

62

64

66

68

70

56

72

58

60

Temperatura ( C)

2%

1.5%

1%

0.5%

0%

0,20

0,15 0,10 0,05 0,00 58

60

62

64

66

68

70

2%

0,30

0,25

56

64

66

68

70

72

c) Modulo Elastico (KPa)

0,30

62

Temperatura ( C)

a) Modulo Elastico (KPa)

1.5%

3,0

Modulo Viscoso (KPa)

Modulo Viscoso (KPa)

3,5

diferentes modificaciones del asfalto 60/70 con NTC, envejecido en el RTFOT y sin envejecer.

1.5%

1%

0.5%

0%

0,25 0,20 0,15 0,10

0,05 0,00 56

72

58

60

62

64

66

68

70

72

Temperatura ( C)

Temperatura ( C)

b)

d)

Figura 18. Asfalto sin envejecer con adición de NTC a) Modulo viscoso con temperatura de dosificación de 153 °C; b) Modulo elástico a 153°C; c) Modulo viscoso a 173 °C; d) Modulo elástico a 173°C 2%

1.5%

1%

0.5%

0%

2%

3,5

3,0

Modulo Viscoso (KPa)

Modulo Viscoso (KPa)

3,5

2,5

2,0 1,5 1,0 0,5

1.5%

1%

0.5%

0%

3,0 2,5 2,0

1,5 1,0 0,5 0,0

0,0 56

58

60

62

64

66

68

70

72

Temperatura ( C) a)

56

58

60

62

64

66

Temperatura ( C) c)

18

68

70

72

2%

1.5%

1%

0.5%

0%

1,6 1,4

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

2%

1,0

Modulo Elastico (KPa)

Modulo Elastico (KPa)

1,8

1.5%

1%

0.5%

0%

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

0,0 56

58

60

62

64

66

68

70

56

72

58

60

62

64

66

68

70

72

Temperatura ( C) Temperatura ( C) b) d) Figura 19. Residuo RTFOT con adición de NTC a) Modulo viscoso 153 °C; b) Modulo elástico 153°C; c) Modulo viscoso 173 °C; d) Modulo elástico 173°C.

La magnitud de los módulos elástico y viscoso se incrementa con el aumento de NTC, para todas las modificaciones, y cuando se envejece el asfalto en el RTFOT ya que al rigidizarse el asfalto por la oxidación, fenómeno de envejecimiento, se incrementa el módulo de corte, quien es directamente proporcional al módulo elástico y viscoso, 2%

1.5%

1%

0.5%

Para bajas temperaturas los NTC contribuyen a que el material presente menores módulos, haciendo que se incremente su resistencia a la fatiga, las diferencias entre las dosificaciones a 153°C y 173°C, son pocas, Figura 22. 0%

6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 15

16

17

18

19

2%

7000

Modulo Viscoso (KPa)

Modulo Viscoso (KPa)

7000

similar comportamiento se reporta por (85) y (86).

20

0%

5500 5000 4500 4000 3500 15

16

17

18

19

20

Temperatura ( C)

c) 1.5%

1%

0.5%

0%

2%

8000

7500

Modulo Elastico (KPa)

Modulo Elastico (KPa)

0.5%

6000

a) 8000

1%

6500

Temperatura ( C)

2%

1.5%

7000

6500 6000 5500 5000 4500 4000

1.5%

1%

0.5%

0%

7500 7000 6500 6000

5500 5000 4500 4000 3500

3500

15

16

17

18

19

20

Temperatura ( C)

b)

15

16

17

18

19

Temperatura ( C)

d)

Figura 20 Residuo del PAV con adición de NTC a) Modulo viscoso 153 °C; b) Modulo elástico 153°C; c) Modulo viscoso 173 °C; d) Modulo elástico 173°C.

19

20

Para la elección de la modificación con mejor desempeño para ahuellamiento y fatiga se realizaron los siguientes ensayos.

Linear Amplitude Sweep (LAS) Para el cálculo de la vida a la fatiga del asfalto es necesario obtener los diversos parámetros que se abrevian la ecuación 7:

MSCR En las Tablas 5 y 6 se cuantifica la capacidad que tiene el material para recobrar su estado, después de un alivio de la misma, para esfuerzos de 0.1 KPa y 3.2 Kpa. Así como su capacidad ante un cambio los esfuerzos, R (%).

Ecuación (3)

Con base en los anteriores resultados se calculó la vida a la fatiga para las diferentes modificaciones, los valores de A, y el exponente B tienen las siguientes magnitudes:

A mayores adiciones de NTC se presentan menores deformaciones, el comportamiento viscoso del material disminuye, rigidizándose por la interacción entre los NTC y el asfalto, lo cual contribuye al aumento de la resistencia al ahuellamiento.

De acuerdo con los valores presentes en las Tablas 5 a) y b), se concluye que la adición de NTC a 173°C presenta valores más altos de vida a la fatiga a pequeñas deformaciones, ya que en este rango la constante A es el valor de mayor impacto. Sin embargo, cuando se incrementan la deformación, el valor del exponente B es quien controla el comportamiento.

Aunque el comportamiento a mayores adiciones de NTC se mantiene, las dosificaciones realizadas a 153°C presentan menor susceptibilidad al ahuellamiento, que las de 173°C, por lo que su porcentaje de recuperación es más alto, la adición de 2% de NTC a 153°C generó mejor resistencia a deformaciones permanentes.

Se eligió la modificación de 2% NTC a 153°C, ya que tiene la mayor magnitud de A de todas las modificaciones, Tabla 5, y la magnitud B es incluso mayor que la de 1% a 153°C y 1.5% a 173°C, lo genera una mayor resistencia a la fatiga sobre todo en grandes deformaciones. Variable

0%

0,5%

1%

1,5%

2,0%

A

4,024E+07

5,712E+07

7,971E+08

1,102E+09

1,210E+10

B

-5,916E+00

-5,988E+00

-6,137E+00

-5,916E+00

-5,989E+00

a)

Figura 21 MSCR, temperatura de dosificación de 153 °C. 2%

1%

1.5%

0.5%

Variable

0%

0,5%

1%

1,5%

2,0%

A

4,024E+07

7,299E+09

2,450E+09

6,579E+09

1,096E+10

B

-5,916E+00

-5,950E+00

-5,826E+00

-6,110E+00

-6,073E+00

0%

22.001 20.001 18.001

Deformacion(%)

16.001 14.001

b)

12.001

10.001 8.001 6.001

Tabla 5 Constantes para el cálculo de la vida a la fatiga, de las modificaciones a) 153°C y b) 173°C.

4.001 2.001 1 0

100 Tiempo (s)

200

Figura 22 MSCR, temperatura de dosificación de 173 °C.

20

después de los 145°C se reducen, ya que la viscosidad tiende a un mismo valor.

Viscosidad Brookfield Según diseño SUPERPAVE la temperatura de mezcla se obtiene para rangos de viscosidad entre 0.15 Pa·s–0.19 Pa·s, mientras que para valores entre 0.25 Pa·s 0.31Pa·s, se define la temperatura de compactación.

Para el asfalto convencional las temperaturas se encuentran entre 155°C-150°C y 144°C 140°C, respectivamente. Mientras que la temperatura de mezcla para el asfalto modificado, es de 164°C-152°C y la de compactación de 147°C-158°C.

En la Figura 23 se aprecia que el asfalto modificado posee magnitudes de viscosidad mayores que el convencional, sin embargo 2

1,8

Viscosidad (Pa*s)

1,6 y = 1E+14x-6,81 R² = 0,9954

1,4 1,2

Asfalto con NTC

1 Asfalto 60/70

0,8 0,6

y = 7E+13x-6,691 R² = 0,9989

0,4 0,2 0 100

120

140

160

Temperatura ( C)

Figura 23 Curva Reológica del asfalto 60/70 con y sin modificar con NTC.

Si bien la temperatura de mezcla del asfalto modificado tiene una alta magnitud no derivaría en procesos de envejecimiento, asociado a perdida de fracciones volátiles, además el rango de la temperatura de mezcla

abarca incluso la temperatura del asfalto convencional, por lo que no se derivarían incrementos en los costos asociados a incrementos de temperatura.

Caracterización Física.

El asfalto modificado con NTC presenta una magnitud de penetración mayor que el asfalto sin modificar, por lo que la interacción entre los NTC contribuye a una disminución de la consistencia del asfalto.

Los resultados obtenidos para el asfalto 60/70 modificado con NTC y convencional cumplieron con todos los parámetros contemplados en la normativa colombiana.

21

Tabla 6 Rangos y resultados para los ensayos físicos al asfalto 60/70 y modificado, a 153°C con 2% NTC.

ENSAYO

NORMATIVA

Especificación para el asfalto 60/70

Asfalto 60/70

Asfalto modificado

70 mm

67 mm

70 mm

Penetración

I.N.V.E-706

Ductilidad

I.N.V.E-702 I.N.V.E-742I

Mínimo 60 mm 40 mm I 100 cm 30 cm I

Punto de ablandamiento

I.N.V.E 712

-

-

50,9

56,15

Índice de penetración

I.N.V.E-724

-1

+1

-0,26

1,1

Punto y llama de inflamación

I.N.V.E-709

230°C

-

282.2°C/304.4°C

326,66°C/348.88°C

Gravedad Especifica

I.N.V.E-707

-

-

1,018

1,026

I.N.V.E-720

-

1%

0,72%

0,92%

I.N.V.E-712

52

-

53

55

I.N.V.E-706

-

5

3,1

2,35

Pérdida de masa por calentamiento en película delgada en movimiento Penetración del residuo luego de la pérdida por calentamiento en % de la penetración original. Incremento en el punto de ablandamiento luego de la perdida por calentamiento en película delgada en movimiento

Máximo

-

>135cm

72 cm

I: Asfalto modificado.

Según normativa colombiana el menor valor de ductilidad para asfaltos modificados con polímeros, se encuentra de 15 cm o 30 cm, con el fin de garantizar cierta adherencia entre el asfalto y el agregado pétreo y el llenante mineral, si bien la magnitud para el asfalto modificado es menor, no es lo suficientemente baja para generar problemas de adherencia.

El cambio del índice de penetración sugiere una formación de esqueleto interno en el asfalto, el cual soporte los cambios que el asfalto pueda sufrir con el cambio de temperatura. El asfalto modificado posee un incremento en su peso específico de 0,82% con respecto al original, si bien se generaría un ahorro del asfalto cuando se emplee en la mezcla, dado su bajo cambio, tendría a ser despreciable.

Los resultados del punto de ablandamiento corroboran la disminución de la susceptibilidad a la temperatura que tiene el asfalto modificado con NTC, con respecto al asfalto sin modificar, presentando una diferencia a fluir de 6°C.

La temperatura a la cual se genera la llama en el asfalto modificado es superior un 15,8%, con respecto del asfalto original, así mismo, la temperatura de propagación, punto de ignición, presenta un aumento del 14,6%.

El índice de penetración para el asfalto modificado representa el comportamiento de un material con poca susceptibilidad a la temperatura, que presenta cierta elasticidad y tixotropía, propiedad de algunos fluidos, que disminuyen su viscosidad cuando se les aplica esfuerzos de corte, y cuyo comportamiento se asemeja a de los asfaltos envejecidos (INVIAS, 2007).

Con base en lo anterior, la adición de NTC aumenta la resistencia a la combustión, lo que contribuye en un incremento en la seguridad, en las zonas de almacenamiento de las plantas asfálticas tanto para las instalaciones como para el personal.

22

En el asfalto modificado con NTC es mayor la pérdida de partículas volátiles, cuando se envejece en el RTFOT, ya que como se aprecia en los análisis de fraccionamiento SARAs, con la adición de NTC se generan mayor cantidad de partículas de bajo peso molecular, las cuales son más propensas a volatilizarse.

de fuerza atómica (AFM), en donde se obtuvo la distribución espacial de los NTC en el asfalto, para diferentes adiciones. Con base en la Figura 24, se destaca que las acumulaciones, formas de abejas y /o cambios de topografía en el asfalto, se encuentran lo suficientemente espaciadas, por lo que los parámetros de dosificación, temperatura velocidad y tiempo de la homogenización, generaron resultados satisfactorios.

Análisis de Fuerza atómica Con el fin de complementar los análisis físicos, se realizó el análisis de microscopia

a)

b)

d)

c)

Figura 24. Acercamiento en AFM imagen en 3D a) asfalto modificado con 0.5% NTC a 153°C; b) 1% NTC a 153°C; a) 1,5% NTC a 173°C; b) 2% NTC a 753°C

NTC/g catalizador de 6,17, incluyendo las pequeñas partículas de catalizador y de carbón amorfo que quedan después del proceso de síntesis.

Conclusiones En la obtención de los NTC mediante la descomposición de metano empleando catalizadores obtenidos por autocombustión, se presenta la mayor actividad usando el material de Ni-Cu-Al y metano sin diluyente bajo régimen isotérmico a 700 ºC durante 3 h. Para estas condiciones, se generó una producción de g

Las micrografías tomadas mediante SEM y TEM revelaron partículas de Ni0 embebidas en los NTC, incluso después de la purificación con HNO3, adicional a esto, se aprecia que el crecimiento de los NTC es desde la base del sitio activo.

23

La caracterización química de los asfaltos con y sin modificar (0,5; 1,5 y 2 % en peso con NTC) mediante FTIR, RMN y fraccionamiento SARA indicó que durante el proceso de homogenización y para los diferentes parámetros de temperatura y cantidad de NTC, no se generan procesos de envejecimiento por oxidación del asfalto.

Recomendaciones Realizar estudios de variaciones en el flujo del gas reactivo durante la descomposición de metano, con el fin de obtener mayores relaciones de g NTC/g catalizador, y que están no tengan grandes diferencias entre ensayos. Realizar la caracterización elemental del material presente después de la síntesis de los NTC, con el fin de evaluar la cantidad y el tipo de compuesto obtenido bajo este proceso, así como, la de los diferentes catalizadores para controlar las variables dentro del proceso de síntesis de NTC. Adicionalmente, se debe complementar el lavado con diferentes reactivos, con el fin de retirar totalmente el residuo de las partículas de catalizador que queden presentes después del proceso de síntesis.

La clasificación PG para las diversas adiciones de NTC es PG 64-19, mientras que para el asfalto original es de PG 58-22. El ángulo de fase cuando se evalúa a altas temperaturas decrece con la adición de NTC, para todas las adiciones, así como cuando el asfalto se envejece en el RTFOT, debido a que su componente viscoso disminuye, generando menor susceptibilidad a deformaciones permanentes. A bajas temperaturas se presentan comportamientos diferentes, las adiciones de 0.5% y 1%, a 153°C, generan una disminución del ángulo de fase, sin embargo a 173°C, aumentan la magnitud del mismo, haciendo estas condiciones más desfavorables que las originales.

Dado que el proceso de descomposición de metano contempla la producción de Hidrogeno es importante cuantificarlo para determinar la real potencialidad económica del proceso. Realizar análisis de High Resolution TEM, con el fin de cuantificar el número de paredes que poseen los NTC sintetizados y observar detalladamente su estructura.

Con la adición de los NTC y el envejecimiento en el RTFOT, los módulos elástico y viscoso evaluados a altas temperaturas se incrementan, ya que se aumenta la rigidez, lo que origina un incremento en el módulo de corte.

Agradecimientos Al personal de laboratorio de pavimentos de la Pontificia Universidad Javeriana, a la Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia, al personal de Laboratorio de ligantes asfálticos de LANAME, Costa Rica y al Instituto de Ciencia de Materiales, Universidad de Sevilla, España, por la colaboración en la realización de los diferentes ensayos necesarios para dar cumplimiento con la presente investigación.

La caracterización física del asfalto sin modificar y modificado con NTC (2 % peso), mediante los ensayos de penetración, ductilidad, peso específico, viscosidad, punto de ablandamiento y punto de inflamación, se encuentran dentro del rango admisible según normativa colombiana, por lo que no se requerirá agentes externos, que mejores dichas características.

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WARM MIX ASPHALTS WITH CECABASE RT ADDITIVE: PROPERTIES AND ADVANTAGES J. González-León, V. Luca Centre de Recherche Rhône-Alpes ARKEMA, Rue Henri Moissan, B.P. 63 Pierre-Bénite, France 69493 [email protected]

ABSTRACT Recently, new technologies have been developed to reduce the environmental impact of the road construction industry. Among them, the technologies that allow a substantial reduction on the energy consumed during the production of hot asphalt mixtures have taken a very important role. There are several technologies, based on very different physicochemical phenomena that allow producing what is now known as warm mix asphalts. The work presented here describes the use of one particular type of warm mix asphalt technology based on chemical additives. This technology has been already proven to work under very different laboratory and field job conditions. It is based on the use of surfactant-type additives that enhances the workability of an asphalt mix allowing it to be paved and compacted at lower temperatures. Only a low concentration, from 0.2 to 0.5wt% with respect of bitumen, is required to have the desired effect. The several advantages observed by the use of this warm mix asphalt technology are presented in this work, including field job examples, measured energy consumption reductions and environmental measurements. It is also a matter of this work the discussion of the enhanced functionality that this particular kind of additives may provide. Examples of such are their role as adhesion promoters in the asphalt mixture and as aids on the incorporation of higher amounts of reclaimed asphalt pavement.

1. INTRODUCTION – WARM MIX APSHALTS The term warm mix asphalts (WMA) has been given to those asphalt mixtures that are produced and paved at lower temperatures to those normally used in standard hot mix asphalts (HMA). During the last years, there has been an important development on the different technologies that allow such reduction of temperature and on the characterization of the resulting pavements. Currently, there are more than 20 different technologies that allow the production of WMA [1]. These techniques actually depend on very different physical and chemical processes to allow the production of WMA. The main challenge is to enhance the workability of the asphalt mixture as the temperature is reduced. As the temperature is reduced, the bitumen increases its viscosity making the covering of the aggregates and the compaction of the mix more difficult [2]. The several WMA technologies on the market can nevertheless been grouped on four categories, based on the physical principle used for enhancing the workability of the mixture at reduced temperatures: Sequencing of hard and soft bitumens – One of the first technologies developed for WMA production was the one developed by Kolo Veidekke [3]. In this technique, sequential mixing of a portion of the aggregates with a hard bitumen is done before the rest is mixed with a foamed softer bitumen. This approach requires a substantial modification of the production plant (as it is actually a different process) and handling of different binders. Water foam processes – This is a large group that includes probably the majority of WMA technologies on the market. In all of them, bitumen foam is produced by evaporation of water during the mixing process. The water vapour produced when in contact with the hot bitumen increases the surface area of the binder as well as provides additional energy to the system to better cover the aggregates. It is claimed by some technology providers that the amount of residual water (in liquid or vapour form) is key to maintain the workability of the mix afterwards. The main difference between the technologies in this group is the way the water and the binder contact takes place. One option is to add mineral additives that contain water to be released only at higher temperatures (as those used for asphalt mix production), an example of such additives are the zeolithes [3,4]. A different option is to produce the foam at the same time the bitumen is injected into the mixer. Such technologies are based on the actual machine (nozzle system) that can effectively generate the foam at such point of the mix production [5]. Another option is to only partially dry a portion of the mineral formula before adding the binder [6]. Such approach has the potential to reduce even further the temperature of production (as it may be below 100°C). However, the control of the amount of water present of the aggregate fraction, being key to the process, may be challenging. On last example of the foaming approach is to actually use a bitumen emulsion, instead of a dry binder. In this case the water is already in close contact to the bitumen when in contact with the heated aggregate [7]. Waxes – In this case, an additive is added into the bitumen to reduce its viscosity at mixing temperatures only. This has been achieved through the use of waxes [3,4]. The waxes are chosen such that they melt above about 100-110°C. On the melt state, they can decrease the viscosity of the bitumen, improving the bitumen covering of the aggregates and the workability of the mixture. At lower temperatures, they crystallize, reinforcing the bitumen at application conditions. They are usually used at concentrations of about 2 to 3% by weight of the binder. Care should be taken, not to work at temperatures lower than the crystallization temperature of the wax. These additives do modify the properties of the

bitumen, in particularly the low temperature properties [8], and could actually change its grade. Chemical additives – On this group we found additives that act on a very different way than the before-mentioned wax additives. Contrary to waxes that modify the bulk of binder, the chemical additives act only at the interface between the mineral aggregate and the bitumen [9]. This is the reason why these additives actually are used on very small doses (from 0.3% to 0.6% by weight with respect of binder). The reported benefits of WMA had been also subject to several previous publications [1,3,9]. There are several benefits as a consequence of reducing the temperature of an asphalt mix production. These advantages are mainly the reduction on energy used in the production and the reduction of the emissions related to this reduction in temperature. Other advantages such as the comfort to the workers can also be cited. However, some advantages are unique to each technology since they are the results of the particular mechanisms to achieve the reduction in temperature In this work, a further discussion about the chemical additives is done. The properties of the asphalt binder comprising the additives as well as on the asphalt mixture are presented. The observed advantages by the use of the chemical additives, both those related to the reduction in temperature as well as those unique to the chemical additives are presented. The laboratory work and field jobs described and discussed in this work were carried out using a commercial additive patented by CECA, named CECABASE RT. These are liquid additives, which used at 0.3% to 0.5% by weight of the bitumen, are claimed to allow a reduction in asphalt mix production temperature of about 40°C [10]. More than 2.5 million tons of asphalt mix have already been produced around the world with these additives. 2. HOW CHEMICAL ADDITIVES WORK The chemicals used for the production of WMA are actually surfactant-like molecules. As any surfactant molecule, they are capable of changing the interfacial interactions between two different phases. In this case the chemical additives interact at the mineral and bitumen interphase, changing the way the mineral interact between each other. A smaller amount of additive is required to cover the surface of the mineral aggregates than to actually change the properties of the whole volume of bitumen. This is the reason why such a small amount of chemical additive, between 0.3% and 0.6%, is required to produce WMA. At this small concentration of additive, even if it is a liquid with a lower viscosity than hot bitumen, the properties of the bitumen remain mainly unchanged. The viscosity and mechanical properties of the bitumen containing a chemical additive for WMA are not modified by its presence. The viscosity as a function of temperature of a bitumen with and without a chemical additive for WMA was measured. A dynamical shear rheometer with temperature controlling capabilities was used to measure the viscosity at a shear rate of 100/s under a parallel-plate geometry. Figure 1a shows the viscosity curve of bitumen with a penetration grade of 35/50 1/10mm containing 0.3% of Cecabase RT additive. On the same curve, the viscosity of the original bitumen without the additive is also shown. It can be seen that the two curves are almost identical at the measured temperatures. Another measurement was carried out at lower temperatures to evaluate the effect of additives at normal use temperatures. The parameter G*/sin δ was measured using the same rheometer at a frequency of 2 Hz and 1% strain as a function of temperature between 20 and 100°C.

Figure 1b shows the curves of the 35/50 1/10mm bitumen with and without the chemical additive. It can be seen that the two curves superpose each other, demonstrating that there is practically no change on the bitumen rheological properties under the conditions of the test. If the high temperature performance grade criteria (PG–grade) is used as a guide line, the temperature at which the reference bitumen reach 1 kPa is 53.6°C. For the same bitumen with the additive, this temperature is 53.1°C. This difference is within the 2% error interval of the measurement, and could hardly change the attributed grade of the bitumen. 2

1.E+07

35-50 bitumen

1.E+06

35-50 bitumen + 0.3% Cecabase RT

35-50 bitumen

G*/sin delta (Pa)

Viscosity (Pa s)

35-50 bitumen + 0.3% Cecabase RT

1

a) 0 110

1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01

b)

1.E+00 120

130

140

Temperature (°C)

150

160

20

40

60

80

100

Temperature (°C)

Figure 1 - Rheological measurements of a 35/50 1/10mm bitumen with and without a chemical additive for WMA.

These results confirm those published before where no significant changes in penetration values and ring and ball temperatures were observed when similar additives were used [11,12] Bitumen is naturally a good adhesive on the aggregates, which is also the reason why it is used for pavement construction. This adhesion limits the movement and flow between the bitumen and the minerals during the production and laying operations, while playing an important role at application temperatures by increasing the overall material cohesion. Bitumen in an asphalt mix is spread and confined by the mineral aggregates during mixing. This can be observed on Figure 2a that shows a scanning electron microscope image of a cross section of an asphalt mix at edge of a large aggregate [9]. It is not difficult to imagine that the friction generated by all the interfaces between bitumen and aggregates is very high, which sets and controls the limits of the mixing, handling and compacting ability of the asphalt mixture. This is one of the reasons why it is necessary to work at relatively high temperatures for asphalt mix production in order to overcome this friction limitation. The chemical additives for WMA production compete with the bitumen at the aggregate interface and are adsorbed in its place at asphalt mix production temperatures (between 200°C and 100°C). These chemical additives reduce the surface tension of the bitumen/aggregate interface during the mixing operation. Thus making easier for the bitumen to wet and finally cover the mineral aggregate even at lower mixing temperatures, where the bitumen has a higher viscosity (schema in Figure 2b). More importantly, the additive helps to avoid a too strong bitumen adhesion on the mineral particles by acting as a lubricant during the mixing – handling – laying – compacting steps.

This effect is responsible for the improvement of the asphalt mix workability. At standard high temperatures, the use of the additive eases the whole industrial process (mixing – handling – laying – compacting steps). At reduced temperatures, about 40°C lower, the use of the additive enables to keep a good workability, comparable to that of a regular hot asphalt mix.

a)

b)

25 μm

m Figure 2 - a) Scanning electron microscope image of an asphalt mix cross section [9]. b) Scheme of the differences in surface tensions at the bitumen / aggregate interface, with and without chemical additives

Since, as mentioned above, the additive effect can only be evaluated when in contact of the mineral on an asphalt mix, the question raises of how to determine (or confirm) the effect of a chemical additive on the workability of the mix. The straight forward method is to carry out standard compaction experiments on the lab, at WMA temperature conditions, and see if they are comparable to those usually obtained at standard temperature conditions. This kind of testing is reassuring to a certain point, it can prove that WMA will perform on a similar way as a regular HMA, but it has been shown to have several limitations. One such limitation is its lack of sensibility to search for the optimal temperature, or conditions of WMA production. A research group published a study where they showed that by following the compaction of a mix by a Marshall press it was found that only a reduction of 10°C would be possible by using a chemical additive [11]. It is know from actual field experience than reductions in the order of 40°C are quite possible [9,12]. Another publication actually showed that the type of compaction could actually have an effect of the evaluation of WMA. It was found that the Marshall press was less adapted than the gyratory press for WMA studies [13]. Results from the compaction with the gyratory compactor of an asphalt formula for thin rolling courses (BBTM) are shown on Table 1. The formula contained 26% of a 0/2 fraction, 71% of a 6/10 fraction, 3% filler and 5.6% of polymer modified bitumen. The void percentage is calculated by the geometry of the sample after 40 gyrations under a pressure of 6 bar. The specimens were then tested under compress ion following NF P98-251-1.

Table 1 - Compaction of a BBTM formulation with and without the additive. Bitumen Aggregate T Compaction Void % T (°C) (°C) T (°C) Reference HMA 160 160 160 9.3 Reference WMA (no additive) 160 120 120 9.8 WMA with 0.4% 160 120 120 9.5 Cecabase RT945

ITS (kN) conditoned 7.0 3.4 10.1

ITS (kN)

ITSR

12.0 10.8

0.58 0.31

12.1

0.84

As can be seen in this case, the void content of the WMA with additives is closer to that of the HMA than that of the WMA without additives. The difference, however, is small and hardly significant. This suggests that simple compaction experiments, as mentioned before, might not be sufficient to characterize or search WMA conditions of a given formula. Nevertheless, more significant differences were observed on the indirect tensile strengths (ITS). The ITS for the non conditioned sample (stored dry for 2 days) actually showed a decrease in values for the WMA, probably due to the lack of cohesion of the sample. The WMA with the additive has a similar value to that obtained with the HMA. The correct characterization of the WMA on the laboratory is an issue for all the WMA technologies since no standard test exists to evaluate the workability of a mix on the laboratory to this date. There are, however, several published techniques that attempt to evaluate the workability of an asphalt mix [14,15]. Some are based on actual torque measurements of the asphalt mixtures; other claimed that particular tribology measurements on the bitumen could actually be correlated to the workability of the final mix. Although the different tests have found a certain degree of success (differences observed between HMA and WMA), no method has been found to be fully representative to what is observed on the field. On a previous paper, there were showed asphalt mix workability experiments carried out by the laboratory Baustofflabor Hamburg in Germany [12]. Their approach is also based on a direct torque measurement of asphalts mix. The resistance of a moving object inside the mix is measured as described in an official German publication [16]. The measured torque values actually increased as the mix was measured at a lower temperature (40°C lower). The measured values were 292 Ncm for the mix at 160°C and 318 Ncm for the mix at 120°C. When the measurement was carried out at the same conditions at 120°C with 0.5wt% of chemical additive in the bitumen, a value of 290Ncm was measured. This demonstrated that there was a significant effect of the additive, which brings back the torque value of a mix at 120°C to values comparable as those found at 160°C. These results further demonstrated the effect of chemical additives on the workability of asphalt mixtures, however, it would be somewhat difficult to widely implement this kind of measurements to the road community at large. Another issue with the characterization of WMA on the lab is the obtained values of tensile strength. On some cases, the tensile strengths obtained from WMA are lower to those obtained with regular HMA, even at equivalent compaction levels. A possible explanation for this difference are the different levels of binder oxidation between a HMA and a WMA, which may result in a slightly softer mix in the WMA. Bitumen goes through a significant oxidation process during the mixing process. Since the oxidation process is a chemical reaction, with strong temperature dependent kinetics, bitumen at lower temperature should therefore be less oxidized. A previous publication has show differences between recuperated bitumens from HMA and WMA, where the WMA bitumen was softer [13]. It was also showed that originally the two bitumens, with and without chemical additive, did

not have this difference. This difference may be more pronounced in mixes containing soft bitumen, since the effect of hardening by the oxidation will be more accentuated. To compensate this issue, some laboratories had actually suggested annealing the WMA from 2 to 4 hours, at the WMA temperature, before compaction (always within the limits of the norms) to better represent what is observed on the field [17].

3. EVALUATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF A WMA WITH CHEMICAL ADDITIVES An HMA mixture was designed to meet the Caltrans and NDOT specifications for the Hveem mix design methods [18]. Even though NDOT mandates the use of hydrated lime in all its mixtures, it was not used in this study so that only the impact of the Cecabase™ RT on the mixture properties can be evaluated. As can be observed in the table below, the obtained properties with the WMA additive are well within the specifications. Table 2 – Properties or a HMA and WMA Property Mixing Temperature, °C Compaction Temperature, °C Optimum Binder (OBC), % DWA2 Design Air Voids, % TWM3 Max Theoretical Specific Gravity VMA, Caltrans Procedure, % VMA, NDOT Procedure, % VFA, Caltrans Procedure, % VFA, NDOT Procedure, % Hveem Stability Uncond. Tensile Strength, kPa Tensile Strength Ratio, %

HMA

WMA1

160 110 5.80 4.0 2.425 13.5 15.9 70.6 75.4 42 483 87

132 110 5.80 4.7 2.445 13.7 16.1 65.5 70.7 40 515 82

Specifications Caltrans NDOT ------4.0 4.0 – 7.0 --13 Min. --12 – 22 65 – 75 --70 – 80 37 Min. 37 Min. -448 Min. -70 Min.

1

0.4% Cecabase by weight of binder DWA denotes “Dry Weight of Aggregate” 3 TWM denotes “Total Weight of Mix” 2

The HMA control and WMA mixtures were evaluated for rutting resistance, fatigue resistance, and moisture damage resistance. Compaction temperatures of 135C and 118C were used to prepare the HMA and WMA samples for mechanical testing, respectively. The rutting resistance of the mixtures was evaluated in accordance with the AASHTO T320 procedure for the repeated simple shear test at constant height (RSST-CH). The test was run at three different shear stress levels and two temperatures and the permanent and recoverable shear strains were measured.

Figure 3 – Average permanent shear strain at 10,000 cycles of a HMA and a WMA at the noted conditions. Additionally, the stiffness of the HMA and WMA mixtures were determined according to the AASHTO T320 procedure for the shear frequency sweep test at constant height (SFSTCH). The mixtures were evaluated at two temperatures at various frequencies and the complex shear modulus (G*) and phase angle () were determined at each frequency.

Figure 4 – Shear Modulus at 45°C of a HMA and a WMA at the noted frequencies.

The AASHTO T321 test: “Determining the Fatigue Life of Compacted Hot-Mix Asphalt (HMA) Subjected to Repeated Flexural Bending,” in strain controlled mode of testing was used to evaluate fatigue performance. Testing was performed in both dry and wet conditioned specimens at 200 and 400 microstrain at 20°C. Additionally, fatigue frequency sweep test in strain-controlled mode of testing was used to establish the relationship between the flexural complex modulus and load frequency at 10°C, 20°C, 30°C. Flexural stiffness ratios between the dry and wet specimens were also calculated. For the same mix, lower fatigue lives were observed at 400 microtrain level in comparison to the values at 200 microstrain level. At the dry condition, the HMA mixture exhibited higher and lower fatigue live values than the WMA mixture at 200 and 400 microstrain levels, respectively. In the case of wet condition, an increase in the average fatigue life was observed for the wet specimens when compared to the corresponding dry specimens. On average, the WMA mixture exhibited higher fatigue lives than the HMA mixture at both 200 and 400 microstrain levels. Frequency sweep results revealed an increase in the flexural stiffness with the increase in loading frequency. In all cases, a lower flexural stiffness was observed for the wet specimens when compared to the corresponding dry ones.For the evaluated temperatures and loading frequencies, a lower stiffness was observed for the WMA mixture when compared to the HMA mixture. The flexural stiffness ratio values at the evaluated loading frequencies were averaged for each of the testing temperatures. The data show that the WMA mixture exhibits statistically similar or significantly higher SR values than the HMA mixture.

Figure 5 – Average Flexural Stiffness Ration of a HMA and a WMA at the noted temperatures. The moisture-susceptibility of the HMA and WMA mixtures was also evaluated in the Hamburg Wheel-Tracking Device (HWTD) in accordance with AASHTO T324. Cylindrical specimens of 150 mm diameter by 50 mm high were compacted in the Superpave Gyratory Compactor (SGC) to 70.5%. A total of 16 samples (8 samples per mix) were prepared at the University of Nevada Reno and transported to the University of California Pavement Research Center (UCPRC) for testing. Two sets of samples, 4 replicates each, were prepared for each mix. The first set of specimens was compacted

right after mixing (i.e. no short-term oven aging). The second set of specimens was subjected to short-term oven aging for 4 hours at 135C before compaction.

Figure 6 – Average rut depth from a Hamburg test of a HMA and a WMA at the noted temperatures. This study [18] showed that similar mechanical properties are obtained between a HMA and a WMA prepared with a chemical additive. 4. ADVANTAGES OF WMA BY CHEMICAL ADDITIVES The many advantages of WMA had been the subject of previous publications. Here some results from field jobs are presented to exemplify some of those advantages. 4.1.

Energy and Emission reductions

The most direct consequence of reducing the production temperature of an asphalt mix is the decrease of the energy required for the process. This reduction of energy is directly related to the degrees of temperature reduced. From previous experiences the energy saving from a 30 to 40°C reduction of temperature goes between 20 to 35%. The amount of energy consumed is also related to other factors than just the temperature reduction. The production plant conditions and the aggregates humidity, for example, may strongly modify the amount of energy consumed. Some WMA techniques, as mentioned before, depend on the presence of water on the aggregates to foam the bitumen [6]. Some of these techniques can actually have a stronger impact on the amount of energy consumed if the mix stay at temperatures below 100°C. Below 100°C the full evaporation of water is avoided, which results in a large energy saving (the latent heat of water is 2250 kJ/kg, quite large compared with it’s heat capacity of 4.18 kJ/kgK). However, care should be taken to avoid potential problems with water moisture resistance. Here below, an example of actual measurements of the energy consumed during the production of a thin rolling surface (BBTM in French) at HMA and WMA conditions is

shown (Table 3). The amount of energy consumed showed is the average of several hours of production. The mix is regularly done at 170°C, as it is done with a polymermodified bitumen. By the addition of 0.4% of the chemical additive into the bitumen a reduction of 40°C was achieved. Table 3 - Energy consumption on the production of a WMA

HMA WMA

Production T (°C)

Mix produced (Tons)

Production rate (tons/h)

Burner %

170 130 -40%

600 440

125 136 +9

26 36 -10%

Energy consumption 3 (m gas/ton) 5.94 4.10 -31%

It can be seen that a significant reduction of the energy consumed (~ 30%) is obtained by the reduction of 40°C in the production temperature. An added benefit of reducing the production temperature can be an increase on the production rate. Since a lower temperature of the aggregates is needed, the burner output should be decreased (see Table 3). In addition to this, the production output may be increased so that the aggregates stay a shorter time on the heating drum, thus heating less. This is the case for the field job describe above. It can be seen that there is actually a slight increase in the production rate (9%) in addition to the reduction of the burner output. It should be noted that in some cases the control of the burner at very low outputs may be difficult and actually contrary to energy savings. A badly tuned burner at low outputs may work inefficiently, consuming a larger amount of fuel and producing more polluting emissions. The emissions generated as a result of the production of an asphalt mix are also very sensitive to the temperature. An important source of the emissions generated during production are the combustion products of the fuels used to heat the aggregates. The reduction of these emissions is directly proportional to the decrease of production temperature of the mix. Another source of emissions are also those that may be directly produced by the bitumen at higher temperatures. In Table 4 measurements of the emissions generated at the production site during the same production of the thin rolling surface describe above are shown. The emission values are reported per ton of mix produced. The reductions on CO2 and NOx (NO2 equivalent reported on Table 3) emissions are close to that found for the energy consumption (-38 and –26% respectively). However, the effect of reducing the temperature has a higher impact on the total volatile organic components (TVOC) and the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Although the actual emissions values measured may vary according to the type of production plant, maintenance, etc… it is clear that there is an advantage when the temperature is reduced. Table 4 - Emissions during fabrication

HMA WMA Reduction

CO2 (Nm3/ton) 14.6 9.0 -38%

Eq NO2 (g/ton) 6.8 5.0 -26%

TVOC (g/ton) 80.6 14.3 -83%

PAH μg/ton 78.6 35.5 -55%

Additional measurements were also carried out during the paving operations to measure the quantity of VOC at which the workers are exposed. Three different locations were

chosen to take the measurements for each of the HMA and the WMA paving operations. Detection instruments were placed on the driver of the compaction roller, on the driver of the paver and on a worker placed next to the paver. The detected amounts of VOCs were actually low, close to the detection levels for both cases, WMA and HMA. They were all well below the exposure limits dictated by the current legislation. There were however, differences between the measurements taken. As expected, the levels detected for the worker standing next to the paver were the highest, followed by those detected on the driver on the paver. The measurements for the driver of the compaction roller were the lowest. There were differences between the HMA and the WMA. The values measured in the WMA were between half and one third of those obtained in the HMA. For example, the naphthalene was present at 0.015 mg/m 3 in the HWA for the worker next to the paver, while a value of 0.005 mg/m3 was found in the same conditions for the WMA. Other advantage that results from the reduction of temperature, which is hard to evaluate, but easy to feel, during the paving operation is the comfort of the workers. It is more comfortable and safe to work with a mix at 130°C than with a mix at 170°C. The difference is even more noticeable when paving under hot weather conditions. The emissions during the production and paving operation may not be the only potential sources of pollution. An experiment was carried out to detect if the presence of the chemical additive on the mix can eventually have an effect on the water that is in contact with it. Asphalt mix samples containing 0.5 wt% with respect of the bitumen of the Cecabase RT additive were stored in a closed container filled with water. The asphalt samples were only slightly compacted: enough to provide a shape to the sample but open enough to let the water fully penetrate into the mix. The water was then tested for toxicity under the European normative OCDE 201 that follows the growth of the water algae Pseudokirchneriella subcapitata to test ecotoxicity. Samples of the water were taken after three months and after one year. Additionally another set of samples were stored for the last 2 months of the year in an oven at 60°C. None of the water samples taken showed any toxicity (the growth of the algae was normal). This experiment shows that the addition of the chemical additive for WMA does not seems to have an effect on the toxicity of the asphalt produced with it. 4.2.

WMA and Reclaimed asphalt pavement (RAP)

Another possible advantage of the WMA asphalts is the potential of increasing the amount of reclaimed asphalt pavement, RAP, which may be incorporated on the mix. The production process heavily controls the amount of RAP that may be added into a mix. Other than the final properties of the mix, the temperature of the virgin aggregates controls the amount of RAP to be used, since they provide the energy to heat the cold RAP. The temperature at which the virgin aggregates should be heated to heat the added RAP can be easily calculated from basic thermodynamics. It is basically a calculation of the heat given by the hot aggregates that is received by the cold RAP. Figure 7 shows the results of such calculation as the temperature that is required to heat the virgin aggregates to incorporate a given percentage of RAP in the formula. Two different situations are plotted: one where the mix ends up at a temperature of 160°C (such as in a standard HMA) and another where the final temperature is 120°C (WMA conditions). A water content of 4%, typical found in RAP, is taken into account since it has an important effect on the curves (need to evaporate this water). It should be noted that the relation between aggregate temperature and % RAP is not linear, since a larger amount of heat needs to be given at larger RAP contents by a lower mass of virgin aggregates, thus increasing their temperature even further.

480

Aggregate T (°C )

440 400 360 320 280 240 200

Tmix 120°C Tmix 160°C

160 120 0

10

20

30

40

50

60

% cold RAP

Figure 7 - Calculated temperatures of virgin aggregates required to incorporate a given % of cold RAP. From the plot it can be seen that there might be substantial advantages by the WMA for an increase amount of RAP. For example, it can be seen that a mix that is designed to incorporate 10% of RAP at 160°C may contain 15% more RAP while heating the virgin aggregates at the same temperature. Lets point out that the limit of the amount of RAP added may be physically limited by the temperature of the virgin aggregates. It can be can seen that to achieve 40% RAP, temperatures on the order of 300°C should be reached. Aggregates at these temperatures would burn the cold bitumen present in the RAP when they came in contact. This will decrease the quality of the final asphalt and may become a safety risk. Some techniques based on the bitumen foaming may become incompatible to those large temperature gradients. Other that the actual production advantages as described above, there is the issue of the actual performance of the final mixtures at higher RAP contents. The problem that may be encountered is the lack of mix between the aged bitumen in the RAP and the virgin bitumen added, even it is of a softer grade to compensate. There is some discussion that the problem may actually be aggravated in WMA since the lower bitumen temperatures may do the incorporation of the aged bitumen even harder. Several studies should be carried out to understand the matter further. An actual field job was recently carried out with the Cecabase RT additive where the RAP content was 30%. It was a surface layer originally designed to be done at 150°C. This field job was produced at 110°C and paved at 100°C. An amount of 0.3% of additive was added to the virgin 50/70 1/10mm penetration bitumen added into the formula (4% of virgin bitumen for a 5.3% of final bitumen content on the mix). The laboratory results: compaction in a gyratory press, moisture resistance (Duriez) and rutting of the mix were within the requirements. The field job was carried without problems and a good and homogeneous compaction was obtained. (Table 5)

Table 5 - Laboratory and field test results of a WMA with 30% RAP

HMA

T

Void % at 60 gyrations

150°C

7.2%

Duriez test (ITSR)

Void % of rutting samples

Rutting after 30,000 cycles at 60°C (%)

Compaction measured on field job (%)

-

5.5

2.4

-

3 77% WMA

110°C

6.9%

(NF EN13108-1 requires > 70%)

4.1

(NF EN13108-1 requires < 5% for 30,000 cycles)

94.7 ± 0.16

The reduction of temperature of hot mixes that contain RAP can be successfully carried out with chemical additives. The possibility to further increase the amount of RAP incorporate should be subject of further studies to evaluate the impact not only on the production conditions but on the final properties of the mix as well. 4.3.

Advantages Related to the chemical additives

Most of the advantages brought by the WMA mentioned above are actually achieved by the reduction in production temperature itself, rather than the actual effect of the chemical additive. There are however some additional advantages when chemical additives are used. As described above, chemical additives for warm mix asphalts does interact at the mineral surface. Due to their chemical nature, they may actually also play the role of anti-stripping agents to improve the moisture resistance of the mixtures. Depending on the mix they may completely replace the use of an additional anti-stripping agent. For example, Table 1 shows the indirect tensile strengths of samples conditioned for 1 day at 60°C with and without chemical additive. It can be seen that the WMA sample with the chemical additive not only has a higher value that the reference WMA but also to the HMA. With the chemical additive for WMA a correct value of ITSR (> 75%) is obtained. In any case, for materials very sensitive to moisture damage, a low dosage of an additional anti-stripping agent may eventually be used in combination of the chemical additives for WMA to achieve a good moisture resistance performance. Perhaps the largest advantage, unique to the liquid chemical additives, is that they are simple to use. No plant modification is required to use them. In any case, the addition of a pump that can dose the additive (very much as those used for the anti-stripping agents) might be needed. HMA and WMA may be switched between one another easily if an inline injection of the additive is used. Alternatively, the additives may also de added to the bitumen before the production of asphalt mix. They dissolve easily on the bitumen and may be stored in the bitumen for several days before their use. The chemical additives mentioned in this work may be actually used at higher temperatures with no negative effects. It should be pointed that these are additives that improve the workability of the mix, which can be used to reduce the temperature for warm mix asphalt production. In fact, they might be used to add better workability to standard HMA, securing the job in case of delays or lower weather temperatures. The use of a chemical additive for WMA on a HMA can be also an extended transportation time. As

discussed on a previous publication [12], the hauling time of the mix may be extended for about 3 times if it produced at HMA conditions with chemical additive and paving it at WMA conditions. 5. CONCLUSIONS Several aspects about the use of chemical additives for WMA fabrication were discussed, including their mechanism, properties and advantages. The chemical additives for WMA do not change the bitumen properties while improving the workability of the asphalt mixture. The viscosity and rheological behaviour of the binder remains practically unchanged. The additives only interact at the aggregate surface to modify and control the friction forces of the mix, thus requiring only a small amount (0.30.6 wt% with respect of the bitumen) to have an effect. The laboratory evaluation of the workability of the mix at WMA is challenging, however some information can be obtained from simple compaction experiments. Mix designs and laboratory performance testing were conducted on HMA mixtures and WMA mixtures prepared with Cecabase™ RT additive. The mixtures were evaluated for their resistance to rutting, fatigue cracking and moisture damage following largely the testing requirements for the warm-mix asphalt technology approval process in California. Overall, comparable properties were obtained between the HMA and WMA mixtures. Energy savings and emissions reductions from an actual job had been shown. The advantages due to reducing the production temperature by means of a chemical additive were confirmed. No toxicity was found on asphalt mixtures containing the chemical additives when in contact with water for 1 year. The possibility of increasing the amount of cold RAP, thanks to WMA was discussed. An example of an actual WMA field job with 30% RAP seems to support this thought. Chemical additives for WMA may also play the role of anti-stripping agents as shown in here. Other advantages of liquid chemical additives that enhance the workability of the mix were discussed such as their ease of use without a plant modification and the possibility for longer mix hauling before paving.

REFERENCES 1. Bueche, N. ; Dumont, A.G. ; Angst, C. (2009). Projet initial – Enrobés bitumineux à faibles impacts énergétiques et écologiques. Report of Mandant de Recherche VSS 2008/505 Federal Road Office Switzerland, pp 22-26 2. Lesueur, D. (2009). The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification. Advanaces in Colloid and Inteerface Science 145, pp 42-82 3. D’Angelo J. et al. (2008). Warm-Mix Asphalt: European Practice. Report FHWA-PL-08-007. 4. Wasiuddin, N.M., Selvamohan, S., Zaman, M. M. and Guegan M.L.T.A. (2007). A comparative Laboratory Study of Sasobit® and Asphamin® in Warm Mix Asphalt. CD-ROM. Transportation Research Board of the National Academies Washington, D.C. 2007. 5. Soenen, H. et. Al. (2009). Foamed Bitumen in Half-Warm Asphalt. Enviroad Warsaw CD-ROM. 6. Romier et.al. (2006). Low-Energy Aphalt with performance of Hot Mix Asphalt. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No 1962, pp 101-112

7. Uguet Canal, N.; Andaluz Garcia, D. (2010) Gama Tempera®: Una Oportunidad Para el Medio Ambiente. V Jornada Nacional ASEFMA. paper 06, pp 71-81 8. Metzker, K.; Wistube, M.P. (2009) Comparative study on wax modified bitumen. Enviroad Warsaw CD-ROM 9. Grampré, L, Gonzalez-Leon, J,A. and Barreto, G. (2008) “Enrobés tièdes par additivation chimique” Revue Générale des Routes, No 866,2008, pp 44-50. 10. CECA website http://www.ceca.fr/sites/ceca/en/business/bitumen_additives/warm_coated_material/warm_coated_ material.page, visited 28-02-2011 11. Oliveira, J.; Silva, H. (2010) Study on the Use of a WMA Surface Agent Additive on Recycled and th Asphalt Rubber Mixtures. 16 IRF World Road Meeting, paper No. 289 12. Gonzalez Leon, J.A. et al. (2009) Warm Mix Asphalts with Chemical Additives: Properties and Advantages. Enviroad Warsaw. 13. Grau, J.S. et al. (2010) Puesta en Obra de Mezcla Semicaliente Basada en Aditivos Surfactantes. V Jornada Nacional ASEFMA, paper 32, pp 351-358 14. Marvillet, J.; Bougault, P. (1979) Workability of bituminous mixes – Development of a Workability Meter. Proceedings of the Association of Aphalt Paving Technologists, Denver, V 48-79, pp91-110 15. Bennert, T.; Reinke, G.; Mogawer, W.; Mooney, K. (2010) Assessment of Workability / Compactability of Warm Mix Asphalt. 2010 TRB Meeting Proceedings, paper 10-2223 16. Official guidelines for Warm Mix Asphalt Mix, published by FGSV, Road and Transport Research Association, Germany 2006). 17. Rand, D. (2008) Texas DOT Experience with warm mix Asphalt. International Warm Mix Asphalt Conference, Nashville TN. Oral communication 18. Hajj, E. Y. and E. Cortez. “Evaluation of the Cecabase RT Warm-Mix Additive,” Final Report, University of Nevada Reno, September 2011

Additives for Warm Mix Asphalt

Content : Warm Mix Asphalt technologies Cecabase® RT technology Advantages of Cecabase® RT Examples of field jobs

Warm Mix Asphalt technologies

Working at high temperature is not artificial, it is necessary: To remove liquid water in the aggregates To reduce the bitumen viscosity enough to fully coat the aggregates in a time scale compatible with the process

Pen 35/50 Bitumen Viscosity (Pa.s)

Why we use hot mixes? 4

T 3

AGGREGATE

2

1

0 110

120

130

140

150

160

170

180

Temperature (°C)

But…how to reduce the asphalt mixture fabrication temperature? 1.

The bitumen temperature is fixed by the refinery vacuum distillation process  practically, difficult reduce bitumen T.

2.

The aggregates represent ~95% of an asphalt mixture.

 Decreasing the process temperature translates into decreasing the aggregates temperature. 4

Existing WMA technologies There are more than 20 WMA technologies in the market today

However, there are mainly based on 3 different kinds of physical phenomena: Water based foam processes

Crystalline/Wax additives

Surfactant additives

• Lee, N.; Kim Y. Report MAT- UI 124 Mid-america transportation center. 2010 • Bueche, N. ; Dumont, A.G. ; Angst, C. Enrobés bitumineux à faibles impacts énergétiques et écologiques. Report of Mandant de Recherche VSS 2008/505 Federal Road Office Switzerland. 2009

Water Foam based processes Consists in adding water to form a foam when the water evaporates due to the mix temperature. The water may be added directly (nozzles) or indirectly using zeolites, wet fine mineral aggregates, emulsion, etc.. Improves aggregates coating thanks to an apparent volume enhancement of binder by the foam. Probably improves workability of the mix thanks to lubricating effect of the foam.

Compaction can become an issue as the foam disappears shortly after production

2 m

2 m

Zeolite

These techniques usually require a modification of the mixing plant Precautions should be taken due to the addition of water (cohesion of the asphalt mix, water susceptibility of the mix)

• Grampré, L, Gonzalez-Léon, J,A. and Barreto, G. (2008) “Enrobés tièdes par additivation chimique” Revue Générale des Routes, No 866,2008, pp 44-50. • http://www.astecinc.com

Wax based chemicals additives Additives (used at 2-3 wt% in asphalt binder) that reduce the viscosity of the asphalt binder at processing conditions Improved aggregates coating at lower temperature thanks to viscosity reduction of binder by the liquid (melted) product which acts as a “solvent”. An improved workability of the mix is possible to the lower viscosity of binder Allows for a coverage of the mineral aggregate at reduced temperatures Below the crystallization temperature of the wax (~100°C) workability of the mixture becomes poor and compaction can’t be achieved. The addition of waxes change the bitumen characteristics (Penetration grade, viscosity, low temperature properties, etc…) Hurley, G.C.; Prowell, B. D. Evaluation of SASOBIT for us in Warm mix asphalt. NCAT Report 05-06. June 2005

Surfactant additives Addition of a chemical surfactant additive (0.3-0.5 wt% in the binder) that changes interfacial properties of the binder without changing asphalt binder rheology Improved coating at lower temperature thanks to surface tension reduction at the binder/aggregate interface Improved workability of the mix thanks the control the interface structure between bitumen and aggregates, thus reducing the internal frictions that increase the workability of an asphalt mixture. Improved striping resistance of the mix thanks to surfactant action at binder/aggregate interface

Chemical additive

WMA techniques in a nutshell T°C reduction

Surfactant Additives

Wax Additives

Foaming techniques

Zeolites

9

- 40°C

- 30 to - 40°C

- 15 to - 30°C

- 30°C

Cost per ton of mix Pros and Cons

~ 1 €/T

2 - 3 €/T

Cheapest and easiest additive technique Robust, compaction aid Anti-stripping effect – keep HMA mechanical prop. Effective for long hauling Consumption of Additive for each ton produced Increase rut resistance Effective for long hauling Complex to incorporate (solid pellets) Compaction issues below crystallization ~100°C Modification of binder (low T properties, cracking)

Cheap Process after initial investment Short lifetime of foam 0 but several Average aggregate coating at WMA temperature 10,000€ investment Mix sensitive (binder, aggregate, lime…)

2 - 3 €/T

Increased lifetime of the foam Plant modification, complex introduction kit Anti-strip often necessary Modification of mix design

Cecabase® RT technology

How to use Cecabase® RT Typical properties of the additive : ● ● ● ● ●

Liquid – Viscosity < 1000 cPo at 20°C Density : ~ 1.00 Aggregates (reduced T) Flash point : > 200°C Readily soluble in asphalt binder Packaging : bulk, ~1000kg IBC, ~200kg drums (1 drum eq. to 1000T of mix)

How to use Cecabase® RT : ● ● ● ●

In line or batch addition to the asphalt binder 0.3 to 0.5% dosage based on total binder weight Compatible with all kinds of binders – no curing time Stable in stored asphalt binder over 7 days

Mix production temperature is reduced to 120-140°C depending on mix type : ● Heating of aggregates is typically ~ 40°C less than the corresponding HMA ● Binder temperature remains the same as HMA

Good compaction is ensured down to 90-110°C

Asphalt (usual T)

WMA

Effect of Cecabase RT on binder properties Viscosity unchanged by the additive at concentrations used

Since the additive interact at the aggregate surface and only small amounts are required to have the improved workability on the mix  there is no effect on the properties on the binder

Viscosity (Pa s)

100

Neat 35/50 bitumen + 0.3% additive + 0.5% additive

10

1

0.1 80

100

120

140

Temperature (°C)

Dynamic viscosity measured at constant shear rate : 100 s-1

160

Effects of Cecabase® RT No change in Asphalt penetration grade or R&B temperature 50/70 Asphalt

50/70 Asphalt + 0.5% CB RT

30/45 Asphalt

30/45 Asphalt +0.5% CB RT

SBS modified Asphalt

SBS modified Asphalt +0.5% RT

Penetration (1/10mm)

51

50

33

37

52

56

Ring and Ball (°C)

51.2

50.8

54.2

53.6

57.8

57.2

Electron microscopy shows no difference of mix with HMA : Good distribution of aggregates Good coverage of aggregates (even fines) 25 m

1 mm

Effect of additive on the mix The effect of the additive is seen on the workability of the asphalt mix. However, the evaluation of workability in the laboratory can be quite challenging Usually only small differences are observed through standard compaction methods (ex. Marshall) 160°C

120°C

Reference mix

Mix +0.5% Cecabase RT

Reference mix

Mix +0.5% Cecabase RT

Void %

2.0

1.9

3.2

2.8

Marshall Stability (kN)

11.0

10.5

8.8

10.0

Bennert, T.; Reinke, G.; Mogawer, W.; Mooney, K. (2010) Assessment of Workability / Compactability of Warm Mix Asphalt. 2010 TRB Meeting Proceedings, paper 10-2223

Workability effect of Cecabase® RT Evaluation of the workability of WMA in the lab is challenging Evaluation by laboratory Baustofflabor Hamburg, following standard German test for workability Torque recording of a screw type rotational device introduced in the mix :

Test based on the recommendations on report 691 from NCHRP (US) Comparison of the number of gyrations required to achieve a given void % with a gyratory compactor : 300

250 330

320

200 Gyration #

310

Torque (N.cm)

300

290

150

100

280

50 270

260

0 Control HMA 160°C

250

Control WMA (no additive) 120°C

WMA 120°C - Cecabase RT - 0,4%

Mixing at 120°C, measurement at 90°C, 8% void

240

Reference asphalt mix

Asphalt mix with 0,5% Cecabase RT

160°C

Reference asphalt mix

Asphalt mix with 0,5% Cecabase RT

120°C

Mechanical characterization Improvements of adhesion are achieved with Cecabase® RT ITSR : 14

Reference HMA 160°C

12

TSR

Reference WMA 120°C without additive 10

Void% or ITS (kN)

WMA 120°C with 0,4% Cecabase RT

Hot Mix Asphalt

0.58

WMA without Additive

0.31

WMA with Cecabase RT

0.84

8

6

4

2

0

Void %

ITS (kN) conditioned

ITS (kN)

• Open-graded friction course with modified binder, PG 76-28 • Compaction PCG 600kPa, 40 gyrations • Conditioning 1 day in water at 60°C

Hamburg Test The hamburg test is a mix between a rutting test and a antistripping test. • AASHTO T324 • 0/25mm mix, compacted in SGC • 20,000 wheel passes • In water at 50°C

http://www.fhwa.dot.gov/pavement/asphalt/labs/mixtures/hamburg.cfm

Gmm (Max theoretical specific gravity)

Air voids (%)

Max. rut depth (mm)

HMA (160°C)

2.425

6.95

-13.3

WMA (130°C, 0.4% CB RT)

2.445

7.2

-9.1

Hajj, E.; Cortez, E. Evaluation of the Cecabase RT warm mix additive, final report. Septembre 2001 University of Nevada, Reno US

C

Rutting resistance Evaluated by a road constructor laboratory (France) following French standards (real rubber tire on a large compacted plate sample) 10 mm nominal maximum aggregate size dense coarse graded mix Asphalt binder 35/50 NF P 98-253-1

Hot mix asphalt

Warm mix asphalt

Limits in the std.

Rutting (%) after 30,000 cycles

4.11

4.19

<5

Air void (%)

6.7

6.7

5
http://www.vectra.fr/

Hot mix asphalt

Warm mix asphalt (0.4% Cecabase RT)

Asphalt binder Temperature (°C)

160

160

Mineral aggregates Temp. (°C)

160

115

Compaction Temp. (°C)

160

110

C

Fatigue Evaluated by the University of Minho (Portugal) on a regular 0/10 mix and a 0/10 mix with 50% RAP, following the EN 12697-24.

C

4 point bending test T 20°C, 10 Hz Mix A 0/10 Mix B 0/10 + 50% RAP

Similar Fatigue behavior between HMA and WMA with additive

Oliveira, J.; Silva, H.; Abreu, L.; Gonzalez-Leon, J. The role of a surfactant based additive on the production of recycled warm mix asphalts – Less is more. Construction and Building Materials 35 2012 693-700

Advantages of Cecabase® RT

Advantages of WMA with Cecabase® RT

Environment

21

Comfort

Flexibility

Less emissions

Compaction aid

Increased capacity

Energy savings

Fast opening to traffic

Night or winter work

Increase use of RAP

Less heat & fumes

Longer hauling

Reduction of gas emissions Typical values measured at the plant stack (production of very thin asphalt cement) : CO2

Eq. NO2

TVOC

PAH

(Nm3/ton)

(g/ton)

(g/ton)

(µg/ton)

HMA

14.6

6.8

80.6

78.6

WMA

9.0

5.0

14.3

35.5

-38%

-26%

-83%

-55%

Measurements taken on job site, on a worker, a paver driver and a compactor driver : More than 20 different polyaromatics (PAH) measured – example : Naphthalene (mg/m3)

Worker

Paver

Compactor

HMA

0.01549

0.0097

*

WMA

0.0053

0.0045

0.0019

-66%

-54%

*

Both HMA and WMA are well below exposure limits (close to detection limits)

Energy cost – typically 20-30% savings Two examples of measurements at different mixing plants : Very Thin Asphalt Concrete French ‘BBTM’ wearing course Polymer modified asphalt HMA: at 170°C WMA: 0.4wt% of additive in the binder Production T°C

Energy m3 gas / ton

Hot Mix Asphalt

170

5,94

Warm Mix Asphalt

130

4,94

31% gas savings

Stone Mastic Asphalt (SMA) Polymer modified asphalt and fibers HMA: at 172°C WMA: 0.35wt% of additive in the binder Production T°C

Energy m3 gas / ton

Hot Mix Asphalt

172

6,34

Warm Mix Asphalt

135

4,64

23% gas savings

In some cases the savings compensate the cost of the additive A simple but well-correlated calculation sheet is available from CECA to evaluate energy savings at your plant

Increased use of recycled material

● Easier mix compaction ● Less overheating of virgin aggregates ● Working for plants with and without heating systems for RAP ● Significant reductions of the asphalt mix cost ● Also possible with shingles (RAS) and crumb rubber (CRA)

480

Calculated temperatures

440 400

Aggregate T (°C)

Cecabase® RT increase the amount of RAP that can be introduced in the mix by 10 - 15% :

360 320 280

+ 10-15% RAP

240 200

Tmix 120°C

160

Tmix 160°C 120 0

10

20

30

40

% RAP

Cold RAP systems RAP

Pre-heated RAP systems

Virgin aggregates

50

Use as Compaction Aid The workability effect of Cecabase® RT can be used to achieve the desired compaction target at Hot Mix temperatures in various cases : ● Faster progression : typically fewer compaction passes are required compared to HMA without additive ● Gives more security for “difficult” mixes (high-end void%) ● Increase chance of getting compaction bonus ● Improve workability of stiff mixes (high RAP …) ● Ability to work at <0°C outside temperature

Workability effect disappear upon cooling (<~90°C) ; the additive does not alter mechanical performances at cold temperatures (no rutting or brittling effects) The faster compaction and cooling is also useful for quicker opening to traffic : ● Work in areas with heavy traffic ● Work in airports ● Less disturbances to the neighborhood

Reduction of dust and fumes Typical reductions measured on the paver (SMA job) : “Mix of Pollutants”

Dust

Fumes

(mg/m3)

(mg/m3)

HMA

12

11.4

12

WMA

3.5

3

2.9

-71%

-74%

-76%

(mg/m3)

Similar reductions are measured at the plant :

HMA

WMA

Increase of Production rate Asphalt (usual T)

Aggregates

120°C

WMA

In some cases, residence time of aggregates in the barrel can be decreased (lower heating T) without changing the burner settings Case study : an increase from 210 to 280 tons of mix/hr (~ 30% increase) was possible when switching from HMA to WMA Useful during peak season or for debottlenecking Flexible technology : easy to switch from HMA to WMA and back

Longer hauling HMA production

170

WMA

HMA

Temperature (°C)

160 150 140

Limit for HMA paving

130

WMA production

120 110 100

Limit for WMA paving

90 80 0

50

100

t0 +25%Time (min)

150

200

+ 200%

A WMA with Cecabase® RT may be paved up to 25% later than standard HMA A HMA with Cecabase® RT may be paved after a hauling time up to 3 times longer

Examples of field jobs

Atlanroute (France) - 2004 First field test for technology validation : 300 tons of mix using standard equipment (plant & paving machines) Continuous dryer/mixer ; All production parameters followed 10 mm nominal max aggregate size dense coarse graded mix Asphalt binder 35/50 penetration : Production (°C)

Laying (°C)

Compaction (°C)

Hot Mix Asphalt

160

160

135

WMA without Additive

120

115

90

WMA with Cecabase RT

120

115

90

Constant compaction conditions Troxler (gamma rays absorption) Core sampling to double-check : 9 8

7

Void% target

Void %

6

5 4

3 2

1 0

Reference HMA 160°C

Reference WMA 120°C without additive

WMA 120°C with 0,5% Cecabase RT

Examples of field jobs - France Bordeaux 2008 – High traffic road High modulus asphalt cement (“EME”) 10/20 [1/10mm] asphalt Produced at 130°C (normally 170°C). Laid down at 125°C Average density 95,6%

St Flour 2009 – Highway A75 Open graded friction course (“BBTM”) – Thin layer 2,5 cm 5,6% binder, polymer modified Styrelf 13-60 – 0,4% Cecabase RT945 4000 tons produced at 135°C, paved at 120°C, compacted at 110°C

Gaillac 2011 – BBSG Standard 0/10 mm wearing course (BBSG), 6 cm layer 0,4% Cecabase RT Bio10 Cecabase RT945 used at 0.4%, added in tank 5 days before High volume road : AADT > 15000

500 tons paved at 120°C

Examples of field jobs - Europe Poland 2007 – Stone Mastic Asphalt (SMA) 0-8 mm aggregates - 0.4% fibers in the mix Asphalt binder Pen. 50 + 3% SBS – 0,4% Cecabase® RT945 3000 tons produced at 130°C, paved at 120°C, compacted at 100°C

Russia (Kazan) 2009 – Freezing conditions Base course layer - Asphalt 60/90 penetration - 0,4% Cecabase® RT945 120 km transport time (2 hours), outside temperature -5°C 800 tons produced at 165°C and paved at 130°C

Denmark 2011 – Stone Mastic Asphalt (SMA) 0-11 mm wearing course, high traffic – Fibers into the mix 5,7% of polymer modified asphalt – 0,35% Cecabase® RT Mix produced at 135°C vs 172°C for the control HMA

Italy (Padova) 2012 Fine gradation D8 type – 15% RAP added cold at the plant Asphalt 70/100 penetration – 0,4% Cecabase® RT Bio10 Mix produced at 150°C, paved at 130°C, compacted at <130°C

Examples of field jobs - America New York State 2008 – 2 different jobs 1300T dense-graded mix with 30% RAP (Road 31 along Seneca River) 1000T dense-graded mix without RAP (Road 18 near Utica) Production at 120-130°C, paved at 120°C with good workability

Canada (Alberta) 2009 – 25,000 tons job Dense graded mix without RAP (gravel pit aggregates) – Interstate 35 Asphalt binder 200-300 Pen. with antistrip + 0.2% Cecabase® RT945 Produced at 120°C (vs 150°C for control HMA)

California 2010 – Caltrans project with crumb rubber 12.5mm gap graded mix – Asphalt PG 64-16 with 18% scrap tire 0.4% Cecabase® RT - Produced at 130°C (vs 165°C for control HMA) Tested on Heavy Vehicle Simulator (HVS)  Cecabase more rut resistant than control HMA

Tennessee (Sevierville) 2012 Mix with difficult limestone aggregate – 15% RAP – high traffic road Asphalt PG64-22 – Cecabase® RT945 and antistrip Night work, light rain - Mix produced at 130°C, compacted at 113°C

®

RT WMA is

Examples of field jobs – Asia & LatAm Australia 2008 – High %RAP mix Base and Wearing Courses Type H-10mm – 30 and 40% RAP respectively Paving temperatures : 108-115°C Average compaction around 95%

Japan 2009 Open graded type -30°C to -50°C temperature decrease - Rainy conditions 3000 tons produced at 130°C, paved at 120°C, compacted at 100°C

Argentina 2010 Open graded type mix – Asphalt grade CA-30 (pen 50/60) with 0,4% Cecabase® RT945 Temperature decreased to 130°C Core sampling

China 2011 0-8 mm aggregates - 0.4% fibers in the mix Asphalt binder Pen. 50 + 3% SBS – 0,4% Cecabase® RT 3000 tons produced at 130°C, paved at 120°C, compacted at 100°C

A real global coverage

Field jobs Lab trials

Today Cecabase® RT is present in more than 50 countries More than 150 different customers have chosen Cecabase® RT additives Several millions tons of Warm Mix Asphalt are produced each year with Cecabase® RT technology

A simple way to reduce temperature of asphalt mixes by ~ 40°C by the addition of a liquid additive : ● ● ● ● ●

Patented technology used since 2004 on the field Robust, work with all binders and asphalt mixes No plant modification or high maintenance costs Most cost-competitive solution among additives Systematic back-up of CECA technical experts

Mechanical properties of WMA are similar to those obtained with a control HMA Benefit from immediate advantages : ● Environment : reduction of emissions, gas savings, use of RAP ● Comfort : compaction aid, less heat & fumes, quick opening to traffic ● Flexibility : increased plant capacity, longer hauling, night or off-season work

Thank you !

DETERMINACIÓN DEL VALOR DE SORCIÓN DE AZUL DE METILENO PARA "FILLERS" MEDIANTE ESPECTROFOTOMETRÍA VISIBLE Álvaro Muñoz, Daniela Alcántara, Fulgencio Noh Pat, Israel Sandoval Lasfalto S. de R.L. de C.V. Ignacio Cremades Surfax S.A. de C.V. Resumen. En la industria del asfalto se realiza la prueba de azul de metileno para estimar el grado de reactividad de fillers en presencia de agua. Dicha prueba se basa en la formación de un halo color azul que es estable conforme transcurre el tiempo, indicando la saturación del filler con el colorante. Sin embargo los resultados obtenidos mediante esta prueba son subjetivos y poco confiables ya que dependen del criterio del analista. Como una alternativa a esta prueba se desarrolló un método analítico que más confiable y objetivo que el método clásico, y debido a la presencia de un grupo cromóforo en el azul de metileno se optó por la espectrofotometría visible. Se utilizaron 4 fillers de diferente naturaleza, con morfología, mineralogía y tamaño de partícula caracterizados, como objeto de estudio. Se establecieron las condiciones para la nueva metodología y se determinó la capacidad de sorción de azul de metileno de los "fillers problema", mediante el método innovador y el método clásico y se compararon los resultados. El método innovador presenta una buena repetibilidad y reproducibilidad (desviación estándar relativa <3%) en su ejecución, además, se obtienen resultados más precisos y confiables que el clásico, el cual muestra una diferencia en las mediciones hasta del 66% con respecto al innovador. Con este método se pretende que los valores obtenidos sean un reflejo más cercano del comportamiento del filler en aplicaciones de campo. Introducción La prueba de azul de metileno (AM) es utilizada en la industria del asfalto para estimar el grado de reactividad, en presencia de agua, de fillers (malla 200), contenidos en los materiales pétreos para mezclas asfálticas. Esta prueba se basa en cuantificar la capacidad de sorción del filler midiendo la cantidad de AM necesario para cubrir su superficie total (interna y externa). El azul de metileno en polvo, que se comporta como un colorante catiónico al mezclarse con agua y es identificado con la fórmula empírica C16H18N3SCl. La técnica de la prueba se basa en 2 principios:  

El fenómeno de intercambio iónico entre los cationes intercambiables de los fillers y los cationes del AM dispersos en el medio acuoso. La adsorción y absorción física de las moléculas de AM en la superficie externa e interna del filler.

La capacidad de sorción de cada filler depende de su naturaleza, aunque dicha capacidad aumenta en función de la superficie específica y la carga de éstos. Esta prueba se relaciona con la capacidad del filler de sorber agua y aumentar su volumen. Basados en este principio se han desarrollado distintas técnicas de prueba usando AM, siendo la más utilizada, por su simplicidad y efectividad, la prueba con papel filtro. En México, esta técnica está establecida por la Recomendación AMAAC 05/2008, basada en la norma M-MMP-4-04-014/09 de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes. Dicha técnica consiste en disolver AM en agua destilada con concentración conocida y colocar la solución en una bureta; así mismo se pesa una masa conocida de filler, se mantiene en agitación en un vaso de precipitados. Se adiciona la solución de AM gota por gota y después de cada gota, se remueve una gota de la suspensión del vaso de precipitados y se coloca en el papel filtro. La prueba continúa hasta la formación de un halo color azul claro alrededor de la gota, reportando como miligramos de AM por cada gramo de filler. Este método indica una evaluación semicuantitativa de la reactividad de los fillers; así como indicaciones cualitativas del tipo de mineral contenido en dichos fillers.

Esta metodología muestra resultados subjetivos, poco precisos y con una alta incertidumbre, ya que la interpretación de dichos resultados depende del criterio del analista. Debido a la poca confiabilidad de los resultados obtenidos mediante esta prueba y que el azul de metileno presenta un grupo cromóforo (grupo funcional capaz de absorber la luz visible) por dar un tono azul, se ha propuesto determinar la capacidad de sorción de AM para fillers mediante espectrofotometría visible, demostrando la objetividad, la confiabilidad y la exactitud de dicho método. Este estudio tiene la finalidad de proponer un método analítico innovador y sencillo para la utilización en la industria del asfalto. Metodología experimental

Absorbancia

Longitud de onda. De acuerdo a Bergmann y O'Konski (1963), la mayor absorbancia del azul de metileno en forma monomérica se alcanza a una longitud de onda de 664 nm. Linealidad del método. Se preparó una solución estándar 100 mg/L de AM grado reactivo (82,8% base húmeda) y se realizaron diluciones hasta tener un rango de concentraciones cuya absorbancia a 664 nm fuera mayor a 0.1 y menor a 1. En la figura 1 se puede observar la curva de calibración realizada con las concentraciones utilizadas (0,5, 1, 2, 3, 4 y 5 µg/ml). Se obtuvo un coeficiente de determinación de 0.992. Todas las soluciones de azul de metileno se almacenaron en contenedores de polipropileno como lo sugieren Bergmann y O’Konski (1963) para evitar adsorción del colorante en el vidrio. 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Concentración (ug/ml)

Figura 1. Curva de calibración de azul de metileno

Fillers. Se seleccionaron fillers de 4 diferentes bancos: Chapala, San Martín, Cerritos y CU, los cuales han sido caracterizados previamente, con respecto a su mineralogía, su morfología por microscopía electrónica de barrido y su distribución de tamaño de partícula, expresado en percentil 50:

Filler Banco Chapala Minerología: Basalto Percentil 50: 17,88 μm

Filler Banco San Martín Minerología: Mixto Percentil 50: 29,00 μm

Filler Banco Cerritos Minerología: Tezontle Percentil 50: 47,33 μm

Filler Banco CU Minerología: Arcilla Percentil 50: 40,22 μm

Sorción de azul de metileno por el filler. Una vez realizada la curva de calibración, se prosiguió a desarrollar un método para determinar la capacidad de sorción de AM de los fillers. A. Gürses et al (2005) estudiaron las cinéticas de adsorción de azul de metileno en presencia de un filler, en su caso arcilla, y determinaron que el equilibrio de sorción se alcanza aproximadamente a los 60 minutos de agregar el filler en una solución de AM a concentración inicial de 100 mg/L. Por lo que con la información previa se establecieron las condiciones del método y se realizó la metodología de la siguiente manera: Se prepara 1 L de solución de AM a una concentración de 100 mg/L y se almacena en un envase de polipropileno. Se toman 100 ml de solución y se vierten en un vaso de precipitados; se comienza la agitación de la solución a una velocidad entre 400 y 500 rpm. Inmediatamente se añaden 0,1 g de filler y se empieza a contabilizar el tiempo de sorción. Se toman 300 μl de muestra de la suspensión cada 15 minutos en un tubo y se adicionan 10 ml de agua destilada. Se centrifuga durante 4 minutos a 4000 rpm. Se lee la muestra en un espectrofotómetro visible modelo 722 a una longitud de onda de 664 nm. Todas las muestras tomadas se realizaron por duplicado. Repetibilidad y reproducibilidad. Una vez establecidas las condiciones del método se prosiguió a validar el método por medio de su reproducibilidad y repetibilidad. Para eso se realizó la prueba de azul de metileno con el método innovador para los 4 fillers con las condiciones previamente mencionadas, los cuales fueron realizados por 2 analistas distintos. Se realizó un análisis de los resultados de cada analista y se determinó la desviación estándar de dichas mediciones, así mismo se compararon los resultados entre ambos analistas. Resultados Los resultados, como se muestran en la figura 2, muestran que la sorción de azul de metileno para fillers arcillosos (Banco CU) alcanza un equilibrio a los 60 min, mientras que los fillers no arcillosos (Banco Cerritos y Chapala) lo alcanzan a los 30 minutos. En el caso del Banco San Martín, que no es un filler de una mineralogía definida, logra el equilibrio al mismo tiempo que los fillers no arcillosos.

mg Azul metileno / g muestra

90 80

A

70 60 50 40 30 20

B

10

C D

0 0

20

40

60 80 Tiempo (min)

100

120

140

Figura 2. Absorción de AM con respecto al tiempo: A (Banco CU), B (Banco San Martín), C (Banco Chapala) y D (Banco Cerritos)

Así mismo, como se muestra en la tabla 1, se observa una desviación relativa estándar menor al 3% tanto en las mediciones de cada analista como entre ambos analistas, demostrando que el método es repetible y reproducible. mg AM / filler DER mg AM / filler DER DER entre Analista A Analista A Analista B Analista B analistas

Filler Banco CU

70.42

0.34

70.67

1.22

0.76

Banco Chapala

15.07

2.12

15.10

1.27

1.43

Banco San Martín

17.9

1.7

17.7

1.0

1.3

Banco Cerritos

3.8

2.3

3.7

2.0

2.0

Tabla 1. Comparación de resultados entre 2 analistas distintos para la prueba de azul de metileno mediante espectrofotometría visible.

Discusión Este estudio se realizó con la finalidad de encontrar un método que brindara resultados más exactos, precisos y confiables, el cual pudiese ser una alternativa al método utilizado actualmente con papel filtro, especificado en la Recomendación AMAAC 05/2008, basada en la norma M-MMP-4-04-014/09 de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, debido a que los resultados de dicho método son subjetivos y no siempre son reflejo de lo que sucede en campo al realizar mezclas asfálticas. Se realizó una comparación de resultados entre los fillers antes mencionados, así como de fillers de otros bancos utilizando tanto el método espectrofotométrico y el del papel filtro, como se observa en la tabla 2.

Filler Banco CU Banco Chapala Banco San Martín Banco Cerritos Banco GAT Banco GAR

mg AM / filler Método innovador 70.55 15.09 17.78 3.76 >94.55 >94.55

mg AM / filler Método clásico 72 17 20 4 34 32

Diferencia (%) 2.06 12.69 12.52 6.38 >64.04 >66.16

Tabla 2. Comparación de resultados de la prueba de azul de metileno para diversos fillers obtenidos mediante el método innovador y el clásico

Puede observarse que sólo en el caso del filler correspondiente al Banco CU, los resultados de ambos métodos son iguales, sin embargo para los demás fillers los resultados obtenidos por el método clásico difieren con respecto al innovador hasta mayor a un 66%, mostrando que el método espectrofotométrico es más confiable y exacto que el método del papel filtro. Esta diferencia tan grande en el caso de los Bancos GAT y GAR puede explicarse debido a que en el método innovador se utiliza una solución de azul de metileno muy diluido, garantizando la presencia de monómeros y dímeros del colorante que son sorbidos por un filler que tiene una superficie específica extensa y poros relativamente pequeños hasta lograr su saturación interna y superficial, a diferencia de el método clásico en el cual se utiliza una solución muy concentrada de azul de metileno favoreciendo la aglomeración o formación de complejos entre las moléculas del colorante que son sorbidos por el mismo filler y que pueden formar multicapas alrededor de éste, incluso superando su capacidad de sorción. El método analítico innovador permite calcular la concentración de azul de metileno remanente en la solución después de haber transcurrido un determinado tiempo y se compara con la concentración inicial, previa a la incorporación del filler. Por diferencia de concentraciones se calcula la cantidad, en miligramos, de AM adsorbido por cada gramo de filler y se obtiene su capacidad de sorción. En cambio en el método del papel filtro se debe esperar que se forme un halo de color azul y que sea estable conforme transcurre el tiempo al aplicar una gota de la solución de AM en el papel filtro y su interpretación puede ser subjetiva, ya que depende del criterio del analista.

Conclusiones Se desarrolló un nuevo método analítico para determinar la capacidad de sorción de azul de metileno en fillers utilizados para mezclas asfálticas, basado en el principio de espectrofotometría visible, estableciendo las siguientes condiciones: 100 ml de una solución de azul de metileno, 0,1 g de filler, 1 hora de agitación, dilución y centrifugación de muestras y lectura a una longitud de onda de 664 nm. La determinación de la capacidad de absorción de azul de metileno mediante espectrofotometría visible garantiza ser un método eficaz y necesario para determinar la reactividad de los fillers utilizados en mezclas asfálticas, debido a su sencillez, rapidez y confiabilidad. Este método pretende ser una alternativa al método del papel filtro debido a que en la industria del asfalto es una necesidad tener valores más exactos que sean reflejo de lo que sucede en aplicaciones de campo. REFERENCIAS Turkoz M. and Tosun H. 2011. The use of methylene blue test for predicting swell parameters of natural clay soils. Scientific Research and Essays. Vol 6, p. 1780-1792 Solaimanian M., Harvey J., Tahmoressi M., and Tandon V. 2003. Test methods to predict moisture sensitivity of hot-mix asphalt pavements. Moisture Sensitivity of Asphalt Pavements - A National Seminar, p. 77-110. Transportation Reasearch Board. San Diego, California. Chiappone A., Marello S., Scavia C. and Setti M. 2004. Clay mineral characterization through the methylene blue test: comparison with other experimental techniques and applications of the method. Canadian Geotechnical Journal. Vol. 41, Number 6, p. 1168-1178 Bergmann, K. and O'Konski, C. T. 1963. A spectroscopic study of methylene blue monomer, dimer, and complexes with montmorillonite. J. Phys. Chem. 67, 2169-2177. Secretaría de Comunicaciones y Transporte, 2009. M-MMP-4-04-014/09. Azul de metileno de materiales pétreos para mezclas asfálticas. A. Gürses, Ç. Dogar, M. Yalçin. 2005. The adsorption kinetics of the cationic dye, methylene blue, onto clay. Ataturk University. Erzurum, Turkey.

Nanotecnología para asfalto

INFORMACION CONFIDENCIAL

Índice 1.  Posicionamiento del producto 2.  Funcionamiento 3.  Ventajas en su uso normal 4.  Aplicación en mezclas especiales 5.  Aplicación en riegos de imprimación y liga

INFORMACION CONFIDENCIAL

¿Qué es Zycotherm? •  •  •  • 

Organosilano - Nanomaterial de 5nm Dosificación 0.05-0.1% de ligante Enlace covalente con el árido (Si-O-Si) Segunda generación:

INFORMACION CONFIDENCIAL

Composición del ligante La microestructura de asfalto es una asociación tridimensional de “Asfaltenos” polares(5- 15%), dispersos en “Maltenos” no polares (85-95%)

INFORMACION CONFIDENCIAL

Funcionamiento de Zycotherm Fase 1. Mezcla en el betún El organosilano produce una micelación de los asfaltenos, disminuyendo la tensión interfacial y mejorando la trabajabilidad. Fase 2. El contacto con el árido. El organosilano arrastra a los asfaltenos y los pega a la superficie del árido, al tiempo que cubre los grupos silanol con superficies afines al betún.

INFORMACION CONFIDENCIAL

Fase 1. En el ligante

Muestra

Viscosidad Pa S

Muestra

G* kPa

Ángu lo Fase

G*/ Sin δ kPa

Control

0.470

Zycosoil (0.05 %)

0.468

Control

1.44

86.4

1.44

Zycosoil (0.1 %)

0.458

Zycosoil (0.05 %)

1.56

86.4

1.57

Zycosoil (0.1 %)

1.55

86.4

1.55

INFORMACION CONFIDENCIAL

Especific ación

> 1.00 kPa

Fase 2. Contacto en el árido

INFORMACION CONFIDENCIAL

Interacción árido-ligante

INFORMACION CONFIDENCIAL

Ventajas

INFORMACION CONFIDENCIAL

Mejora en Fabricación

INFORMACION CONFIDENCIAL

Mejora en puesta en obra

INFORMACION CONFIDENCIAL

Mejora especificación

INFORMACION CONFIDENCIAL

Comportamiento en laboratorio

INFORMACION CONFIDENCIAL

Compactación

INFORMACION CONFIDENCIAL

Adhesividad

INFORMACION CONFIDENCIAL

Rigidez

Zycotherm

Zycotherm -0.3% ligante

+ 35.1% INFORMACION CONFIDENCIAL

Tracción indirecta Zycotherm

+ 12.5%

INFORMACION CONFIDENCIAL

Zycotherm -0.3% ligante

+ 18.5%

Aplicaciones

INFORMACION CONFIDENCIAL

Optimizador de asfalto Ahorro en fabricación

Ahorro en puesta en obra

Ahorro de Ligante

Mayor duración Asfalto Optimizado

INFORMACION CONFIDENCIAL

Optimizador de asfalto •  Reducciones de coste en el ligante –  Menos ligante + zycotherm = 0.6$/Tn Mezcla 1: 6% ligante * 600$ = 36$/Tn Mezcla 2: 5.7% ligante * 622$ = 35.4$/Tn

MAS POR MENOS

INFORMACION CONFIDENCIAL

Optimizador de asfalto

INFORMACION CONFIDENCIAL

Temperaturas •  Extensión de la temporada de asfalto: –  Asfalto con densidad, sin choque térmico –  Sin juntas en invierno (hasta 4 horas de trabajabilidad)

•  Mejora del radio de alcance de la planta: –  Compactación hasta 90ºC INFORMACION CONFIDENCIAL

Invierno

INFORMACION CONFIDENCIAL

Mejora medio ambiental/coste •  Incremento de pavimento fresado (RAP) –  Resuelve el problema de envuelta –  Resuelve transferencia de calor

•  Mezclas semicalientes (tibias) –  La cuestión del agregado a 120ºC –  Mejor manejabilidad y densidad sin comprometer la resistencia a la rodada INFORMACION CONFIDENCIAL

Imágenes de Fabricación Mezcla tibia a 130ºC

RAP 25% en planta batch

INFORMACION CONFIDENCIAL

Izquierdo WMA-Derecho RAP

Mezcla tibia a 130ºC

RAP 25% en planta batch

INFORMACION CONFIDENCIAL

Mezclas especiales •  •  •  •  •  • 

SMA: Mejora de dispersión de fibras Aeropuertos Mezcla en capa fina, sin shock térmico Mezclas modificadas con polímeros Mezclas modificadas con caucho Etc…

INFORMACION CONFIDENCIAL

Riegos de imprimación/liga

INFORMACION CONFIDENCIAL

Problemas •  •  •  •  • 

Cobertura Penetración Consumo de ligante Transferencia a la rueda Tiempo de rotura

INFORMACION CONFIDENCIAL

Organosilano en emulsión

INFORMACION CONFIDENCIAL

Condiciones de aplicación •  •  •  • 

Emulsión diluida en 20 partes de agua Temperatura ambiente Por gravedad Sin transferencia a neumático en 20 minutos

INFORMACION CONFIDENCIAL

Condición de aplicación

INFORMACION CONFIDENCIAL

Muchas gracias por su atención

INFORMACION CONFIDENCIAL

Overview • Fiber reinforcement in pavement • Conventional fibers (polypropylene, polyester, cellulose and nylon) • Interaction mechanisms between fiber and cement • The “nano” in concrete technology

• Electrospinning

Introduction Why fibers? Fiber-Reinforced Asphalt Materials (FRAM)  Provide additional strength  Increase the amount of energy that can be absorbed  Reduce draindown of asphalt mixture

Blending asphalt with fibers Application levels depend on:

• Absorption area • Surface area*

• Morphology of the fibers Fiber length

Crack barrier

Conventional fibers • Polypropylene • Polyester • Cellulose • Nylon

Polypropylene • Extensively studied as reinforcing agents in concrete • A three dimensional reinforcement network

• Tougher and durable concrete • Protocol has been proposed by the Ohio State Department of Transportation (ODOT)

Polyester • BoniFibersTM polyester fibers manufactured and supplied to blend with asphalt • A uniform distribution of BoniFibers was observed in the mix for a fiber length of 6mm • BoniFibersTM have higher fiber melting point than polypropylene fibers • Issue: inherent compatibility with hot asphalt binder

Polyester • BoniFibersTM polyester fibers manufactured and supplied to blend with asphalt • A uniform distribution of BoniFibers was observed in the mix for a fiber length of 6mm • BoniFibersTM have higher fiber melting point than polypropylene fibers • Issue: inherent compatibility with hot asphalt binder

Cellulose • Incorporation of cellulose fibers when applied to the mixture causes an increase in the asphalt content • Bleeding of the binder drastically decreases • Belgian roads: modified samples exhibited the same drainage quality over six months contrary to the untreated ones

Cellulose • Incorporation of cellulose fibers when applied to the mixture causes an increase in the asphalt content • Bleeding of the binder drastically decreases • Belgian roads: modified samples exhibited the same drainage quality over six months contrary to the untreated ones

lose and recycled asphalt concrete (R. The incorporation of cellulose fibers into the mixing process: Improvement in the performance of RAC Resistance to rutting Moisture susceptibility Durability

Nylon • The influence of fibers on the fatigue cracking resistance of asphalt concrete was investigated

• The single pull-out test and the indirect tension strength test was selected (Joon et al., 2005)

Nylon Two lengths of 6 and 12mm were selected

Fig. @ Relationship between fiber composite asphalt and fracture energy

Interaction mechanisms between f The reinforcing function of fibers is influenced by two factors: Load transfer from the matrix to the fibers Bringing effect of the fibers across the matrix cracks

Interaction mechanisms between fiber and cement

Fig. @ Pull-out geometry to simulate fiber-matrix interaction asphalt fiber

The effect of fiber length on the co • Contribution of short fibers to the mechanical properties is lower than that of long fibers oriented parallel to the load Lc is the critical fiber length

• If L
The effect of fiber length on the co • Contribution of short fibers to the mechanical properties is lower than that of long fibers oriented parallel to the load Lc is the critical fiber length

• If L
The effect of critical fiber volume f Failure strain fiber > Failure stress matrix

Matrix cracks

OR

Fibers carry the load Composite fails

The effect of critical fiber volume f Failure strain fiber > Failure stress matrix

Matrix cracks

OR

Fibers carry the load Composite fails

Nanoscience in concrete technolog Measurement Nanotechnology

Characterization

Performance Why all this fuss? Goal: new generation of tailored cementitious composites

multifunctional

Properties for novel composites Low electrical resistivity Self-sensing capabilities Self-cleaning

Self-healing High ductility Self-control of cracks

Nanoparticles

Nanotubes

Nanofibers

Carbon nanofiber and cement tech Incorporation of carbon nanofiber into silica fume cement

Chang et al. Smart Mater. Struct. 18 (2009) 127001

Carbon nanofiber and cement tech Incorporation of carbon nanofiber into silica fume cement

Chang et al. Smart Mater. Struct. 18 (2009) 127001

Carbon nanofiber and cement tech Incorporation of carbon nanofiber into silica fume cement

Chang et al. Smart Mater. Struct. 18 (2009) 127001

Carbon nanofiber and cement tech Incorporation of carbon nanofiber into silica fume cement

Chang et al. Smart Mater. Struct. 18 (2009) 127001

Carbon nanofiber and cement technology At 2 wt% CNF application levels, the total volume of accessible pores was reduced • CNFs obstructed the pores ball-like structures Chang et al. Smart Mater. Struct. 18 (2009)

Carbon nanofiber for self-healing concrete Salting roads

economic effective

Deicing roads Damages vegetation

Saline pollution

Decreases aeration Increases salt concentrations in water

Carbon nanofiber for self-healing concrete Salting roads

Corrosion of steel reinforcement

Estimated cost between $50 and $200 million dollars a year

Self-healing concrete A flexible heating element connected to an electrical grid to provide resistive heating capacity has been proposed

Figure @ Mortar sample schematic

Self-healing concrete Concrete compositions containing carbon fiber, fly ash and steel shavings were evaluated Chang et al. Smart Mater. Struct. 18 (2009)

Figure @ Experimental set-up for mortar samples

Self-healing concrete Results: a)Carbon nanofiber can be used effectively as resistive heating element b) surface temperatures reached values above the freezing point (power output of 6W) with CNF c)CNF surface heating is feasible with regard to heating performance and power input

Electrospinning Polymeric fibers with diameter in the range of 50nm to several tens of microns

Figure @ Electrospinning set-up

Electrospinning +++++++++++++++++++++

Syringe Pump

Capillary

d

Voltage

-------------------Grounded Collector

Parallel Plate Assembly

Electrospinning ++++++++++++++++ ++++++++++++++++

F

No Electric Field No Volumetric Flow (Q)

FE

+++++++++++++++++

F

Dripping Mode FE > F 

++++++++++++++++

++++++++++++++++

Whipping Mode FE >>> F 

Spraying Mode FE >>> F 

Taylor Cones

Stable Mode FE >> F 

E Q = constant

Electrospinning Advantages:  High surface area to mass ratio  Small pore size  High porosity

Controlling Electrospinning Parameters  Electric field  Polymer viscosity

 Conductivity  Distance between the needle and the collector

Membranes with tailored properties are produced

Electrospinning and its potential in cement industry The addition of electrospun fibers into the cement mixture may provide:

 improved fatigue properties  reduced reflective cracking  increase the permeability and resistance to aging of the mixture  increased number of reactivity sites

Electrospinning and its potential in cement industry Study at a sub-micron scale the effect of nanofibers on fatigue cracking Hydrophilicity or hydrophobicity of the mixture can be modified upon the selection of the polymer/solvent system

Electrospinning of poor spinnable polymers Mills and Hinestroza (2008) examined the manufacture of electrospun nanofibers composed of Polyetherimide (PEI). PEI is a flame retardant compound that cannot be processed into nanofibers with conventional solvents

Polyetherimide

Nanofibers formed from: PEI - GE Ultem 1000

(MW ~ 41,000 g/mol) Ultem 1010 (MW ~ 33,000 g/mol) Testing polymer in good/bad solvent combinations: Dimethylacetamide (DMAc)/Tetrahydrofuran (THF)

DMF/THF

50

100

130

150

180

200

220

9:1

5:1

3:1

2:1

1:1

Mills, Karmann, Hinestroza, J., Electrospinning of PEI nanofibers using bad solvents, M.Sc. Thesis, Cornell University,(2008)

DMF/THF 9:1

Mills, Karmann, Hinestroza, J., Electrospinning of PEI nanofibers using bad solvents, M.Sc. Thesis, Cornell University,(2008)

Rheology modifiers and electrospinning of polymers  Poor or lack of spinnability can be overcome by utilizing rheology modifiers

 Hydrophobically modified associative polymers (HASE)

Controlling Viscosity using Associative Polymers Anionic polymer backbone

•Water soluble polymers with pendant hydrophobes •Intra- and inter-molecular hydrophobic junctions •Increase entanglements and entrap moieties

Hydrophobes

Intramolecular

PEO Spacers

HASE polymer Intermolecular

Polymer structure Methacrylic Acid Ethyl Acrylate H

CH 3 H2C

CH3 CH2

C

CH2

C

O

C

C O

OH

O CH2

x

CH3

C

H 3C C

y

43.57% / 56.21% / 0.22% (mole%)

HASE polymer backbone (anionic)

Macromonomer

NH C O O CH2 H2C O

P = 40; R = C22H45

CH3

P

R z

Hydrophobes

PEO Spacers

4% PEO

4% PEO/0.05% HASE

4%PEO/0.1% HASE

4% PEO/0.08% HASE

4%PEO/0.2% HASE

Conclusions  A brief discussion is provided of potential use of nanofibers as reinforcing material for concrete  Nanotechnology opens a new road concrete technology

 Novel fibers from poor spinnable solutions can be manufactured with tailored properties  Hydrophilicity/hydrophobicity can be manipulated resulting in a “smart” blending mix

¿Alguna pregunta?

Muchas gracias por su attención! Dionysios Vynias www.sci-research.eu [email protected] [email protected] Tel: 00306945017857

Construcción Sostenible de carreteras mediante el uso de Nanomateriales

Antes de empezar

Antes de empezar. •  Definición de Sostenibilidad •  El agua y las carreteras. •  La importancia de la superficie de los materiales. •  La modificación in-situ de la superficie.

Antes de empezar… Sostenibilidad: Reducir el consumo de recursos escasos (asfaltos, material de cantera) y/o alargar el ciclo de vida *

*… a un coste inferior

Agua y las infraestructuras El agua: Un problema milenario para el que existen tres soluciones tradicionales… DRENAJE

DRENAJE

DRENAJE

Modificación de la superficie de los materiales La belleza está en el interior… pero las propiedades están en la superficie. Enrique Miranda, Ingeniero de Caminos

Modificación superficial con Organosilanos

Contenido •  Organosilanos solubles en agua •  Propiedades del “nuevo” material •  Ingeniería con el “nuevo” material –  Ensayos –  Diseños

•  Modo de aplicación •  Combinación con otros materiales •  Ejemplos de aplicación

La magia de la nanotecnología… … Es crear suelos insensibles al agua a partir del material original, en condiciones de obra… (y barato)

Y ahora… el truco El organosilano es una molécula de 5nm que: Reacciona químicamente para formar parte PERMANENTE del material modificando su superficie.

El OptimaSuelo

Suelo original

Proceso Reactivo

Optima suelo

Propiedades del “nuevo” material •  No absorbe el agua •  Reduce la permeabilidad •  Es transpirable (se seca) •  Elimina la expansividad •  Aumenta la fricción entre partículas

Evolución con el tiempo

Humedad óptima de compactación

Reducción de la humedad

Evaporación sin posibilidad de condensación Fricción entre partículas

Tiempo

Seco en sentido químico

Evolución con el tiempo Suelo CBR= 7 OptimaSuelo @ 15 días = CBR 48

Ingeniería con suelos modificados

Ingeniería con el “nuevo” material La ingeniería se realiza en base a parámetros tales como CBR, UCS, Fatiga, Permeabilidad, ….

Material

Ensayos

Diseños

Los ensayos se hacen en un momento determinado del tiempo

CBR (capacidad portante)

OS1

OS2 OS4

OS3 S3 S1

S2

S4

Hinchamiento y absorción

3.8%

1.8%

Compresión no confinada (UCS)

Resistencia a la fatiga 2 semanas: sin tratar = 2 ciclos S (0.5) = 200 ciclos S(0.3) = 791 ciclos S(0.2) = 1.098 ciclos Suelo sin tratar: 2 ciclos

Diseños

Diseño de pavimentos •  El aumento de módulo resiliencia y el aumento del coeficiente de permeabilidad permiten reducir espesores. 160 mm 270 mm 200 mm

Subrasante Granular

Sub base Aglomerado

Total 630 mm

Modificación de suelos Reducción de 50 mm de aglomerado Reducción de 140 mm de base granular 110 mm 130 mm 350 mm

Suelo

Explanada

Total 590 mm

Modo de Aplicación

Estabilización in-situ

Estabilización in-situ

Estabilización in-situ

5. RIEGO DE SELLADO

Combinación con productos

Combinación con otros materiales •  El “nuevo” suelo se puede combinar con otros productos: –  Polímeros –  Cemento –  Etc…

•  Aún queda mucho trabajo por hacer…

Suelo marginal + 1% cemento 51,4

2,4

Ejemplos de aplicación

Autovía en Angola

Vias terciaria en Perú

Termosolar en España

Aeropuerto en Nigeria •  Aeropuerto ENUGU, Nigeria Soil surface leveling

Spraying

Untreated compacted soil layer

Waterproofing confirmation

Contacto

Gracias por su atención Información adicional: www.estabilizaciondesuelos.com www.optimasoil.com [email protected]

EVOLUCIÓN DEL GRADO PG EN LA CARACTERIZACIÓN DE ASFALTOS.

Ing. Israel Sandoval Navarro LASFALTO S. de R.L. de C.V.

Ing. Ignacio Cremades Ibáñez Lic. Fernando Mazin Cristo SURFAX S.A. de C.V.

Ing. Edgar Ruiz Téc. Ramón Reynoso Téc. Ignacio Ramírez Téc. Miguel Alvarado Téc. Daniela Alcántara LASFALTO S. de R.L. de C.V.

Sandoval / Cremades EVOLUCIÓN DEL GRADO PG EN LA CARACTERIZACIÓN DE ASFALTOS.

RESUMEN

Las metodologías para la caracterización de asfaltos para pavimentos, han intentado predecir, mediante diversos parámetros, el desempeño que éste tendrá en campo. Para no ir muy atrás en el tiempo, se comenzó con las pruebas empíricas como penetración, reblandecimiento, recuperación elástica por torsión o ductilómetro, entre otras. Posteriormente se implementaron pruebas y equipos más sofisticados como viscosímetros rotacionales y reómetros de corte dinámico, mediante los cuales se evalúan las propiedades reológicas del asfalto (propiedades fundamentales de los materiales), que predicen de manera más exacta, obteniendo resultados más confiables en cuanto al desempeño que éste tendrá en la mezcla y como consecuencia, en su comportamiento en el pavimento (como estructura íntegra). * Actualmente en México, el parámetro G

es empleado para medir la resistencia de los sen asfaltos a la deformación permanente. Éste parámetro es parte de la clasificación de grado PG (Perfomance Grade), desarrollada en Estados Unidos por la FHWA (Federal Highway Administration) bajo el programa SHARP (Strategic Highway Research Program). G*

ha evolucionado a un nuevo parámetro: "Jnr " (Non Recoverable Creep Compliance), sen que a su vez deriva de una prueba de MSCR (Multi Stress Creep and Recovery), la cual simula de mejor manera las condiciones de trabajo a las que el asfalto será sometido en el pavimento, haciendo énfasis en la resistencia a la deformación permanente. Esta metodología simula mejor el mecanismo de falla, siendo ciega a la naturaleza del asfalto, es decir, que un asfalto podrá ser aceptado siempre y cuando cumpla con las exigencias que han sido definidas para fines de garantizar la vida útil del proyecto. Adicionalmente se propone una clasificación por niveles de tráfico, así, un asfalto será seleccionado dependiendo de las condiciones del clima y del número de ejes equivalentes considerados en el proyecto. * En el presente trabajo se evalúan diferentes asfaltos mediante G

y Jnr, se determina su sen clasificación bajo estos dos métodos y las condiciones de tráfico para las cuales podrían trabajar adecuadamente en el pavimento.

3

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos INTRODUCCIÓN

La clasificación de asfaltos por grado PG ha tomado gran importancia en México en los últimos años, además de ser parte del protocolo AMAAC, procedimiento de diseño de pavimentos de alto desempeño. Es bien sabido que la metodología para clasificación de asfaltos por grado PG presenta algunas debilidades, ya que no permite discernir entre asfaltos que, aunque cumplen con el grado PG, no tendrán un buen desempeño en el pavimento en términos de su vida útil. Los asfaltos pueden ser endurecidos con productos que les permiten pasar el grado PG, pero que no por ello mejoran sus propiedades para un buen desempeño en el pavimento y peor aún, pueden generar asfaltos frágiles propensos al agrietamiento prematuro. En Estados Unidos, país en donde se originó e implementó la clasificación por grado PG, se ha evolucionado a técnicas mejoradas como la PG Plus con la intención de evitar el uso de asfaltos “endurecidos”. Dicha técnica exige que, no solo se solicite un grado PG para el asfalto, sino que adicionalmente se realice una prueba de recuperación elástica por ductilómetro. Recientemente en los Estados Unidos, se ha incorporado el parámetro “Jnr” con la finalidad de reforzar el grado PG, ya que predice de mejor forma el comportamiento futuro del asfalto en el pavimento. En México se ha vuelto relativamente común encontrar licitaciones en donde se combinan dos tipos de especificación a cumplir por el asfalto. Lo anterior ocurre posiblemente por tratar de asegurar el buen desempeño del mismo y evitar la utilización de asfaltos “endurecidos”. El uso combinado de la especificación de grado PG N-CMT-4-05-004/08 (tabla 2) y la especificación de asfalto “tipo” N-CMT-4-05-002/06 (tabla1), ha generado confusiones entre los usuarios de la norma, encareciendo además el análisis de los asfaltos (por tener que llevar a cabo más pruebas) y también afecta el ritmo de avance de la obra (por el tiempo que éstas implican).

No. de Pruebas Tiempo

Grado PG (N-CMT-4-05-004/08)

Asfaltos “Tipo” (N-CMT-4-05-002/06)

Combinación de especificaciones

8

16

24

“X”

“Y”

“X” + “Y”

Más adelante nos referiremos al beneficio del cálculo con “Jnr”

Con la finalidad de mejorar la exactitud para predecir el desempeño futuro del asfalto en un pavimento y que éste cumpla con la vida útil diseñada para el mismo, “Jnr” (Non-recoverable Creep Compliance) existe como un parámetro efectivo y probado.

4

Sandoval / Cremades “Jnr” es la deformación no recuperable (deformación permanente) generada al aplicar una unidad de esfuerzo. Este valor es calculado de la siguiente manera:

J nr 

Deformación _ no _ recuperada Esfuerzo _ aplicado

“A menor Jnr, menor será la deformación permanente al aplicar una carga”. Este parámetro se calcula a partir de los datos obtenidos de la prueba de MSCR. Además, se cuenta con la ventaja de que en la actualidad, la mayoría de los reómetros empleados para asfaltos pueden calcular “Jnr” de forma automática. La prueba MSCR se lleva a cabo en la misma pastilla de asfalto RTFO con la que se determinó G*/senδ, a la misma temperatura PG exigida por el proyecto. También se logra eficiencia en el tiempo de la obtención de los resultados de la prueba, ya que solo tarda 30 minutos adicionales como máximo.

No. de Pruebas Tiempo

Grado PG (N-CMT-4-05-004/08)

MSCR - Jnr

PG + Jnr

8

1

9

“X”

30 minutos

“X” + 30 min.

El uso de la clasificación por grado PG en conjunto con “Jnr”, reduce el número de pruebas a realizar, tomando como base la combinación de especificaciones antes mencionada, disminuye el tiempo y el costo de estos análisis y lo más importante, ofrece información mucho más valiosa ya que permite evaluar las siguientes propiedades del asfalto:      

Deformación permanente generada por unidad de esfuerzo. Respuesta elástica. Dependencia del comportamiento a diferentes niveles de esfuerzo. Memoria elástica. Capacidad elástica real. Deformación total acumulada después de 20 ciclos.

Éste conjunto de propiedades permite, a partir de las condiciones climatológicas existente en la zona del proyecto y del número de ejes equivalentes considerados para el mismo, seleccionar asfaltos óptimos. A continuación se expone de forma detallada la metodología de MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery), a partir del cual se calcula “Jnr“. Es importante recordar que esta prueba se corre en la pastilla de asfalto RTFO en la que se determino G*/senδ y a la misma temperatura

5

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos por lo que no hay que manipular la muestra, requiriendo solo de un minuto de reposo antes de que inicie la prueba MSCR.

PRUEBA DE CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO, MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery). Dicha prueba de MSCR consiste en: 1. Aplicar a un material un esfuerzo constante por un periodo de tiempo, causando con esto una deformación (Creep). 2. Se detiene la aplicación del esfuerzo y se deja que la estructura del material se recupere libremente de la deformación causada con el esfuerzo aplicado (Recovery). 3. Este ciclo (Creep – Recovery) se repite diez veces a un esfuerzo establecido. 4. Se repite el mismo proceso (inciso 1 a 3 anterior) a un esfuerzo superior. A continuación se describe a detalle el protocolo de MSCR: Condiciones de la prueba:  El ensayo se realiza en la misma pastilla que se determino G*/senδ (Asfalto RTFO), (platos paralelos de 25.0 mm de diámetro y 1.0 mm de “gap”).  La temperatura de prueba es la que se establezca en el proyecto: o Ejemplo (1): grado de desempeño PG76-XX, la prueba MSCR se realiza a 76°C. o Ejemplo (2): si se analiza un asfalto PG64-XX, la prueba debe realizarse a 64°C.  La muestra debe permanecer en reposo a la temperatura de prueba por lo menos un minuto antes correr el MSCR.  Se aplica un esfuerzo constante de 100 Pa durante 1.0 segundo (Creep). El esfuerzo máximo se alcanza en aproximadamente 0.02 segundos.  El lapso de recuperación es de 9.0 segundos a esfuerzo cero (Recovery).  Se llevan a cabo 10 ciclos a 100 Pa.  Se aplica un esfuerzo constante de 3200 Pa durante 1.0 segundo (Creep). El esfuerzo máximo se alcanza en aproximadamente 0.02 segundos.  Se llevan a cabo 10 ciclos a 3200 Pa. Es muy importante resaltar, que durante el periodo “recovery”, el reómetro de corte dinámico no realiza otra acción más que la de medir la respuesta del asfalto, por lo que las mediciones en el segmento de recuperación, dependen totalmente de la “memoria elástica” del asfalto. Esto no ocurre en la metodología actual para determinar G*/senδ en la que el reómetro se encarga de regresar el material a la posición original.

6

Sandoval / Cremades

strain 20 Ciclo Creep-Recovery 10 seg.

18 16 creep 1.0 seg

14

% Strain

12 10 Recovery 9.0 seg.

8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

Tiempo global (seg.)

Fig. 1- Ciclo Creep-Recovery, 1.0 seg. a esfuerzo constante en el paso creep y 9.0 seg. en el segmento de recuperación a esfuerzo cero. La prueba de creep-recovery permite medir la memoria elástica del material. strain 20 Deformacion total causada a esfuerzo 100 o 3200

18 16 Deformacion Recuperada

14

% Strain

12 10 8 6

Deformacion Permanente

4 2 0 0

2

4

6

8

10

Tiempo global (seg.)

Fig.2- Deformación causada durante el segmento Creep. Deformación recuperada durante el periodo de Recovery. Deformación permanente o No recuperable, durante un ciclo CreepRecovery. (%Strain= porcentaje de deformación.)

7

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos

strain 5000

4000

% Strain

3000

2000

Esfuerzo en Creep 100 Pa

1000

0

Esfuerzo en Creep 3200 Pa

0

50

100

150

200

Tiempo global (seg.)

Fig. 3- Ciclos Creep-Recovery a 100 Pa y, ciclos Creep-Recovery a 3200 Pa. Al aplicar dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa, se puede evaluar la dependencia de la capacidad elástica del asfalto ante el esfuerzo de corte. La diferencia entre el comportamiento elástico del asfalto a los dos niveles de esfuerzo, junto con la deformación total alcanzada al final de la prueba, dan información sobre la estabilidad y fuerza de la estructura del asfalto. 100 Pa 3200 Pa

Deformación recuperada

1000

Deformación No recuperada

% Strain

100 Deformación recuperada

10

Deformación No recuperada

0

20

40

60

80

100

Tiempo (seg)

Fig.4- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto con estructura débil. 8

Sandoval / Cremades

100 Pa 3200 Pa Deformación recuperada

100 Deformación

% Strain

No recuperada

10 Deformación recuperada

Deformación No recuperada

1

0

20

40

60

80

100

Tiempo (seg)

Fig.5- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto con estructura fuerte. En la figura 4 se presenta la prueba Creep-Recovery de un asfalto con estructura débil, con baja respuesta elástica en la fase de 100 Pa, el mismo comportamiento se observa a 3200 Pa. Esto indica que la estructura del asfalto no es capaz de soportar el aumento en el esfuerzo aplicado. Se observa una acumulación de deformaciones importante. En la figura 5, en cambio, se presenta un asfalto con una estructura fuerte, la respuesta elástica en la fase de 100 Pa es alta. Así mismo la respuesta elástica a 3200 Pa también es elevada. Se observa claramente que la diferencia entre las respuestas elásticas en los dos niveles de esfuerzos 100 y 3200 Pa es pequeña, lo que indica que su estructura es resistente y no se ve afectada en gran medida por el aumento de esfuerzo y las deformaciones repetidas. La prueba se llevo a cabo a las mismas condiciones (temperatura, tiempo, ciclos, esfuerzos etc.) para los dos asfaltos de las figuras 4 y 5.

Análisis de datos. En cada ciclo Creep-Recovery es necesario registrar cada uno de los siguientes parámetros:

ε0 Valor inicial para la deformación en el principio del segmento Creep para cada ciclo. εc Valor de la deformación al final del segmento Creep para cada ciclo. ε1 Valor de la deformación total causada durante el segmento Creep de cada ciclo, calculado como εc- ε0 .

9

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos

εr Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, es la deformación total acumulada hasta este ciclo. ε10 Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, calculado como εr- ε0 , es la deformación no recuperada en cada ciclo. strain 24



22

c

20 18 16

Recovery

% Strain

14 12 10



8

Creep

6



4

 r

2 0



-2



-4 -4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Tiempo global (seg.)

Fig. 6-Datos a registrar en un ciclo Creep-Recovery.

Cálculos para obtener respuesta elástica: La respuesta elástica para cada uno de los ciclos a 100 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

RE 100, N  

 1   10  100 1

De igual manera la respuesta elástica para cada uno de los ciclos a 3200 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

RE 3200, N  

 1   10  100 1

Con estos resultados se calcula el promedio de las respuestas elásticas (RE) para los dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa, según las ecuaciones siguientes:

%RE (100, prom.)  RE 100, N  / 10

N = 1 a 10

%RE (3200, prom.)  RE 3200, N  / 10

N = 1 a 10

10

Sandoval / Cremades El valor absoluto de la diferencia entre los porcentajes de respuesta elástica a 100 y 3200 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación: Rdif (100Pa  3200Pa)  %RE (100, prom.)  %RE (3200, prom.)

 El valor obtenido muestra la susceptibilidad de la respuesta elástica a la variación del esfuerzo aplicado.  Un valor elevado en la susceptibilidad de la respuesta elástica al nivel de esfuerzo, indica debilidad en la estructura del asfalto.

Cálculos para Jnr (Non-Recoverable Creep Compliance) Para cada uno de los ciclos a 100 Pa es posible calcular Jnr,100 como sigue:

J nr,100 100, N  

 10 100

De igual forma para cada uno de los ciclos a 3200 Pa es posible calcular Jnr3200 como sigue:

J nr,32003200, N  

 10 3200

Con estos resultados se calcula el promedio de Jnr para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa. J nr,100 (100, prom.)  J nr,100 100, N  / 10 J nr,3200(3200, prom.)  J nr,32003200, N  / 10

N = 1 a 10 N = 1 a 10

Diferencia en porcentaje entre Jnr a 100 y 3200 Pa

Jnrdif (100 Pa  3200 Pa ) 

J nr,3200(3200, prom.)  J nr,100 (100, prom.) J nr,100 (100, prom.)

 100

Una diferencia grande de “Jnr” entre 100 y 3200 Pa, indica facilidad para acumular deformaciones, ocasionando con ello la formación de roderas en el pavimento. Es importante tomar en cuenta la deformación total acumulada al final de los 20 ciclos. Este dato pone de manifiesto la resistencia del asfalto a la deformación, así como su capacidad de recuperarse ante las deformaciones.

11

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos

20000

Asfalto con estructura debil y baja recuperación elástica

% Strain

% Strain

15000

10000

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10

Primeros 10 ciclos 100 Pa

0

20

40

60

80

100

Tiempo global (seg)

5000

Asfalto con estructura fuerte y alta recuperación elástica

0 Segundos 10 ciclos 3200 Pa

0

50

100

150

200

Tiempo global (seg)

Fig.7- Deformación total acumulada o deformación permanente. “Jnr” como herramienta para el diseño de pavimentos Como se explicó anteriormente, “Jnr” funciona en conjunto con la metodología actual de grado PG. El asfalto se selecciona de acuerdo al clima, tal y como lo designa el procedimiento de Superpave y a éste se le suma la variable del tráfico (número de ejes equivalentes) contemplado en el proyecto, de acuerdo a los siguientes niveles:

Temperatura

Seleccionada de acuerdo al mapa de regiones geográficas (zonas por clima)

Grado

“Jnr,3200”

No cumple

>4

< 3 millones

Estándar (S)

2a4

≥0

> 3 < 10 millones

Pesado (H)

1a2

≥25

> 10 < 30 millones

Muy pesado (V)

0,5 a 1

≥30

> 30 millones

Extremo (E)

≥ 0,5

≥40

Intensidad de tráfico (en ejes equivalentes)

RE3200: Respuesta elástica a 3200Pa.

12

RE3200 (%)

Sandoval / Cremades Entonces:  Si por clima se requiere un asfalto PG 70-22 y el tráfico esperado es mayor que diez pero menor que 30 millones de ejes equivalentes, el asfalto deberá cumplir un valor de “Jnr” entre 1,0 y 0,5 y por lo tanto, se clasificará como un PG 70-22V. A continuación se presentan las posibles variantes, dependiendo del nivel de tráfico contemplado en el diseño. Para este ejemplo: Ejemplo de clasificación por intensidad de tráfico para un PG 70-22 70-22 S Tráfico Estándar

70-22 H Tráfico Pesado

70-22 V Tráfico Muy Pesado

70-22 E Tráfico Extremo

De tal manera que la selección de un asfalto para un proyecto determinado va direccionada tanto por el clima como por los ejes equivalentes.

PARTE EXPERIMENTAL

Para la realización de este estudio se emplearon cinco asfaltos diferentes. Este parámetro es “ciego” ante:  El proceso de producción por el cual ha pasado el asfalto.  Los productos que se han empleado para producirlo. Estos asfaltos se identificaron como “A”, “B”, “C”, “D” y “F” y solo se hace referencia a ciertas características empíricas y a su desempeño. Además, se presentan los resultados de varios

13

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos asfaltos que se comercializan en México, para establecer una idea sobre el valor de “Jnr” que presentan. Todos estos asfaltos fueron clasificados como PG76-16, excepto el “A” que es PG64-16. Presentaron los siguientes resultados (se muestran los más relevantes):

Asfalto

PG

Ángulo de fase (RTFO) a PG

Recuperación elástica Torsión

Ductilómetro

A

64-16

76,91

6

4

B

76-16

58,40

53

63

C

76-16

75,34

29

20

D

76-16

68,79

12

8

F

76-16

66,70

54

73

ANÁLISIS EMPÍRICO Se realizo un análisis empírico a todas las muestras, que incluye las siguientes pruebas: Prueba

Método M-MMP-4-05-006/00 SCT M-MMP-4-05-006/00 SCT M-MMP-4-05-009/00 SCT M-MMP-4-05-024/02 SCT M-MMP-4-05-026/02 SCT M-MMP-4-05-023/02 SCT M-MMP-4-05-005/02 SCT M-MMP-4-05-010/02 SCT

Penetración a 25°C Penetración a 4°C Punto de Reblandecimiento Recuperación Elástica por Torsión a 25°C Recuperación Elástica por Ductilometro a 25°C Resilencia a 25°C Viscosidad Rotacional a 135°C Pruebas al Residuo de la Película Delgada en RTFO RESULTADOS PRUEBA

A

B

C

D

F

Penetración a 25°C (1/10mm)

51

43

46

45

36

Penetración a 4°C (1/10mm) Reblandecimiento (°C) Rec. Elástica por Torsión 25°C (%)

28 50 6

26 63 53

27 57 29

25 58 12

25 60 54

Resiliencia a 25°C (%) Viscosidad Rotacional 135°C (cps)

2 462

22 1900

18 868

20 903

25 1170

14

Sandoval / Cremades Pérdida de masa por calentamiento (%) Penetración a 25°C (1/10mm)

1,67

1,45

1,60

1,57

1,50

15

20

20

15

15

Penetración a 4°C (1/10mm)

20

10

14

14

12

Reblandecimiento (°C)

57

74

69

70

75

4

63

20

8

73

962

5171

8488

2288

3015

Rec. Elástica por Ductilometro 25°C (%) Viscosidad Rotacional 135°C (cps)

Los resultados del análisis empírico muestran:  Las diferencias existentes entre las muestras de asfaltos analizados, principalmente en las recuperaciones elásticas, por torsión y ductilometro.  Los asfaltos “B” y “F” presentan recuperaciones elásticas altas, a diferencia de los “A”, “C” y “D”, estos presentan recuperaciones elásticas bajas.  El punto de reblandecimiento presenta valores relativamente cercanos.  Otra diferencia notable se encuentra en la viscosidad rotacional, donde los valores más altos representan una mayor resistencia al flujo. Este es un factor importante para estimar la resistencia ante la deformación permanente. Este tipo de análisis sólo da una idea de la consistencia del asfalto, pero no proporciona información sobre el desempeño futuro que tendrá el asfalto en el pavimento.

CLASIFICACIÓN POR GRADO PG Se determinó el grado de desempeño empleando el método SHRP-SUPERPAVE conforme a la metodología AASHTO TP-5 o su homólogo en la normativa Mexicana M-MMP-4-05-025/02: Prueba

Método ASTM D 92 ASTM D 4402 ASTM D 7175 ASTM D 2872 ASTM D 7175 ASTM D 6648

PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND VISCOSIDAD ROTACIONAL MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO [G*/senδ] Y ÁNGULO DE FASE (δ) PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO [G*senδ] RIGIDEZ EN CREEP S(t) Y VALOR m(t)

RESULTADOS PRUEBA PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND (°C) VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm (cP)

A

B

C

D

F

> 260

384

286

297

380

462

1900

868

903

1170

1,51 (64°C)

1,62

1,12

1,30

1,39

84,23 (64°C)

63,76

82,80

78,50

80,65

Análisis al asfalto original MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO A 76°C [G*/senδ] (KPa) ÁNGULO DE FASE (δ) A 76°C (°)

15

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos Análisis del residuo de la prueba de la película delgada RTFO ASTM D 2872 PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163 °C (%)

1,67

1,45

1,60

1,57

1,50

MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO A 76°C [G*/senδ] (KPa)

8,67 (64°C)

4,64

4,48

5,08

6,24

76,91 (64°C)

58,40

75,35

68,79

66,70

ÁNGULO DE FASE (δ) A 76°C (°)

Análisis del residuo de la prueba de envejecimiento a presión PAV ASTM D 6521 MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO 34 °C [G*senδ] (KPa)

3625 (28°C)

1691

1954

1958

1458

RIGIDEZ EN CREEP A -6°C, 60s S(t), (MPa)

96,19

140,65

140,63

95,81

117,77

VALOR m(t) A -6°C, 60s, (adimensional)

0,335

0,307

0,302

0,330

0,328

GRADO

PG64-16

PG76-16 PG76-16 PG76-16 PG76-16

Los resultados de la caracterización por grado PG muestran las diferencias existentes entre los diferentes asfaltos analizados, principalmente en ángulos de fase:  El asfalto “B” presenta los ángulos de fase más bajos, lo cual denota un comportamiento más elástico que los demás asfaltos, así como una mayor resistencia a la deformación y mayor capacidad de recuperarse ante las deformaciones.  De igual forma los asfaltos “B” y “F” presentan las viscosidades más altas, lo que representa mayor resistencia al flujo. Cabe señalar que los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” están clasificados como PG76-16 lo que desde el punto de vista de la clasificación actual de grado PG, se esperaría que presentaran comportamientos similares.

PRUEBA DE CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO, MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery)

Esta metodología se llevó a cabo bajo las siguientes condiciones (ASTM 7405-10):  Se realizaron 20 ciclos Creep-Recovery divididos en dos segmentos de 10 ciclos cada uno: o Primeros 10 ciclos: Se empleo un esfuerzo de 100 Pa con un período de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el período de Recovery (Recuperación).

16

Sandoval / Cremades o Segundos 10 ciclos: Se empleó un esfuerzo de 3200 Pa con un periodo de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el periodo de Recovery (Recuperación).

Cálculos para respuesta elástica: Para cada uno de los ciclos a 100 Pa, se calcula la respuesta elástica como se muestra a continuación:

RE 100, N  

 1   10  100 1

De igual forma, para cada uno de los ciclos a 3200 Pa, se calcula la respuesta elástica como sigue:

RE 3200, N  

 1   10  100 1

Con estos resultados se calcula el promedio de las respuestas (RE) para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa.

% r (100, prom.)   r 100, N  / 10

N = 1 a 10

% r (3200, prom.)   r 3200, N  / 10

N = 1 a 10

Valor absoluto de la diferencia entre los porcentajes de respuesta elástica a 100 y 3200 Pa: Rdif (100Pa  3200Pa)  RE (100, prom.)  RE (3200, prom.)

Cálculos para “Jnr” (Non-Recoverable Creep Compliance) Para cada uno de los ciclos a 100 Pa se calcula “Jnr” como sigue:

Jnr 100, N  

 10 100

De igual forma para cada uno de los ciclos a 3200 Pa se calcula “Jnr” como sigue:

Jnr 3200, N  

17

 10 3200

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos Con estos resultados, se calcula el promedio de “Jnr” para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa.

Jnr (100, prom.)  Jnr 100, N  / 10

N = 1 a 10

Jnr (3200, prom.)  Jnr 3200, N  / 10

N = 1 a 10

Diferencia en porcentaje entre “Jnr” a 100 y 3200 Pa:

Jnrdif (100 Pa  3200 Pa ) 

Jnr (3200, prom.)  Jnr (100, prom.)  100 Jnr (100, prom.)

Además, se toma en cuenta la deformación máxima acumulada después de los 20 ciclos Creep-Recovery. Las pruebas se realizaron a la temperatura de 76 y 82°C para los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” y a 64 y 70°C para el caso “A”.

RESULTADOS: Cálculos para respuesta elástica. En la siguiente sección se presenta un comparativo entre los resultados de respuesta elástica en Creep Repetido, a 100 y 3200 Pa, para los diferentes asfaltos, así como la diferencia entre las respuestas elásticas a estos dos niveles de esfuerzo: Resultados a 76°C Tipo de Asfalto Temp. de

RE

Rdif

a 100 Pa

a 3200 Pa

(100Pa-3200Pa)

(%) 8

(%)

64

(%) 9

B

76

75

72

3

C

76

16

0 (-5)

21

D

76

37

7

30

F

76

21

7

14

Prueba A

RE

RE : Respuesta elástica en Creep Repetido. Rdif : Diferencia entre RE a 100 Pa y RE a 3200 Pa.

18

1

Sandoval / Cremades Resultados a 82°C Tipo de Asfalto Temp. de

RE

Rdif

a 100 Pa

a 3200 Pa

(100Pa-3200Pa)

B

70 82

(%) 2 68

(%) 0 (-5) 59

(%) 7 9

C

82

19

0 (-7)

26

D

82

29

0 (-2)

31

F

82

13

0

13

A

Prueba

RE

RE : Respuesta elástica en Creep Repetido. Rdif : Diferencia entre RE a 100 Pa y RE a 3200 Pa.

Los números negativos indican que al retirar el esfuerzo el asfalto se sigue deformando. Es importante establecer un valor mínimo a la respuesta elástica a 3200 Pa, porque algunos asfaltos pueden presentar buena elasticidad a 100 Pa, pero al aumentar el nivel de esfuerzo, se produce una caída importante en este parámetro (respuesta elástica). La diferencia entre la respuesta elástica a 100 y 3200 Pa, se debe tomar en cuenta porque así se garantiza que la estructura del asfalto es resistente y estable al recibir una carga. La estabilidad puede estimarse basándose en la linealidad de su comportamiento elástico al variar el esfuerzo. Cálculos para Jnr (non-recoverable creep compliance) En la siguiente sección se presenta un comparativo entre los resultados de los diferentes asfaltos, Jnr (non-recoverable creep compliance), a 100 y 3200 Pa, la diferencia entre Jnr a estos dos niveles de esfuerzo, la respuesta elástica y la deformación máxima acumulada. Resultados a 76°C Tipo de Asfalto

Temp. de Prueba

Jnr

Jnr

(%)

RE a 3200 Pa (%)

Deformación máxima acumulada

Jnrdif

a 100 Pa a 3200 Pa (100Pa-3200Pa)

A

64

0,874

1,001

14,55

8

3244

B

76

0,253

0,237

0

72

964

C

76

1,948

5,002

156,70

0 (-5)

16300

D

76

0,645

1,053

63,11

7

3501

F

76

0,974

1,292

32,58

7

4329

Jnr : Creep Compliance. Jnrdif : Diferencia entre Jnr a 100 Pa y Jnr a 3200 Pa. RE: Respuesta elástica. Def. máxima acumulada: Deformación alcanzada al final de los 20 ciclos Creep-Recovery.

19

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos Como se puede apreciar en la tabla anterior:  Los resultados de “Jnr” tienen una directa relación con la deformación acumulada.  A menor valor de “Jnr” , menor es la deformación acumulada.  El asfalto “B” presenta los valores más bajos de “Jnr”. o Al subir el esfuerzo no hay un aumento en “J nr”, lo que representa que este asfalto tiene una estructura muy estable y una gran capacidad para almacenar energía para recuperarse de las deformaciones.  El asfalto “C” a 100 Pa presenta un valor de “Jnr” intermedio. o Al subir el esfuerzo hay un aumento considerable en este parámetro. Esto significa que es un asfalto que acumulará una gran cantidad de deformaciones y tendrá un desempeño pobre en el pavimento.  El asfalto “D” tiene buenos valores de “Jnr” o Con mayor esfuerzo, incrementa el valor de éste parámetro en forma aceptable. o Presenta respuesta elástica pobre.  El asfalto “F” tiene buenos valores de “Jnr” o Responde con un incremento aceptable al subir el esfuerzo. o Presenta una respuesta elástica pobre. Más adelante en éste documento, se determina el nivel de tráfico para el cual son aptos estos asfaltos, ya que son PG76-16, y a esta temperatura se clasifica el nivel de tráfico basado en “Jnr”. No obstante, estos asfaltos fueron sometidos a la prueba de MSCR a 82°C para evaluarlos bajo una mayor exigencia, y así corroborar que de acuerdo a la literatura, deberían “fallar” o al menos, presentar un pobre desempeño. El asfalto “A” se probó a 70°C. Resultados a 82°C Tipo de Asfalto Temp. de

(100Pa-3200Pa) (%)

RE a 3200 Pa (%)

Deformación máxima acumulada

2,783

20,29

0 (-5)

9160

0,535

0,559

4,61

59

2134

82

1,832

8,620

360,72

0 (-7)

28068

D

82

1,426

2,610

83,08

0 (-2)

8644

F

82

2,212

3,013

36,23

0

9987

Prueba

Jnr

Jnr

Jnrdif

a 100 Pa

a 3200 Pa

A

70

2,314

B

82

C

Jnr : Creep Compliance. Jnrdif : Diferencia entre Jnr a 100 Pa y Jnr a 3200 Pa. RE: Respuesta Elástica Def. máxima acumulada : Deformación alcanzada al final de los 20 ciclos Creep-Recovery.

Al subir la temperatura 6°C, el asfalto “B” sigue presentando un comportamiento adecuado y su estructura sigue siendo muy estable. El resto de los asfaltos probados, disminuyeron su desempeño.

20

Sandoval / Cremades A continuación se presentan las gráficas comparativas de los resultados obtenidos en la prueba MSCR con los diferentes asfaltos RTFO. 18000

A B C D F

16000 14000

Deformación (%)

12000 10000

Jnr76 C=5,002 o

8000 6000

Jnr76 C=1,292 o

4000

Jnr76 C=1,053

2000

Jnr64 C=1,001

0

Jnr76 C=0,237

o

o

o

0

50

100

150

200

tiempo global (s)

Fig. 8-Deformación vs tiempo a 76°C (64°C para el asfalto A) y valor de “Jnr”. 28000

Jnr82 C=8,620 o

26000

A B C D F

24000 22000

Deformación (%)

20000 18000 16000 14000 12000

Jnr82 C=3,013 o

10000

Jnr70 C=2,783 o

8000

Jnr82 C=2,610

6000

o

4000 2000

Jnr82 C=0,559 o

0 0

50

100

150

200

tiempo global (s)

Fig. 9-Deformación vs tiempo a 82°C (70°C para el asfalto A) y valor de “Jnr”.

21

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos En los valores graficados de deformación se observa claramente la relación entre “Jnr” y la deformación permanente: a menor “Jnr”, menor deformación permanente. Nivel de tráfico basado en Jnr. No obstante que los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” son iguales bajo el protocolo de PG 76-16, son aptos para condiciones de tráfico diferentes, lo que se confirma a través de su valor “Jnr”: Temperatura

Grado

“Jnr,3200”

No cumple

>4

< 3 millones

Estándar (S)

2a4

≥0

> 3 < 10 millones

Pesado (H)

1a2

≥25

> 10 < 30 millones

Muy pesado (V)

0,5 a 1

≥30

> 30 millones

Extremo (E)

≥ 0,5

≥40

Intensidad de tráfico (en ejes equivalentes)

Seleccionada de acuerdo al mapa de regiones geográficas (zonas por clima)

RE3200: Respuesta elástica a 3200Pa.

GRADO DE DESEMPEÑO PG Y NIVEL DE TRÁFICO.

o

64 C

o

76 C

o

76 C

5

o

76 C

o

76 C No cumple

Jnr3200

4

Estandar

3

2 Estandar

Estandar

Extremo

Estandar Pesado

1 Muy Pesado Extremo

0 A

B

C

D

F

Asfalto

Fig. 10- “Jnr3200” para los asfaltos RTFO. 22

RE3200 (%)

Sandoval / Cremades Dado que los asfaltos “A”, “D” y “F”, presentan Respuestas elásticas bajas, son aptos para tráfico Estandar. Asfalto

PG

Jnr3200

RE a 3200 Pa (%)

Intensidad de tráfico

Grado

A***

PG 64-16

1,001

8

< 3 millones

PG 64-XX S

B*

PG 76-16

0,237

72

> 30 millones

PG 76-XX E

C**

PG 76-16

5,002

0 (-5)

No cumple*

No cumple*

D***

PG 76-16

1,053

7

< 3 millones

PG 76-XX S

F***

PG 76-16

1,292

7

< 3 millones

PG 76-XX S

* El asfalto “B” presenta valores de J nr,3200 y RE3200 adecuados para un tráfico extremo. * *Este asfalto no es apto para trabajar como un PG76-16. Posiblemente a una temperatura más baja, cumpla con éstos parámetros. *** Estos asfaltos aunque tienen valores de J nr3200 “aceptables”, presentan valores de respuesta elástica bajos, por lo que se clasifican como aptos para tráfico estándar.

El asfalto a utilizar en el diseño de un proyecto, se selecciona por criterios de clima y nivel de tráfico. A continuación se presentan los resultados de diferentes asfaltos comerciales, que se utilizan habitualmente en México para la construcción de carreteras:

5

o

76 C

o

76 C

o

64 C

o

o

76 C

76 C

o

64 C

o

82 C

o

82 C No cumple

4

Jnr3200

3

Estandar

2 Pesado

1 Muy Pesado Extremo

0 G

I

J

K

L

M

N

O

Asfalto

Fig. 11- Jnr3200 para Asfaltos comerciales empleados en México (No se toma en cuenta RE3200).

23

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos CONCLUSIONES. 1- Dado que la vida útil de un pavimento asfáltico está directamente relacionada con el número de ejes equivalentes considerados en el diseño de un proyecto, el parámetro “Jnr” se convierte en una herramienta fundamental y determinante para alcanzar dicho objetivo. 2- La metodología de Creep Repetido (MSCR) ofrece información más exacta y por ende, más valiosa, sobre el desempeño esperado de un asfalto en el pavimento. 3- Esta metodología puede evitar el uso de asfaltos “endurecidos” que no tendrán un buen desempeño en el pavimento. Además, podrá disminuir el tiempo y el costo de los análisis, asegurando la selección adecuada de un asfalto dependiendo de las condiciones climatológicas y de tráfico a las que será sometido el pavimento. 4- El parámetro “Jnr” (non-recoverable Creep compliance) determina de manera más exacta y más práctica, la resistencia de un asfalto ante la deformación permanente. 5- En México se dispone del equipamiento para poder llevar a cabo ésta prueba. 6- Los asfaltos comerciales analizados, pueden ser utilizados en diferentes niveles de tráfico, llegando hasta niveles “muy pesado”. No cabe duda que en caso de requerirse asfaltos para tráfico “extremo”, la industria mexicana está en condiciones de proveerlos.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. J. D’Angelo, R. Dongre, G. Reinke, “Evaluation of Repeated Creep and Recovery Test Metod as an alternative to SHRP+ requirements for polymer Modified Asphalt Binders. 2. J. D’ Angelo, R. Kluttz, R. Dongre. K. Stephens, L. Zanzotto., “Revision of the Superpave High Temperature Binder Specification: The Multiple Stress Recovery Test”. 3. D’Angelo, J., Dongre, R., “Development of a High Temperature Performance Based Binder Specification in the United States”. 4. J. de Visscher, H. Soenen, A. Vanelstraete, P.redelius,” A comparision of the Zero Shear Viscosity from Oscillation tests and the Repeated Creep test”. 5. Guidance on the Use of the MSCR Test with the AASHTO M320 Specification Asphalt Institute, Dec. 2010. 6. Cremades I.,Sandoval I., “Caracterización de Asfaltos Mexicanos Mediante Pruebas Empíricas y Estudios Reológicos. III Congreso Mexicano del asfalto, Agosto 2003.

24

Sandoval / Cremades 7. Sandoval I., Cremades I., “Determinación del grado de desempeño del asfalto usando como parámetro de especificación la viscosidad a corte cero”, IV Congreso Mexicano del Asfalto, Agosto 2005. 8. Sandoval I. Cremades I., “Caracterización de asfaltos mediante creep repetido multiesfuerzo en reómetro de corte dinámico”. V Congreso Mexicano del Asfalto, Agosto 2007.

25

Rheology of Asphalt Definitions, Hardware, Standards,

Markus Nemeth Anton Paar Germany GmbH 1

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A Brief History American Association of State Highway And Tranportation Officials (AASHTO) initiated in 1989 the Strategic Highway Research Program (SHRP)

 Conceived as a means of designing and maintaining longer-lasting, safer roadways

 SHRP was part of the National Research Council with agency (state), industry and academic leadership. Program funding originated from state federal highway funds.

 Operations were under contract with private sector groups and universities, research focused in four areas:

• Flexible Pavements • Ridged Pavements and Structures • Highway Operations • Pavement Performance

 Results in development of AASHTO T 315 www.anton-paar.com

AASHTO T 315

Standard Method of Test for Determining the Rheological Properties of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR)

 For determining the LVE properties of binders for specification tests.  Specifically looking at the balance of elastic to viscous properties to achieve good performance across various temperatures and physical performance criteria.

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The binder

The binder  The binder just forms a part of the whole road pavement mixture and is used to bind solid additives such as sand or rock.  Measuring data for binders achieved according to the SHRP specifications have shown good correlation compared with the real wear resulted from normal traffic and climate.  In Europe, the binder used for the road construction is called ”Bitumen” while Americans mainly speaking of ”Asphalt” - nevertheless the road builders of both are meaning the same material.

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What is Bitumen? What is Asphalt?  Bitumen  Asphalt

= Binder = Binder + Additives (ash, ...)

Contents of binder  hydrocarbons  resins  paraffins, waxes and fats  heavy oils  proteins, lignins and complex oxygen, nitogen and sulfur compounds Formed by microorganisms as part of crude oil and coal. Residue from evaporation/distillation at 400 °C.

Example:

Bitumen 1 80 % hydrocarbons 10 % resins 1 % asphaltenes 9 % others

Bitumen 2 60 % hydrocarbons 20 % resins 15 % asphaltenes 5% others www.anton-paar.com

Requirements to road pavements

Major requirements are good dimensional stability, tightness to liquids and dust and sufficient grip.

SHRP tests will not be able to simulate all possible load conditions but should be able to verify binders and to provide information about the following phenomena: - Ruttings

- Fatigue cracking - Thermal cracking - Processibility

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Requirements to road pavements

Rutting (due to heavy trucks)

Permanent deformation of the pavement causes Aqua planning and loss of grip for tires = Danger

Fatigue cracking Binders fatigued by either volatilization of smaller molecules or oxidation. They will become brittle thus being unable to withstand the permanent, cyclic traffic load. Due to the harder consistency of the pavement, both the mobility of the binder’s macromolecules and the adhesion between binder and granule surface are decreased.

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Requirements to road pavements

Avoidance of thermal cracking Alternating climate conditions, especially low ambient temperatures in connection with the resulting material contraction, may cause cracks in aged pavements. North of Canada: -40°C to 60°C Spain: 0 to 60°C

Processability In road engineering, the hot mixtures consisting of binder, mineral additives and possibly recycled asphalt material are produced and homogenized at different high temperatures, e. g. at T = +155 to 163 °C. The binder resp.the final mixture must be capable of being pumped and poured.

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Performance grade of binders Performance grade The binder's PG (Performance Grade) grade is specified with regard to the climate conditions and the required resistance of the road pavement. Environmental conditions are specified in terms of Average 7-day maximum pavement design temperature X = the average of the highest daily pavement temperature for the 7 hottest consecutive days a year) Minimum pavement design temperature Y = lowest annual pavement temperature of the year)

Example : PG 64-28 means therefore the binder must be resistant from –28°C to 64°C

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Road pavement binders

 A rheological measurement on a binder and mineral mixture is not possible because of the large granules - thus the binder only is investigated. The rheological behavior of the mixture is affected largely by the binder.  Experiences have shown that measurements on the binder only yielded good correlations with the actual behavior of the final mixture.  The mixture's long-time characteristics occuring with high traffic volume is not fully predictable.

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Rheological Tests according to SHRP High Temperature Viscosity At temperatures of T > 100 °C, the viscoelastic behavior of most of the binders will get lost and the viscous flow behavior is dominating. A further increase in temperature will change to ideal-viscous behavior. Rotational tests used to analyze the viscosity at high temperatures from 100 to 200 °C should simulate the actual processing conditions.

According to the ASTM D4402, the dynamic viscosity preferably is measured at a speed of

n = 20 min-1 and at a temperature of T = 135 °C.

The limiting viscosity < 3 Pas must not be exceeded. This measurement is performed exclusively on unaged, original binders. www.anton-paar.com

Rheological Tests according to SHRP Oscillation tests using the Dynamic Shear Rheometer (DSR) According to SHRP and AASHTO specification TP5, the rheological behavior within a temperature range from T = +5 to +85 °C is determined using an oscillating rotational viscometer and a plate/plate measuring system.  Radian frequencies of 1 to 100 s-1 (preferably 10 s-1) should be applied to simulate a vehicle's running speed of v = approx. 80 km/h.  The device must be equipped with temperature sensors capable of being recalibrated. The sensor has to be checked on the accuracy of DT =  0.1 K (°C) every three months.  Oscillation measurements are carried out in the linear viscoelastic (LVE) deformation range because rheological measurements outside the LVE range hardly can be interpreted and the measurements becomes difficult www.anton-paar.com

Three tests on the same samples after different treatment Original Asphalt Binder as from the tank

Rolling Thin Film Oven (RTFO): Performed on artificially aged material using the Rolling Thin Film Oven in order to characterize the formation of ruttings after a defined period. (Short time aging due to evaporation and oxidation, after aprox. 1 year)

Pressure Aging Vessel (PAV): Performed on artificially aged material using the Pressure Aging Vessel in order to characterize the formation of fatigue cracking and thermal cracking. (Long time aging after 3 to 15 years) www.anton-paar.com

AASHTO T 315 Standardization Criteria

Temperature

 4° — 88°C at 6° increments.  Tolerance 0.1°C.  Every 6 months.  Using a “Portable Thermometer”  Must be recalibrated the same as the rheometer

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…Standardization Criteria…

Torque Transducer

 Verify performance of torque transducer indirectly, no fixture apparatus, tolerance ± 3%.

 Performed after temperature calibration every 6 months.  Only Cannon Viscosity Standard N2700000SP may be used.

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…Standardization Criteria…

Dimensional Tolerances: Test Plates

 Diameter and edge.  25 ± 0.05mm  ≥ 1.5mm edge  8 ± 0.02mm  ≥ 1.5mm edge

 Concentricity and Runout.  At current concentric conditions don’t have an tolerance per se, that is if a eccentric condition exists maintenance is required.  Runout is ≤ 20 μm www.anton-paar.com

Technical overview Smart Pave

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SmartPave Asphalt Rheometer according to TP5, T315-04  Based on MCR 102  High dynanical EC-Motor  Air bearing of extremely high stiffness  Torque range: 0.0005 to125 mNm  Angle resolution: < 0.1 mrad  Peltier System with actively heated hood  Automatic temperature calibration

 Easy to use Software especially designed for SHRP testing  Research Software available www.anton-paar.com

SmartPave Peltier Chamber with actively heated hood Screw connector

Guiding rail

Upper oven Measuring system Calibration sensor Inset 25 or 8 mm Peltier heated lower plate

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SmartPave Software supported Automatic Temperature Calibration with Certified Temperature Sensor  Position of the Calibration Sensor in the Rheometer at the sample location

 Quick Connection of the Calibration Sensor to the Rheometer electronic by a plug

AASTHO requires portable thermometer www.anton-paar.com

SmartPave  Fully Automated Temperature Calibration  Peltier Heating and Cooling

 Patented actively controlled Peltier hood  Accurate temperature control  No temperature gradients within the sample

 No Water Immersion of the sample needed  Sophisticated Research Software  For SHRP / AASHTO Testing: Simple and Easy to use Workbooks

 Guided Operation

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Rheoplus Supported Tests AASHTO T315 The standard defines 4 tests:    

Original Binder Deformation/Ruttings Rolling Thin Film Oven - RTFO Aged Binder Deformation/Ruttings Pressure Aging Vessel Residue - PAV Aged Binder Fatigue Cracking Linearity

Grading:    

Used to define the performance grade of an unknown sample Test at start temperature (58°C, 19°C for PAV) Test failed: o Temperature step until sample passes 6°C (3°C for PAV) Test passed: o Temperature step until samples fails

Verification:   22

Carried out at one pre-defined temperature To verify the grading of a sample (passed or failed)

Rheoplus Predefined Asphalt Workbooks

Predefined workbooks according to AASHTO T315 can be found in the Rheoplus

The Smart Applications guide the user through the setup of the instrument.

23

Rheoplus Grading Tests AASHTO T315 – Grading Settings for grading tests  

Parallel-Plate: PP25/1mm gap or PP08/2mm gap for PAV Angular Frequency: 10 rad/s



Binder [ G*/sin(delta) > 1.0 kPa ] o Strain for Binder: 12% o Start temperature: 58°C o More temperatures: (46, 52, 58, 64, 70, 76, 82)°C RTFO [ G*/sin(delta) > 2.2 kPa ] o Strain for RTFO: 10% o Start temperature 58°C o More temperatures (46, 52, 58, 64, 70, 76, 82)°C PAV [ G*/sin(delta) < 5000 kPa ] o Strain for PAV: 1% o Start temperature 19°C o More temperatures (4, 7, 10, 13, 16, 19, 22, 25, 28, 31, 37, 40)°C





24

Rheoplus Grading Tests AASHTO T315 – Grading Settings for verification tests  

Parallel-Plate PP25 (PP08 for PAV) Angular Frequency for all samples: 10 rad/s



Binder [ G*/sin(delta) > 1.0 kPa ] o Strain for Binder: 12% o Performed at grading temperature RTFO [ G*/sin(delta) > 2.2 kPa ] o Strain for RTFO: 10% o Performed at grading temperature PAV [ G*/sin(delta) < 5000 kPa ] o Strain for PAV: 1% o Performed at grading temperature





25

Asphalt Workbook RheoPlus Software with special simple to run Asphalt Workbooks

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Asphalt Workbook RheoPlus Software with special simple to run Asphalt Workbooks

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Tests results

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Test results Original Binder; Pass at 64, 70; Fail at 76 and 82 Criteria: |G*| /sind > 1.0 kPa

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Test results RTFO; Pass at 46, 58, 70

Criteria: |G*| /sind > 2.2 kPa

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Test results PAV (aged 12 hours); Pass at 28, 22, 16; Fail at 10 and 4 Criteria: |G*| · sind < 5000 kPa

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Methodology and Technique

Good Practices for Asphalt Testing Specific

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Sample Handling Heating

Volume

Time

 Gather information on the asphalt binder, this will dictate heating requirements.  i.e. Neat or Modified?

5 gal. (18.9 l)

6-7 hrs.

1 gal. (3.8 l)

2 hrs

1 qt. (1 l)

1-1.25 hrs

8 oz. (236.5 ml)

30-45 min.

3 oz. (88.7 ml)

20-30 min.

1 oz. (29.6 ml)

10-15 min.

 Heat the asphalt binder till it is sufficiently fluid, SAE 10W30 motor oil viscosity.  135°C for neat.  163°C for modified (higher as needed).

 Heating time varies by sample volume.

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Sample Handling…

Test Specimen Preparation  Direct pour  No mould.  Limits stearic hardening.  Referee method.

 Mould pouring  Can pour multiple specimens at once.  Convenient.  Can mount specimen on upper or lower plate.  Limit time in mould, 2 hrs max., stearic hardening a concern.

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Specimen Trimming

Cleanly trimming the specimen, this is very important. Excessive material (smears) leftover after trimming and/or removing too much material can lead to errors.

 Recommendations:  Keep specimen to a manageable size.  Trim in small sections.  Heat the trimming tool to appropriate temperature, avoid too hot (smoking) and too cool (pulling) conditions.  Trimming tool design important.

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Specimen Trimming

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AASHTO T315 Exclusive Asphalt Rheological Tests

New and future tests and their supporting accessories.

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Multiple Stress Creep Recovery Test

Involves 100 repetitions over the 1 second creep interval at a constant stress level and a 9 second recovery interval Template (NCHRP 9-10 test) is available which will work on both xx0 and xx1 SmartPaves with firmware versions 2.68 and higher, and Rheoplus v3.10 and higher Uses the loop function in the software to perform the repetitions Data analysis is included in the template

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Multiple Stress Creep Recovery Test

MSCR test runs 10 cycles each at 2 different stress levels. A template is available which runs the test at a selected temperature using a constant stress creep of 1.0 seconds duration followed by a zero stress recovery of 9.0 seconds duration. The test is run at two stress levels - 100 Pa and 3200 Pa. Ten cycles are run at each of the two stress levels for a total of 20 cycles Data analysis is included in the template This test is integrated into SHRP+ specifications

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Ground Tire Rubber Modified Binder Tests Concentric Cylinder (C-PTD 200) QC/QA test application using T315 as basis.

 Cup and bob test setup geared towards eliminating edge effects. • Edge effects occur due to increased gap size to accommodate GTR.

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Low Temperature Fatigue: Mixture Convection Temperature Device (CTD 450) Uses rectangular specimen of asphalt mixture.

 Research only; looking at characterization of fatigue properties.

 Could be useful in low temperature work when sample volume is not an issue unlike the proposed 4mm tests.

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DSR 4mm Testing

Small volume testing (4mm) for BBR comparable results. Plate/Plate measuring system with 4mm diameter Sample Volume is 25 mg Approx. -40°C to 60°C Used exclusively in research Needs further work: • Edge effect an issue • Sample prep issue • Slippage issue

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DSR 4mm Testing

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Certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados Vicente Aragón Ruiz, Aldo Salazar Rivera, Horacio Delgado Alamilla, Paul Garnica Anguas

Resumen El conocimiento y la buena práctica de la ejecución de los ensayes se han convertido en puntos clave para garantizar la confiabilidad del desempeño de los materiales de la mezcla asfáltica. Por ende actualmente existe un programa de evaluación de laboratorios a nivel nacional, llamado Interlabs AMAAC, teniendo como finalidad evaluar la capacidad del personal, el equipo y los resultados de las pruebas a las que se hayan inscrito. En el transcurso del programa de evaluación de laboratorios antes mencionado se identificó la falta de capacitación técnica del personal en agregados. Debido a esto la sociedad AMAAC-IMT propuso un programa de certificaciones de laboratorista con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados, para garantizar la calidad de la misma. Este estudio se basó en el análisis de resultados y la aceptación que han tenido la certificación antes mencionada. Los resultados obtenidos permiten controlar la calidad del personal en agregados. Palabras claves: Mezcla asfáltica.

Antecedentes

Objetivos

En el 2010 la AMAAC, propone públicamente la certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados, creado por la necesidad de contar con laboratorios que participen dentro del proceso de evaluación para asegurar su capacidad técnica, ya sea como parte del constructor o la empresa supervisora, contando con la capacidad técnica adecuada para asegurar los resultados de los ensayos de agregados para la mezcla asfáltica. Así la AMAAC y el IMT, lanzan por primera vez la convocatoria a principios de 2011, para obtener la certificación de laboratorista con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados.

Uno de los objetivos buscados es asegurar que los laboratorios que participen dentro del proceso de evaluación, aseguren tener la capacidad técnica garantizando así la calidad de la mezcla asfáltica. Otro objetivo fundamental es garantizar la confiabilidad a través de los ensayos de agregados y detectar tendencias que permitan tomar acciones correctivas que faciliten una mejora continua por medio de:   

La capacidad técnica de los laboratoristas. La habilidad/destreza durante la ejecución de los ensayos. Conocimiento de las normas.

Alcances El certificado lo acredita como especialista en mezclas asfálticas en la categoría de agregados. Avala que el titular, está capacitado para realizar las pruebas que aplican al Protocolo AMAAC sobre diseño de mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño, en la categoría de agregados.

La importancia de este método prevalece en determinar la contaminación de limo o arcilla en el agregado fino. Ensayo No 6. Determinación de partículas planas y alargadas (ASTM D 4791-10). Es un indicador de la trabajabilidad y compactación. La trabazón de la mezcla asfáltica es más alta con formas cúbicas y más bajo para las partículas redondeadas.

Metodología La certificación se realiza con el interés de evaluar el método de prueba, ya que las determinaciones en el laboratorio están sometidas a múltiples fuentes de error, y en su conjunto determinan la calidad del análisis. Ensayos de agregado con especialidad en mezclas asfáltica s. Ensayo No 1. Reducción de muestras de agregados (ASTM C 702-11). Obtener una muestra representativa de agregado del tamaño adecuado para ser ensayada. Ensayo No 2. Análisis granulométrico de agregados gruesos y finos (ASTM C 136-06)

Ensayo No 7. Determinación de azul de metileno en material fino (filler) (RA 05/10) Determinar el grado de reactividad de los agregados finos (pasa malla # 200). Ensayo No 8. Determinación del porcentaje de partículas fracturadas en agregados gruesos (ASTM D 5821-01 (2006)). La importancia de esta prueba prevalece en la superficie áspera donde aumenta la resistencia de la mezcla influyendo a la vez en la trabajabilidad de la misma. Ensayo No 9. Determinación de la sanidad de agregados por el uso de sulfatos de sodio o de magnesio (Intemperismo) (ASTM C 8805). Es un indicador de la sanidad del agregado.

Identifica la distribución de los tamaños del agregado. Ensayo No 3. Densidad y absorción de agregados gruesos (ASTM C 127-12). Ensayo No 4. Densidad y absorción de agregados finos (ASTM C 128-12). Los resultados de este ensayo son indispensables para determinar las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica. Ensayo No 5. Determinación del valor de equivalente de arena (ASTM D 2419-09).

Ensayo No 10. Determinación de la resistencia a la degradación de agregado grueso de tamaño pequeño por abrasión e impacto en la máquina de Los Ángeles (ASTM C 131-06). Considera la abrasión que experimentará el agregado durante su transportación, mezclado, colocación y/o cargas de servicio. Ensayo No 11. Angularidad de la fracción fina (AASHTO T304-11). Esta propiedad asegura un alto grado de la fricción interna del agregado fino y de la resistencia al ahuellamiento.

Ensayo No 12. Determinación de la resistencia al desgaste del agregado pétreo mediante el equipo Micro-Deval (ASTM D 6928-10). Determinar la resistencia de un agregado pétreo al desgaste por abrasión en húmedo.

participantes en total, las sedes fueron las siguientes: 

Querétaro (Instituto Mexicano del Transporte).



Puebla (Universidad de las Américas Puebla).



Guadalajara (TraSenda Ingeniería, S.A de C.V).

Pruebas de Adherencia Ensayo No 13. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (ebullición) (ASTM D 3625-96 (2005)). Determina la pérdida de adhesión en mezclas asfalto-agregado sin compactar, debido a la acción del agua en ebullición. Ensayo No 14. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (RA 07/10). Determina la resistencia al desprendimiento del asfalto de los materiales pétreos. Ensayo No 15. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (MMP·4·04·009/03). Determina la pérdida de la película asfáltica en los materiales pétreos. Consiste en someter a la acción del agua y a varios ciclos de agitado dentro de un frasco de vidrio, una muestra de mezcla asfáltica con granulometría definida. Ensayo No 16. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (RA 08/10). Determina la pérdida de la película asfáltica en los materiales pétreos. La prueba consiste en someter a la acción del agua y a varios ciclos de agitado dentro de un frasco de vidrio, una muestra de mezcla asfáltica. Convocatorias La convocatoria de 2011 comprendió 3 certificaciones, con una participación de 40

La evaluación consistió en un examen teórico y práctico para cada una de las 16 pruebas citadas anteriormente, la duración de la evaluación fue de 5 días, cada uno de los participantes ejecutó los ensayes, la cual tenía una duración de 4 días, en el quinto día cada uno de los participantes realizaba un examen oral de las 16 pruebas. Para la evaluación se formaron 4 grupos de 3 técnicos con un evaluador por grupo. Durante la evaluación práctica se observaba si el participante estaba familiarizado con la ejecución de la prueba. La segunda convocatoria fue lanzada en el transcurso de este año (2013), donde se efectuaron 4 certificaciones, con una participación de 48 participantes en total, las sedes fueron las siguientes:  Campeche (Universidad Autónoma de Campeche).  Puebla (Universidad de las Américas Puebla).  Querétaro (Instituto Mexicano del Transporte).  Guadalajara (TraSenda Ingeniería, S.A de C.V). Donde la evaluación consistió en un examen teórico-práctico para cada una de las 16 pruebas citadas anteriormente, la duración de la evaluación fue de 2 días lográndose identificar con plena claridad el dominio de la prueba. Para la evaluación se formaron 4 grupos de 2 técnicos con un evaluador por grupo.

 

Interpretación de resultados En esta etapa se analizaron los resultados presentados por los participantes, donde se consideraron los siguientes puntos:    

Conocimiento del objetivo de prueba. Conocimiento y manipulación de equipo y material de prueba. Procedimiento teórico-práctico de prueba. Interpretación de resultados.

Durante el análisis se identificaron notablemente deficiencias en los ensayos antes mencionados:  Ensayo No 1 (Reducción) Los puntos de mejora:  Conocimiento de los lineamientos de la norma.  Ensayo No 2 (Granulometría) Los puntos de mejora:  Reporte de resultados.  Criterio de aceptación del granulométrico.

análisis

 Ensayo No 3 y 4 (gravedad específica) Los puntos de mejora:  Preparación de la muestra a ensayar.  Identificación de la condición saturada y superficialmente seca.  Ensayo No 5 (Equivalente de Arena) Los puntos de mejora: Seguir los lineamientos de la normativa por ejemplo:   

Tener presente el significado de un ciclo en el agitado manual. Mantener la probeta fija en la mesa de trabajo durante el proceso de irrigación. Realizar el redondeo en el reporte.

 Ensayo No 6 (Planas y alargadas) Los puntos de mejora:  Obtención de la muestra a ensayar.  Conocimiento y criterio de evaluación.  Manipulación del equipo. 

Ensayo No 7 (Azul de metileno) Los puntos de mejora:  Identificación del halo color azul cian.

Precisión en el procedimiento de prueba. Reporte de resultados.

 Ensayo No 8 (Angularidad grueso) Los puntos de mejora:  Conocimiento y criterio para asignar una cara como fracturada.  Reporte de resultados.  Ensayo No 9 (Intemperismo acelerado) Los puntos de mejora:  Selección del material a ensayar  Preparación de la solución de sulfato de sodio/magnesio.  Cribado después del último ciclo por una malla menor al de la muestra designada por la norma. 

Ensayo No 10 (Desgaste de los Angeles) Los puntos de mejora:  Evitar la pérdida de material durante el procedimiento de prueba  Ensayo No 11 (Angularidad del fino) Los puntos de mejora:  Conocimiento de objetivo de prueba.  Obtención de la muestra a ensayar.  Manipulación del equipo de prueba.  Ensayo No 12 (Micro Deval) Los puntos de mejora:  Identificación de la granulometría ensayar.  Manipulación del equipo de prueba.

a

 Ensayo del No 13 al 16 (Adherencia) Los puntos de mejora:  Preparación de la muestra a ensayar.  Seguir los lineamientos de procedimiento de prueba de acuerdo a la normativa.  Conocimiento y criterio para evaluar la muestra. Resultados Para obtener la certificación, fue necesario aprobar el examen teórico-práctico con una calificación mínima de 8.0 (aprobar como mínimo 1 de los cuatro ensayes de adherencia y por lo menos 10 de los 12 ensayos restantes).

La figura 1 muestra la tendencia de la certificación en cada sede durante el 2011. 14

10 8

75 %

4

87 %

6

2

6 5 4 3 2 1 0

QUERÉTARO 13 9

No. DE PARTICIPANTES APROBADOS

GUADALAJARA 12 9

PUEBLA 15 13

Figura 1. Certificación de laboratoristas con Figura 1.- Certificación de laboratoristas con especialidd en mezclas asfálticas especialidad en mezclas en la categoría en la categoríaasfálticas de agregados. 2011 de agregados. 2011.

La figura 2 muestra la tendencia de la participación por estado de la República Mexicana durante el 2011. Como se puede apreciar la participación predomina en el centro del país y sus alrededores (Distrito Federal, Edo de México, Jalisco y San Luis Potosí). 7 6

5 4 3

Figura 4. Número de participantes por estado. Figura 4.- Numero de participantes por estado. 2013 2013.

La figura 5 muestra la distribución del personal certificado en el 2011 y 2013. Al igual en la figura 6 (mapa) se observa la distribución territorial a nivel nacional. 9

No. de participantes

0

No de Participantes

No. de Participantes

7

12

69 %

No . de Participantes

16

La figura 4 muestra la tendencia de la participación por estado de la República Mexicana durante el 2013.

8 7 6 5 4 3 2 1 0

2 1 0

5.- Numero de CertificadosCertificados por estado. Figura Figura 5. Número departicipantes participantes 2011 y 2013 por estado. 2011 y 2013. 2.- Numero de participantes por estado. 2011 por estado. Figura 2. Figura Número de participantes 2011.

La figura 3 muestra la tendencia de la certificación en cada sede durante el 2013. 16 14 12 10 8

0

No. de Participantes Aprobados

CAMPECHE 8 4

PUEBLA 12 3

QUERETARO 16 6

42 %

2

38 %

4

25 %

6 50 %

No. de Participantes

18

GUADALAJARA 12 5

Figura3. 3.- Certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas con Figura Certificación de laboratoristas en la categoríaasfálticas de agregados. 2013 especialidadasfálticas en mezclas en la categoría de agregados. 2013.

Beneficios Los técnicos aprobados, ya no son evaluados durante las visitas que se realizan para el programa de interlabs en caso de estar inscritos, ya que han demostrado con anterioridad su capacidad técnica en la categoría de agregados. Aún cuando los participantes no hayan obtenido la certificación tienen la oportunidad de conocer y manipular el equipo de las pruebas, además de retroalimentar sus conocimientos. Conclusiones Es imprescindible contar con personal calificado, ya que este podrá identificar con plena claridad los problemas a resolver durante la ejecución de las pruebas. Se incrementó el número de participantes de 40 a 48 del 2011 al 2013.

Se identifica la tendencia del personal certificado hacia el centro del país.

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE DR. PEDRO LIMÓN COVARRUBIAS SURFAX DR. RODRIGO MIRÓ RECASENS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA ING. IGNACIO CREMADES IBAÑEZ SURFAX

RESUMEN Las mezclas asfálticas, como parte integrante de un pavimento, deben presentar ciertas propiedades estructurales y funcionales que aseguren el buen comportamiento de las mismas durante su vida de servicio. Para poder garantizar estas propiedades, durante la ejecución de las obras se realiza un control de calidad de la mezcla. A partir de una muestra de la mezcla fabricada en planta, se determina su granulometría y contenido de ligante, sus propiedades volumétricas y, tradicionalmente, su resistencia a la deformación mediante el ensayo Marshall. Sin embargo, la calidad del producto final, es decir, de la mezcla colocada y compactada, sólo se controla a partir de la densidad de testigos extraídos de la capa ejecutada y su comparación con la densidad Marshall patrón. Pero durante las etapas de transporte, extendido y compactación, un mal funcionamiento de los equipos, errores de ejecución o simplemente factores ambientales pueden provocar escurrimiento del ligante, segregación del agregado pétreo grueso, pérdida de temperatura, contaminación de la mezcla, arrastres, etc., que pueden influir en la calidad final de la mezcla y que mediante este mecanismo de control no pueden detectarse.

Por este motivo, se ha llevado a cabo un estudio sobre la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de ejecución de las mezclas asfálticas, con objeto de encontrar una metodología de control de calidad basada en la evaluación de sus propiedades mecánicas y no sólo en sus propiedades volumétricas, como se ha venido haciendo hasta ahora. Este procedimiento pretende complementar al actual método de control, con la ventaja de que no necesita realizar ninguna actuación adicional, debido a que puede realizarse sobre los testigos extraídos del pavimento para el control de densidades; además al ser un ensayo no destructivo,

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CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

las probetas de planta o testigos extraídos del pavimento podrían ser sometidos a otros ensayos además del módulo resiliente.

En primer lugar, se ha aplicado este ensayo sobre probetas elaboradas en laboratorio, con objeto de evaluar la sensibilidad del ensayo frente a variables relacionadas con la composición de la mezcla, elaboración de las probetas y condiciones de ensayo. En segundo lugar, el ensayo se ha aplicado sobre probetas fabricadas a partir de la mezcla obtenida en planta y también sobre testigos extraídos durante el control de ejecución de diferentes obras, comparando los resultados y comprobando que el parámetro determinado, el módulo resiliente, está relacionado con la densidad, pero que, además, es capaz de evaluar la mezcla con mayor sensibilidad que la proporcionada por la compacidad.

Finalmente, se ha establecido un criterio de control de calidad de las mezclas asfálticas puestas en obra, a partir de la relación entre el módulo de la mezcla fabricada y el de la obtenida tras su extendido y compactación en obra, a la vez que se han propuesto unos límites de aceptación, penalización y rechazo sobre el producto terminado. Este criterio complementa al actual método de control y permite asegurar la calidad para la que ha sido diseñada la mezcla.

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LIMON/MIRO

1. INTRODUCCIÓN Antes de analizar el aseguramiento de la calidad de una mezcla asfáltica es importante conocer el concepto de calidad. En los últimos años la calidad de un producto o un servicio ha tomado gran importancia debido a los sistemas ISO, que han venido a establecer una serie de características que deben cumplir tanto un producto como un servicio. Martínez [1] en su tesis doctoral menciona: “La Organización Internacional de la Normalización (ISO), según su norma ISO 8402, expresa que la calidad es la totalidad de las características de un producto, proceso o servicio que le confiere la aptitud para satisfacer las necesidades expresas o implícitas de los usuarios”. Por tanto, se entiende que la calidad es el conjunto de propiedades inherentes a un objeto que le confieren capacidad para satisfacer necesidades implícitas o explícitas. Pero por otro lado, la calidad de un producto o servicio depende de la percepción que el cliente tiene sobre el mismo, es una fijación mental del consumidor que asume conformidad con dicho producto o servicio y la capacidad del mismo para satisfacer sus necesidades.

Para cualquier país, el contar con una infraestructura adecuada, funcional y estratégica es de vital importancia para facilitar el desarrollo del mismo, por lo que las inversiones para construir y/o conservar carreteras son cada vez mayores. Es por ello que el control de calidad en cualquier tipo de infraestructura es importante, debido a la relevancia en su servicio del coste que se tuvo durante su construcción y el que se puede tener durante su conservación. Sin embargo, Martínez [1] indica: “La industria de la construcción ha sido el sector más postergado en admitir la importancia de la calidad en la competencia de una empresa y en impartir su nuevo concepto mediante la aplicación de un sistema de aseguramiento de calidad”. Y dentro de la industria de la construcción, la construcción de carreteras ha sido uno de los sectores con menor desarrollo del control de calidad, y esto no debería ser así ya que no hay infraestructura más grande y costosa como las carreteras. Además, en muchos casos se puede decir que si un país tiene malas carreteras es porque es pobre, o es pobre porque tiene malas carreteras, ya que los gastos de conservación son, en muchos casos, demasiado elevados para abordarlos. Las mezclas asfálticas son las últimas capas en la construcción de un pavimento, y cualquier defecto que presenten éstas, se reflejará en la superficie de la estructura. Los pavimentos deben proporcionar comodidad y, sobretodo, seguridad al usuario, por lo que si las mezclas asfálticas se encuentran en malas condiciones, el pavimento no cumplirá sus funciones. Y, en muchos casos, el deterioro que presentan los pavimentos es debido a que las mezclas asfálticas no han

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CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

durado el tiempo para el que fueron diseñadas, como consecuencia de un mal control de calidad durante su ejecución. Uno de los procesos más importantes y poco atendidos de la ejecución de las mezclas asfálticas es su control de calidad. En la mayoría de las ocasiones se presta más atención a la selección de materiales, diseño u otros procesos, que al control de calidad de la obra. Es cierto que la selección de materiales y un buen diseño de la mezcla asfáltica están relacionados con la durabilidad de la misma, pero en muchos casos el buen control de calidad de una obra dependerá del éxito de la misma.

2. ANTECEDENTES En el año 2000, Martínez, A. [1], en su Tesis Doctoral “Aseguramiento de la calidad de mezclas asfálticas mediante la aplicación del ensayo de tracción indirecta en el control de su ejecución”, estableció un método de control de calidad de las mezclas asfálticas basado en el ensayo de tracción indirecta, debido a que el método de control utilizado hasta el momento, basado en el análisis de compacidad, tenía baja correlación con la durabilidad de una mezcla asfáltica. En la industria de las mezclas asfálticas no se da la importancia necesaria a la calidad, ya que los controles realizados sobre la mezcla no aseguran que, después de su colocación y compactación, tendrá las propiedades mecánicas con las que fue diseñada. Concretamente, en la Tesis Doctoral de Martínez se menciona: “El control de calidad del producto suele establecerse sobre la adhesividad y sobre la resistencia a las deformaciones plásticas (estabilidad Marshall), ignorando propiedades que pueden resultar igualmente significativas en el comportamiento del material: módulo, abrasión, resistencia a la fatiga, etc.”. Además, los controles que se realizan no son lo suficientemente sensibles para determinar cuando una mezcla asfáltica se encuentra mal ejecutada: “El control de calidad suele realizarse sobre el material fabricado en planta, no sobre el producto una vez extendido y compactado en el pavimento; lo único que llega a realizarse sobre el producto ya terminado es comparar su densidad con la de referencia” [1].

En España, y en la mayoría de los países latinoamericanos, el control de calidad de las mezclas asfálticas suele aplicarse sobre: La composición de la mezcla, determinada tras la extracción del ligante. La estabilidad y el contenido de huecos de la mezcla, determinados mediante la realización del ensayo Marshall sobre el producto fabricado en planta. Para conocer la resistencia de la mezcla a la acción del agua, solía utilizarse el ensayo de inmersión compresión o, actualmente, la pérdida de resistencia a tracción indirecta por inmersión en agua.

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LIMON/MIRO

La compacidad conseguida en la ejecución, mediante la extracción de testigos y la comparación de su densidad con la densidad Marshall patrón. Así, el control que se realiza sobre el producto final se reduce normalmente al control de su compacidad, exigiéndose que la mezcla colocada alcance una densidad entre el 97 y 98% de la de referencia (en función del espesor de la capa), determinada en probetas fabricadas en la compactadora Marshall con la mezcla utilizada; esta exigencia es, en particular, de España, pero en países latinoamericanos las exigencias pueden ser menores, reduciéndose esta compacidad hasta un 95% [2][3]. Sin embargo, tal como mencionaba Martínez: “Muchas veces existen problemas mecánicos y resistentes en las mezclas colocadas, como baja cohesión o pérdida de rigidez, que no han sido detectados con los controles habituales. Esto significa que el producto final puede bajar su calidad, debido a variaciones en la mezcla, que no afectan a las características Marshall ni a la densidad final de los testigos, quedando esta pérdida de calidad momentáneamente oculta y sin conocer sus causas”. Por ello, Martínez propuso un método de control de calidad de las mezclas asfálticas basado en la aplicación del ensayo de tracción indirecta, a 5 ºC. En primer lugar, estudió la sensibilidad del ensayo y encontró que el valor de la resistencia a tracción indirecta podía diferenciar mezclas de características diferentes. Así por ejemplo, mediante la resistencia a tracción indirecta se podía diferenciar dos mezclas con granulometrías diferentes, cuya densidad era la misma, por lo que el control a partir de densidades no podía diferenciarlas. En la figura 2.1 se observa una mayor resistencia a tracción indirecta de la mezcla con la granulometría centrada, pero que presenta una densidad similar a la mezcla con la granulometría ajustada al límite inferior del huso.

Figura 2.1 Variación de la resistencia con la granulometría del agregado pétreo. Mezclas S-20 (Fuente: Martínez, 2000).

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CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Otro ejemplo claro es cuando estudió el efecto de la energía y temperatura de compactación. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto una clara diferencia de resistencias a tracción indirecta entre las mezclas cuando son compactadas a diferentes temperaturas y energías de compactación. En la figura 2.2 se observa que una mezcla asfáltica compactada a menor temperatura pero a igual energía de compactación tiene una resistencia a tracción indirecta menor, y que una mezcla compactada a una misma temperatura pero con mayor energía de compactación tiene una resistencia a tracción indirecta mayor. Sin embargo, y aunque se observa una cierta variación en las densidades, hay casos en que la densidad se mueve en un rango similar, lo que pone de manifiesto el pobre desempeño de la densidad como método para conocer la variación de calidad en una mezcla asfáltica.

Figura 2.2 Variación de la resistencia a tracción indirecta con la temperatura y energía de compactación. Mezclas S-20 (Fuente: Martínez, 2000).

Sin embargo, aunque los resultados obtenidos por Martínez mediante la aplicación del ensayo de tracción indirecta a 5 °C fueron, en general, contundentes, para algunas de las variables estudiadas el ensayo mostró una menor capacidad para discernir entre las mezclas. Así por ejemplo, en la figura 2.3 se puede observar cómo, aunque existe una gran diferencia entre la penetración de los betunes utilizados en la fabricación de las mezclas, la resistencia a tracción indirecta no presenta grandes variaciones, siendo esta variación de apenas 0,2 MPa entre los diferentes betunes.

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LIMON/MIRO

Figura 2.3 Variación de la resistencia con el tipo de asfalto. Mezclas S-12 (Fuente: Martínez, 2000).

Esta limitación abre la puerta a pensar en otro ensayo que, con la misma finalidad de evaluar una propiedad mecánica de la mezcla, tuviera una mayor capacidad de diferenciar entre mezclas diferentes. Además, en los últimos años, los métodos mecanístico-empíricos para el diseño de pavimentos han otorgado una gran relevancia al módulo de la mezcla, siendo necesario conocer su valor durante la etapa de proyecto de la estructura. Por tanto, el ensayo de módulo resiliente aparece como la opción más adecuada, ya que si es necesario determinarlo en la fase de diseño, es también relativamente fácil conocerlo tras la ejecución de la mezcla, ya que al igual que ocurría con el ensayo de tracción indirecta, no se tienen que realizar operaciones adicionales, ya que puede evaluarse sobre los mismos testigos extraídos de la capa ejecutada que van a ser utilizados para la obtención de densidades. En conclusión, el ensayo de módulo resiliente aparece como un ensayo práctico para complementar al actual método de control de calidad, basado sólo en la determinación de densidades, lo que hace que en el momento de tomar decisiones sobre la aceptación o rechazo de la capa, se desconozca la capacidad resistente de la mezcla. Así pues, el objetivo de este trabajo ha sido la búsqueda de una metodología de aseguramiento de la calidad de las mezclas asfálticas que cubra ciertos aspectos de la puesta en obra que no son considerados por los procedimientos de control utilizados actualmente, y que pueden afectar al comportamiento en servicio del pavimento. Para ello, se ha estudiado un procedimiento de control basado en la determinación del módulo resiliente de la mezcla asfáltica colocada, según la nueva norma Europea, a 20 ºC, UNE-EN 12697-26 ANEXO C [4].

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CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

3. ESTUDIO DE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE EN EL CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS El desarrollo de la investigación experimental sobre la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de las mezclas asfálticas, se ha realizado en dos etapas diferentes, en función de los objetivos propuestos: por un lado, el ensayo probetas fabricadas en laboratorio con objeto de evaluar la sensibilidad del ensayo y, por otro lado, el ensayo de testigos extraídos de pavimentos construidos para analizar los valores de módulo realmente obtenidos. El objetivo de la primera etapa ha sido comprobar si el ensayo de módulo resiliente es capaz de detectar pequeñas variaciones en la composición de la mezcla y conocer los valores de módulo resiliente que se pueden obtener con los diferentes tipos de mezclas estudiadas. Para ello, se han realizado en laboratorio series de probetas que han sido ensayadas a módulo resiliente a 20 ºC. Las mezclas que se han estudiado en el laboratorio son densas con tamaños máximos de 12’5, 19 y 25 mm (de acuerdo a la actual normativa mexicana N-CMT-4-04/08) [5]. Y en el cual se muestran muchos de estos resultados en el presente trabajo. Las granulometrías que se han utilizado corresponden a los valores medios de los límites granulométricos especificados en México, de acuerdo a la normativa mexicana de la Secretaría de Comunicaciones y transportes (N-CMT-4-04/08), tabla 4.1. Además, se han considerado las granulometrías correspondientes al límite inferior y superior de estos. Los agregado pétreos han sido: un agregado pétreo tipo basalto, perteneciente al Occidente de México, cerca de la localidad de Guadalajara; un agregado pétreo tipo calizo, proveniente del Sureste de México, cercano a la ciudad de Tabasco; y un material tipo granito, perteneciente al norte de México, cerca de la ciudad de Tijuana. Sus principales características se recogen en la tabla 3.1.

Propiedad

Tipo de agregado pétreo Basalto Calizo Granito

Densidad (g/cm3)

2,713

2,345

2,628

Absorción (%)

1,9

7,2

1,1

Desgaste de Los Ángeles (%)

13

29

20

Tabla 3.1 Propiedades de los agregado pétreos utilizados

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LIMON/MIRO

El asfalto utilizado en la mayoría de las probetas elaboradas en laboratorio ha sido un PG 70-22 proveniente de la refinería de Salamanca, México; esta clasificación del asfalto se ha realizado de acuerdo a la nueva normativa de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes de México N-CMT-4-05-004/08 [5]. Además, para evaluar el efecto del tipo de asfalto, se ha utilizado un asfalto PG 58-22 de la misma refinería, un PG 64-22 proveniente de la refinería de Tampico Madero, así como los betunes modificados PG 76-22 y PG 82-22, respectivamente. Las principales características de estos betunes se muestran en la tabla 3.2.

Propiedad

Tipo de asfalto

Temperatura [G*/senδ

PG 58-22

PG 64-22

PG 70-22

PG 76-22

PG 82-22

58,3

67,5

70,2

80,9

83,2

187

148

45

42

38

42

43

50

65

68

10

4

9

50

55

=1.0 kPa] (°C) Penetración a 25 ºC (1/10 mm) Punto de reblandecimiento (ºC) Recuperación elástica por torsión a 25ºC (%) Tabla 3.2 Propiedades de los betunes utilizados

El contenido óptimo de asfalto en las mezclas se ha obtenido con el método Marshall, de a cuerdo a la normativa mexicana de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes

(N-CMT-

4-05-003/08) [5]. Los resultados finales de las dosificaciones de las mezclas utilizadas se muestran en la tabla 3.3.

Tipo de Mezcla

Porcentaje de asfalto óptimo (%)

Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 12,5 mm,

7,0

granulometría centrada en el huso Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 19,0 mm,

6,5

granulometría en el inferior del huso

9

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 19,0 mm,

6,5

granulometría centrada del huso Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 19,0 mm,

6,0

granulometría en el superior del huso Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 25,0 mm,

5,5

granulometría centrada del huso Agregado pétreo Calizo, tamaño máximo 19,0 mm,

9,5

granulometría centrada del huso Agregado pétreo Granito, tamaño máximo 19,0 mm,

5,0

granulometría centrada del huso Tabla 3.3 Dosificaciones de asfalto de las mezclas utilizadas

En la mayoría de los casos se han elaborado series de cuatro probetas (en algunos casos de tres). Se ha considerado como mezcla patrón la fabricada con una energía de compactación de 75 golpes por cara con el martillo Marshall y a una temperatura de compactación de 145 ºC, de acuerdo a los resultados de la carta de viscosidad. La densidad y porcentaje de huecos fueron calculados de acuerdo a los métodos establecidos en la norma NLT-168/90 [2]. Las probetas se han ensayado a módulo resiliente de acuerdo a la nueva norma Europea, UNE-EN 12697-26 ANEXO C [4], a una temperatura de 20 ºC, y finalmente, a partir de los resultados individuales obtenidos, se han representado en tablas y figuras los valores medios.

3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS EN LABORATORIO Efecto del Contenido de asfalto El efecto del contenido de asfalto sobre el módulo resiliente de la mezcla ha sido evaluado en una mezcla de tipo densa, de tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm, con un tipo de asfalto PG 70-22 en el que se ha variado el contenido entre su óptimo ±1%. El agregado pétreo empleado es de tipo basalto y la granulometría de la mezcla ha sido ajustada al centro del límite granulométrico. Todas las probetas fueron compactadas a la temperatura de 145 ºC según la carta de viscosidad del asfalto usado y 75 golpes/cara, condiciones patrón del estudio.

10

LIMON/MIRO

Contenido de asfalto

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

2,288

4102

360,1

8,8

2,327

3752

62,2

1,7

2,334

2920

67,8

2,3

Densidad 3

(g/cm )

(%) 5,5 (1% menor) 6,5 (Óptimo) 7,5 (1% mayor)

Tabla 3.4 Resultados de módulo resiliente vs contenido de asfalto

Efecto del contenido de betún Módulo resiliente (MPa)

5000 4000 3000 2000 1000 0 5´5 (1%Menor)

6´5 (Óptimo)

7´5 (1%Mayor)

Contenido de asfalto (%)

Figura 3.1 Resultados de módulo resiliente vs contenido de asfalto

Tipo de asfalto Se ha analizado el efecto del tipo de asfalto sobre el módulo resiliente, ensayando una mezcla densa, con agregado pétreo basalto, centrada en el límite granulométrico, fabricada con el contenido óptimo de asfalto (6,5%) y con diferentes asfaltos, tabla 3.5. Los resultados medios obtenidos se han representado en la figura 3.2.

11

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Tipo de

Densidad

asfalto

(g/cm3)

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

PG 58-22

2,299

1159

104,7

9,1

PG 64-22

2,293

2321

240,0

10,3

PG 70-22

2,327

3752

62,2

1,7

PG 76-22

2,311

4408

65,9

1,5

PG 82-22

2,308

4630

58,6

1,3

Tabla 3.5 Resultados de módulo resiliente vs tipo de asfalto

Efecto del tipo de Asfalto Módulo resiliente (MPa)

5000 4000 3000 2000 1000 0 PG 58-22

PG 64-22

PG 70-22

PG 76-22

PG 82-22

Tipo de asfalto

Figura 3.2 Resultados de módulo resiliente vs tipo de asfalto

Se comprueba que los betunes con mayor grado de desempeño (PG), aumentan los módulos resilientes. La variación de la densidad es muy pequeña. Es importante señalar que el ensayo se ha realizado a 20 ºC, y que el comportamiento de estos asfaltos a otras temperaturas dependerá de la susceptibilidad térmica de cada uno de ellos.

Naturaleza del agregado pétreo Con el fin de evaluar la sensibilidad del ensayo frente a la naturaleza del agregado pétreo se ha ensayado una mezcla densa, de tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm, centrada en el límite granulométrico y fabricada con un asfalto PG 70-22, empleando tres diferentes de agregado pétreos: calizo, basalto y granito. El óptimo de asfalto depende del tipo de agregado pétreo utilizado, tabla 3.6. 12

LIMON/MIRO

Tipo de

Densidad

Agregado

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

3

pétreo

(g/cm )

Calizo

2,171

4483

369,4

8,2

Basalto

2,327

3752

62,2

1,7

Granito

2,391

4227

117,5

4,2

Tabla 3.6 Resultados de módulo resiliente vs tipo de agregado pétreo

Módulo resiliente (MPa)

Efecto del tipo de Agregado pétreo 5000 4000 3000 2000 1000 0 Calizo

Basalto

Granito

Tipo de agregado pétreo

Figura 3.3 Resultados de módulo resiliente vs tipo de agregado pétreo

Granulometría En este punto se evalúa el efecto de las variaciones de la granulometría de la mezcla dentro de los límites, en los que se ha ensayado una granulometría centrada y otras ajustadas al límite inferior y superior respectivamente, utilizando el agregado pétreo tipo basalto con tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm, un asfalto PG 70-22 y el óptimo de asfalto depende de la granulometría utilizada, tabla 3.7.

13

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Desviación

Coeficiente de

estándar

variación

(MPa)

(%)

3114

150,3

4,8

2,327

3752

62,2

1,7

2,279

4438

151,3

3,4

Densidad

Módulo

(g/cm3)

resiliente (MPa)

Inferior

2,259

Centrada Superior

Granulometría

Tabla 3.7 Resultados de módulo resiliente vs granulometría del agregado pétreo

Efecto de la granulometría Módulo resiliente (MPa)

5000 4000 3000 2000 1000 0 Inferior

Centrada

Superior

Granulometría

Figura 3.4 Resultados de módulo resiliente vs granulometría de la mezcla

En la tabla 3,7 se puede observar como las densidades están próximas entre sí, pero el módulo resiliente aumenta conforme la granulometría se acerca a su límite superior. Esta granulometría tiene mayor cantidad de finos, que proporcionan una mayor cohesión que la granulometría del límite inferior. Energía y Temperatura de Compactación El efecto de la compacidad de las mezclas asfálticas, la mayor o menor densidad obtenida en su compactación, se ha estudiado en una mezcla con granulometría centrada en límite, agregado pétreo basalto, tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm y con el contenido óptimo de asfalto PG 70-22 (6,5%), que se ha fabricado y compactado variando la energía de compactación Marshall: 35, 50, 75, 100 y 125 golpes por cara y la temperatura de compactación: la óptima, la óptima menos 20 ºC y la óptima menos 40 ºC.

14

LIMON/MIRO

Densidad Nº golpes

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

3

(g/cm )

35

2,151

2243

383,2

17,1

50

2,181

2535

161,1

6,4

75

2,265

2980

339,3

11,4

100

2,281

2986

20,6

0,7

125

2,317

3222

29,3

0,8

Tabla 3.8 Efecto de la variación de la energía de compactación sobre el módulo resiliente, a 40 ºC menos que la temperatura óptima de compactación

Desviación

Coeficiente de

estándar

variación

(MPa)

(%)

2694

109,9

4,1

2,221

3098

194,7

6,3

2,266

3182

127,8

4,0

Densidad

Módulo

(g/cm3)

resiliente (MPa)

35

2,205

50 75

Nº golpes

Tabla 3.9 Efecto de la variación de la energía de compactación sobre el módulo resiliente a 20 ºC menos que la temperatura óptima de compactación

Desviación

Coeficiente de

estándar

variación

(MPa)

(%)

2886

210,2

7,3

2,272

3135

486,2

15,5

2,327

3752

62,2

1,7

Densidad

Módulo

(g/cm3)

resiliente (MPa)

35

2,196

50 75

Nº golpes

Tabla 3.10 Efecto de la variación de la energía de compactación sobre el módulo resiliente a la temperatura óptima de compactación

15

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Módulo resiliente (MPa)

Efecto de la energía y temperatura de compactación 5000 35gpc

4000

50 gpc

3000

75 gpc 2000

100 gpc

1000

125gpc

0 40ºC menor

20ºC menor

Temperatura óptima

Temperatura de compactación

Figura 3.5 Variación del módulo resiliente en función de la temperatura y energía de compactación

A partir de los resultados obtenidos, se puede decir que la temperatura y energía de compactación son variables muy importantes en módulo resiliente. Al ir disminuyendo la temperatura de compactación el módulo disminuía, al igual que disminuir la energía de compactación. Además, cuando existe una combinación de una baja energía y de baja temperatura de compactación, los resultados de módulo resiliente decrecen notablemente.

Módulo resiliente (MPa)

Módulo resiliente vs Densidad 4000

75gpc 50gpc

3500 35gpc 3000

125gpc 75gpc 100gpc

2500 35gpc 2000 2.100

2.150

50gpc 2.200

2.250

2.300

2.350

3

Densidad (g/cm ) 40ºC menor

Temp. óptima

Figura 3.6 Variación del módulo resiliente y densidad en función de la temperatura y energía de compactación

Sin embargo, al aumentar la energía de compactación por encima de la energía normalizada, aunque se aprecia un ligero aumento del módulo, éste es mucho menos significativo que la disminución que se produce cuando la energía disminuye en la misma proporción.

Temperatura de ensayo Para analizar la influencia de la temperatura de ensayo se han realizado series de probetas de una mezcla densa, con agregado pétreo basalto de tamaño máximo de 19 mm, granulometría

16

LIMON/MIRO

centrada en el límite, con diferentes tipos de asfalto (PG 58-22, 64-22, 70-22, 76-22 y 82-22) y contenido de asfalto óptimo (6,5%), y se ha determinado su módulo resiliente a 5, 20 y 40 ºC.

Módulo resiliente (MPa)

Efecto de la temperatura de ensayo 14000 12000

PG-58

10000

PG-64

8000

PG-70

6000

PG-76

4000

PG-82

2000 0 5ºC

20ºC

40ºC

Temperatura de ensayo

Figura 3.7 Variación del módulo resiliente en función de la temperatura de ensayo y tipo de asfalto

En la figura 3.7 se observa que, para cualquier tipo de asfalto, al ir aumentando la temperatura de ensayo, va disminuyendo fuertemente el módulo resiliente; además, se puede ver como el asfalto PG 70-22 a bajas temperaturas tiene el mayor módulo, mientras que a medias y altas temperaturas no es así; esto quiere decir que este asfalto presenta una rigidización excesiva a bajas temperaturas.

3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS EN CAMPO El ensayo de módulo resiliente se ha aplicado en el control de ejecución de diferentes obras de pavimentos bituminosos realizadas en México, durante un largo periodo de tiempo. Se han extraído testigos de las capas de mezcla asfáltica ejecutadas y se han ensayado a módulo resiliente a 20 ºC, con objeto de correlacionar su módulo con su compacidad. Las mezclas estudiadas han sido mezclas densas con diferentes tamaño máximo de agregado pétreo, granulometrías diferentes, diferentes tipos de agregado pétreo y asfalto y diferente contenido de asfalto. Tanto de las probetas elaboradas a partir de la mezcla fabricada en planta, como de los testigos extraídos de la capa ejecutada, se han representado los valores de módulo resiliente en función de la densidad alcanzada. En éstos gráficos se puede observar que las nubes de puntos obtenidas, para cada caso, se distribuyen de forma aproximadamente lineal y las rectas calculadas por regresión son, en muchos casos, prácticamente paralelas. En la tabla 3.11 se presentan las características de las mezclas de las obras estudiadas, como el tipo de agregado pétreo, tamaño máximo, granulometría y tipo de asfalto.

17

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Obra (Nº)

Tipo de

Tamaño máximo (mm)

Granulometría

Tipo de asfalto

agregado pétreo 1

Basalto

19

Superior en huso

PG 70-22

2

Granito

19

Centrada en huso

PG 70-22

3

Basalto

19

Centrada en huso

PG 70-22

4

Basalto

19

Superior en huso

PG 70-22

5

Basalto

25

Superior en huso

PG 76-22

6

Basalto

19

Superior en huso

PG 70-22

7

Basalto

19

Centrada en huso

PG 76-22

8

Basalto

19

Centrada en huso

PG 70-22

9

Calizo

19

Centrada en huso

PG 70-22

10

Calizo

19

Centrada en huso

PG 70-22

11

Basalto

19

Inferior en huso

PG 82-22

Tabla 3.11 Características de las mezclas de las obras analizadas

A continuación se muestran algunos gráficos en el presente documento, de lo que se ha hecho en el trabajo de investigación.

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

DENSIDAD (g/cm3)

Figura 3.8 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 1

18

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

LIMON/MIRO

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

Figura 3.9 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 3

TESTIGOS

PROBETAS

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

Figura 3.10 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 5

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

Figura 3.11 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 7

19

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

RESILIENTE

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

Figura 3.12 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 9

A continuación en la tabla 3.12 se muestran los resultados obtenidos en las todas las obras estudiadas en el trabajo de investigación: Densidad Compacidad Módulo Mezcla Desviación Coeficiente (g/cm3)

Resiliente (%)

Estándar

de variación

(MPa)

(%)

1963

536,1

27,3

1460

77,5

5,3

4153

48,8

1,2

3784

130,6

3,5

3594

126,0

3,5

3498

143,2

4,1

3806

130,5

3,4

3305

370,3

11,2

4827

100,3

2,1

1170

169,3

14,5

(MPa)

Obra 1 (Planta)

2,317

Obra 1

2,288

98,7

(Testigos) Obra 2 (Planta)

2,367

Obra 2

2,346

99,1

(Testigos) Obra 3 (Planta)

2,275

Obra 3

2,272

99,8

(Testigos) Obra 4 (Planta)

2,133

Obra 4

2,116

99,2

(Testigos) Obra 5 (Planta)

2,378

Obra 5

2,250

94,6

(Testigos)

20

LIMON/MIRO

Obra 6 (Planta)

2,238

Obra 6

2,228

99,5

3152

77,8

2,5

2304

293,3

12,7

4380

77,1

1,8

2173

277,1

12,8

2964

180,5

6,1

2368

170,2

7,2

4261

46,7

1,1

3089

105,8

3,4

3856

113,3

2,9

3353

166,7

5,0

4511

107,8

2,4

3913

517,7

13,2

(Testigos) Obra 7 (Planta)

2,123

Obra 7

2,033

95,7

(Testigos) Obra 8 (Planta)

2,239

Obra 8

2,188

97,7

(Testigos) Obra 9 (Planta)

2,185

Obra 9

2,073

94,8

(Testigos) Obra 10 (Planta)

2,290

Obra 10

2,285

99,7

(Testigos) Obra 11 (Planta)

2,390

Obra 11

2,363

98,8

(Testigos) Tabla 3.12 Resultados medios de probetas de mezcla fabricada en planta y testigos extraídos de obra

Del análisis de los valores de la tabla 3.12 se pueden obtener varias conclusiones; en primer lugar, se observa que los módulos de todas las probetas de mezcla de planta tienen menos dispersión (y su coeficiente de variación es menor) que la de los testigos extraídos de obra, a excepción de la Obra 1 en la que hay mayor dispersión en las probetas de planta que en los testigos. También se observa como en las Obras 5, 6, 7 y 9 existe una gran diferencia entre el módulo resiliente obtenido sobre las probetas de mezcla de planta y el obtenidos sobre los testigos extraídos de obra, debido a la mala ejecución de la mezcla asfáltica, a diferencia de la Obra 3, en la que los módulos resilientes de probetas de planta son casi iguales a los de testigos extraídos de obra, poniendo de manifiesto una buena ejecución de lo que se fabrica en planta.

21

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

4. ANÁLISIS

EXPERIMENTAL

DE

LOS

RESULTADOS

DE

LABORATORIO Investigadores de prácticamente todos los campos de estudio llevan a cabo experimentos, por lo general, para descubrir algo acerca de un proceso o sistema particular. En un sentido literal, un experimento es una prueba. En una perspectiva más formal, un experimento puede definirse como una prueba o una serie de pruebas en las que se hacen cambios deliberados en las variables de entrada de un proceso o sistema para observar o identificar las razones de los cambios que pudieran observarse en la respuesta de salida [6]. En nuestro trabajo de investigación encontraremos cuales son las variables que más y menos influyen, así como las posibles relaciones importantes entre las diferentes variables. A partir de los módulos obtenidos en laboratorio cuando se combinan diferentes variables, se pretende aplicar el concepto de diseño y análisis de experimentos, con la finalidad de conocer cuáles son las variables que más influyen en el módulo resiliente de las mezclas asfálticas. Para ello, se han fabricado y ensayado nuevas series de probetas, que se han dividido en tres categorías de acuerdo con las variables analizadas: a) Composición de la mezcla: -

Contenido de asfalto

-

Tipo de asfalto

-

Naturaleza del agregado pétreo

-

Granulometría

-

Tamaño máximo del agregado pétreo

b) Elaboración de las probetas -

Energía de compactación

-

Temperatura de compactación

-

Tipo de compactación

-

Altura de la probeta

c) Ejecución del ensayo -

Temperatura de ensayo

-

Frecuencia de aplicación de carga

-

Inmersión de probetas en agua

22

LIMON/MIRO

Composición de la mezcla Las cinco variables a analizar en la categoría de composición son el contenido de asfalto (A), el tipo de asfalto (B), la granulometría (C), el tamaño máximo de agregado pétreo (D) y el tipo de agregado pétreo (E). En la tabla 4.1 se recoge la identificación de las variables y el valor del módulo obtenido para cada una de ellas. Las probetas se fabricaron a la temperatura de compactación óptima, con una energía de compactación de 75 golpes por cara, y el ensayo se realizó a una temperatura de 20 ºC y a una frecuencia de carga de 0’5 Hz.

Tipo de agregado pétreo

Tamaño máximo

Granulometría

Tipo de

Contenido

asfalto

de asfalto

Módulo resiliente (MPa)

Identificación de la variable

Basalto

½”

Inferior

PG 58

1% menor

1004,2

1

Basalto

½”

Inferior

PG 58

1% mayor

714,8

a

Basalto

½”

Inferior

PG 82

1% menor

4019,9

b

Basalto

½”

Inferior

PG 82

1% mayor

2861,4

ab

Basalto

½”

Superior

PG 58

1% menor

1431,8

c

Basalto

½”

Superior

PG 58

1% mayor

1019,1

ac

Basalto

½”

Superior

PG 82

1% menor

5731,6

bc

Basalto

½”

Superior

PG 82

1% mayor

4079,8

abc

Basalto

1”

Inferior

PG 58

1% menor

1158,1

d

Basalto

1”

Inferior

PG 58

1% mayor

824,3

ad

Basalto

1”

Inferior

PG 82

1% menor

4636,1

bd

Basalto

1”

Inferior

PG 82

1% mayor

3300

abd

Basalto

1”

Superior

PG 58

1% menor

1651,2

cd

Basalto

1”

Superior

PG 58

1% mayor

1175,3

acd

Basalto

1”

Superior

PG 82

1% menor

6610,2

bcd

Basalto

1”

Superior

PG 82

1% mayor

4705,2

abcd

Calizo

½”

Inferior

PG 58

1% menor

1199

e

Calizo

½”

Inferior

PG 58

1% mayor

853,5

ae

Calizo

½”

Inferior

PG 82

1% menor

4799,8

be

Calizo

½”

Inferior

PG 82

1% mayor

3416,5

abe

Calizo

½”

Superior

PG 58

1% menor

1709,6

ce

Calizo

½”

Superior

PG 58

1% mayor

1216,8

ace

Calizo

½”

Superior

PG 82

1% menor

6843,5

bce

Calizo

½”

Superior

PG 82

1% mayor

4871,3

abce

23

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Calizo

1”

Inferior

PG 58

1% menor

1382,8

de

Calizo

1”

Inferior

PG 58

1% mayor

984,2

ade

Calizo

1”

Inferior

PG 82

1% menor

5535,5

bde

Calizo

1”

Inferior

PG 82

1% mayor

3940,2

abde

Calizo

1”

Superior

PG 58

1% menor

1971,5

cde

Calizo

1”

Superior

PG 58

1% mayor

1403,3

acde

Calizo

1”

Superior

PG 82

1% menor

7892,6

bcde

Calizo

1”

Superior

PG 82

1% mayor

5618

abcde

Tabla 4.1 Identificación de las variables y valores de módulo resiliente de las variables de composición para el estudio estadístico

Gráfico de probabilidad normal Porcentaje de probabilidad normal

100 C

B

80 60 40 AB A -2000

-1000

20 0 0

1000

2000

3000

4000

Valor estimado

Figura 4.1 Gráfico de probabilidad normal de las variables de composición de una mezcla asfáltica

En la figura 4.1 se observa que los componentes de una mezcla asfáltica que más influyen en el módulo resiliente son el tipo de asfalto, contenido de asfalto, granulometría y la combinación tipo de asfalto-contenido de asfalto, siendo el tipo de asfalto el que mayor influencia tiene. Elaboración de las probetas Las cuatro variables a analizar en la categoría de elaboración de las probetas son la altura de la probeta (A), la energía de compactación (B), la temperatura de compactación (C) y el tipo de compactación (D). En la tabla 4.2 se recoge la identificación de las variables y el valor del módulo obtenido para cada una de ellas. Las probetas se fabricaron con agregado pétreo tipo basalto, tamaño máximo de ¾”, granulometría centrada, tipo de asfalto PG 82 y contenido de asfalto óptimo, y el ensayo se realizó a una temperatura de 20 ºC y a una frecuencia de carga de 0’5 Hz.

24

LIMON/MIRO

Tipo de compactación

Altura

Temperatura de compactación

Módulo

Energía de

de

compactación

probeta (mm)

resiliente (MPa)

Identificación de la variable

Giratorio

40 ºC menor

0,5 º

25

1105,4

1

Giratorio

40 ºC menor

0,5 º

65

1383

a

Giratorio

40 ºC menor

1,25º

25

1640

b

Giratorio

40 ºC menor

1,25º

65

2644

ab

Giratorio

Óptima

0,5 º

25

1671

c

Giratorio

Óptima

0,5 º

65

2074

ac

Giratorio

Óptima

1,25 º

25

2465

bc

Giratorio

Óptima

1,25 º

65

3135

abc

Marshall

40 ºC menor

35 gpc

25

1715,7

d

Marshall

40 ºC menor

35 gpc

65

2000

ad

Marshall

40 ºC menor

75 gpc

25

2279,2

bd

Marshall

40 ºC menor

75 gpc

65

2600

abd

Marshall

Óptima

35 gpc

25

2207,3

cd

Marshall

Óptima

35 gpc

65

2885

acd

Marshall

Óptima

75 gpc

25

2870

bcd

Marshall

Óptima

75 gpc

65

3752

abcd

Tabla 4.2 Identificación de las variables y valores de módulo resiliente de las variables de elaboración de probetas para el estudio estadístico

Gráfico de probabilidad normal Porcentaje de probabilidad normal

100 D

C

A

B

80 60 40 20 0 -300

-100

100

300

500

700

900

Valor estimado

Figura 4.2 Gráfico de probabilidad normal de las variables de elaboración de una mezcla asfáltica

En la figura 4.2 se observa que todas las variables de elaboración de una probeta de mezcla asfáltica tienen mucha influencia en el módulo resiliente, de acuerdo a su contribución

25

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

porcentual, siendo la energía y la temperatura de compactación las que más influyen en el comportamiento del módulo resiliente. Ejecución del ensayo Por último, las tres variables a analizar son el acondicionamiento de las probetas (A), la frecuencia de carga (B) y la temperatura de ensayo (C). En la tabla 4.3 se recoge la identificación de las variables y el valor del módulo obtenido para cada una de ellas. Las probetas se fabricaron con agregado pétreo tipo basalto, tamaño máximo de ¾”, granulometría centrada, tipo de asfalto PG 82, contenido de asfalto óptimo, temperatura de compactación óptima y energía de compactación de 75 golpes por cara.

Temperatura

Frecuencia de

Módulo

de ensayo

carga

(ºC)

(Hz)

5

0’33

Sin Acondicionar

10035

1

5

0’33

Acondicionada

8433,4

a

5

1,0

Sin Acondicionar

13819

b

5

1,0

Acondicionada

11667

ab

40

0’33

Sin Acondicionar

505

c

40

0’33

Acondicionada

424,3

ac

40

1,0

Sin Acondicionar

698,6

bc

40

1,0

Acondicionada

587

abc

Acondicionamiento

Identificación

resiliente

de la variable

(MPa)

Tabla 4.3 Identificación de las variables y valores de módulo resiliente de las variables de ejecución del ensayo para el estudio estadístico

Porcentaje de probabilidad normal

Gráfico de probabilidad normal 100 80 60 40 20 C 0 -12000 -10000 -8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

Valor estimado

Figura 4.3 Gráfico de probabilidad normal de las variables de ejecución del ensayo de módulo resiliente

26

LIMON/MIRO

En la figura 4.3 se observa que la variable de ejecución del ensayo de módulo resiliente de una mezcla asfáltica que más influye es la temperatura de ensayo.

5. EVALUACIÓN DEL EFECTO PRODUCIDO POR LA FALTA DE CALIDAD EN LA EJECUCIÓN DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS En este capítulo se pretende analizar la variación de la vida de un pavimento, calculado bajo determinadas hipótesis, considerando una disminución del módulo resiliente de la mezcla que constituye las capas asfálticas. Mediante el empleo de métodos analíticos utilizados en el dimensionamiento de pavimentos y considerando los resultados de módulos resilientes obtenidos, y a partir de las leyes de fatiga obtenidas a partir de un ensayo a tracción indirecta, se ha evaluado el efecto de una mala ejecución de la mezcla asfáltica sobre la vida del pavimento, con el objeto de demostrar la importancia que tiene controlar las propiedades mecánicas de la mezcla ejecutada. Para evaluar el efecto producido por la disminución de módulo de la capa asfáltica se han determinado, en primer lugar, las leyes de fatiga, de acuerdo al ensayo de fatiga a tracción indirecta descrito en la norma Europea UNE-EN 12697-24 ANEXO E [4] sobre las probetas fabricadas en laboratorio, considerando las variables que más influían en el módulo, de acuerdo a su composición, elaboración y ejecución del ensayo. Además, se han determinado las leyes de fatiga de las probetas fabricadas en planta y de los testigos extraídos de las obras 3 y 5, las cuales corresponderían a las obras con menor y mayor diferencia entre módulos resilientes respectivamente. En segundo lugar, mediante el empleo de métodos analíticos, y a partir de las leyes de fatiga obtenidas, se analizará la pérdida de vida que tendrá un pavimento cuando la mezcla asfáltica se ejecuta de forma deficiente. La sección de pavimento considerada corresponde a la recogida en la norma española 6.1-IC sobre Secciones de Pavimento, para una categoría de tráfico T1 y una explanada E3. La categoría de tráfico pesado corresponde al rango de 1999-800 vehículos pesados por día. La explanada E3 presenta un módulo de compresibilidad en el segundo ciclo de carga (Ev2), obtenido de acuerdo con la norma NLT-357 “Ensayo de carga con placa”, de 300 MPa. La sección de pavimento considerada se indica en la tabla 5.1.

27

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Capa

Espesor (cm)

Mezcla asfáltica

25

Base granular

25

Tabla 5.1 Capas y espesores empleados en la sección de pavimento considerada

5.1 LEYES DE FATIGA Ley de Fatiga para las variables de composición de la mezcla que más influyen en el módulo resiliente La variable de composición que más influye sobre el módulo resiliente, de acuerdo al análisis estadístico que se realizó, es el tipo de asfalto. Por lo tanto, se decidió obtener las leyes de fatiga de las mezclas con mayor y menor módulo que corresponden a los tipos de asfalto PG 82-22 y PG 58-22 respectivamente. Hay que recordar que el asfalto PG 82-22 es un asfalto modificado con polímero.

LEY DE FATIGA PARA DIFERENTES TIPOS DE ASFALTOS

DEFORMACIÓN UNITARIA

0.001

y = 0.0037x-0.256 R² = 1

y = 0.0012x-0.283 R² = 0.83 0.0001

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

PG 82-22

PG 58-22

Figura 5.1 Leyes de fatiga para diferentes tipos de asfalto

En la figura 5.1 se observa que la ley de fatiga de la mezcla fabricada con el asfalto PG 82-22 se encuentra por encima de la ley de fatiga de la mezcla fabricada con el asfalto PG 58-22, aunque con pendientes muy similares. Ley de Fatiga para las variables de elaboración de la mezcla que más influyen en el módulo resiliente La variable de elaboración que más influye sobre el módulo resiliente, de acuerdo al análisis estadístico que se realizó, es la temperatura de compactación. Por lo tanto, se decidió obtener las

28

LIMON/MIRO

leyes de fatiga de las mezclas con mayor y menor módulo, que corresponden a compactar a la temperatura óptima y compactar a 40 °C por debajo de la temperatura óptima respectivamente.

LEY DE FATIGA PARA LAS DIFERENTES TEMPERATURAS DE COMPACTACIÓN

DEFORMACIÓN UNITARIA

0.001

0.0001

0.00001 1000

y = 0.0053x-0.333 R² = 0.9676

y = 0.0024x-0.32 R² = 0.9994

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

TEMP. DE COMPACTACIÓN ÓPTIMA

TEMP. DE COMPACTACIÓN 40 ºC MENOR

Figura 5.2 Leyes de fatiga para diferentes temperaturas de compactación

En la figura 5.2 se observa que la ley de fatiga de la mezcla compactada a la temperatura óptima se encuentra por encima de la ley de fatiga de la mezcla compactada a 40 °C por debajo a la temperatura óptima. Además, en este caso se puede observar que la pendiente de la ley de fatiga de la mezcla compactada a menor temperatura es mayor, por lo que será más sensible a las variaciones de deformación. Ley de Fatiga para las variables de ejecución del ensayo que más influyen en el módulo resiliente La variable de ejecución del ensayo que más influye sobre el módulo resiliente, de acuerdo al análisis estadístico que se realizó, es la temperatura de ejecución. Por lo tanto, se decidió obtener las leyes de fatiga de las mezclas con mayor y menor módulo, que corresponden a las temperaturas de ensayo de 5 y 40 °C respectivamente.

29

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

LEY DE FATIGA PARA DIFERENTES TEMPERATURAS DE ENSAYO

DEFORMACIÓN UNITARIA

0.001

y = 0.0013x-0.153 R² = 0.865

0.0001

y = 0.0015x-0.323 R² = 0.9361

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

Temp. de ensayo 40 °C

Temp. de ensayo 5 °C

Figura 5.3 Leyes de fatiga para diferentes temperaturas de ensayo

En la figura 5.3 se observa que la ley de fatiga de la mezcla ensayada a 5 °C se encuentra por encima de la ley de fatiga de la mezcla que se ensayó a 40 °C. Además, en este caso se puede observar que la pendiente de la ley de fatiga de la mezcla ensayada a 40 °C es mayor que la de la mezcla ensayada a 5 °C. Ley de Fatiga de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 3 Para mostrar el efecto de la ejecución real de una mezcla en obra, se han determinado las leyes de fatiga a mezclas de campo sobre probetas fabricadas en planta y testigos de obra. Se ha escogido en primer lugar la obra 3, ya que es la obra que tiene menor diferencia entre los módulos resilientes de probetas y testigos; por tanto, es importante conocer si la adecuada ejecución de la mezcla de obra que se deduce del ensayo de módulo resiliente se corresponde con un adecuado comportamiento en servicio, evaluado a partir del ensayo de fatiga.

En la Tabla 5.2 se presentan los módulos resilientes de la mezcla que se obtuvieron para las probetas fabricadas en planta y los testigos de obra, y sobre los que se determinaron las leyes de fatiga.

Módulo Mezcla

resiliente (MPa)

Probetas

3594

Testigos

3498

Tabla 5.2 Módulos resilientes de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 3

30

LIMON/MIRO

LEY DE FATIGA SOBRE PROBETAS FABRICADAS EN PLANTA Y SOBRE TESTIGOS DE LA OBRA 3 0.001

DEFORMACIÓN UNITARIA

y = 0.0032x-0.293 R² = 0.9813

y = 0.0034x-0.309 R² = 0.9854 0.0001

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

Probetas fabricadas en planta

Testigos de obra

Figura 5.4 Leyes de fatiga sobre probetas fabricadas en planta y sobre testigos de la obra 3

En la figura 5.4 se observa que la ley de fatiga de las mezclas de probetas fabricadas en planta se encuentra ligeramente por encima de la ley de fatiga de los testigos de obra, aunque las dos leyes de fatiga se encuentran muy próximas entre sí, lo que pone de manifiesto que el comportamiento de una y otra no difiere excesivamente y que la obra fue, por tanto, ejecutada correctamente, ya que la ley sobre testigos coincide prácticamente con la ley de diseño (sobre probetas).

Ley de Fatiga de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 5 Por otra parte, se realizó lo mismo en la obra 5, ya que es la obra que presenta mayor diferencia entre los módulos resilientes de probetas y testigos, y por tanto es importante conocer si esta diferencia entre módulos, se corresponde con los resultados obtenidos en el ensayo a fatiga.

En la Tabla 5.3 se presentan los módulos resilientes de la mezcla que se obtuvieron para las probetas fabricadas en planta y los testigos de la obra 5, sobre los que se determinaron las leyes de fatiga.

Módulo Mezcla

resiliente (MPa)

Probetas

4827

Testigos

1170

Tabla 5.3 Módulos resilientes de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 5

31

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

LEY DE FATIGA SOBRE PROBETAS FABRICADAS EN PLANTA Y SOBRE TESTIGOS DE

LA OBRA 5

0.001

DEFORMACIÓN UNITARIA

y = 0.0044x-0.259 R² = 0.9694

y = 0.0029x-0.349 R² = 0.9765 0.0001

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

Probetas fabricadas en planta

Testigos de obra

Figura 5.5 Leyes de fatiga sobre las probetas fabricadas en planta y sobre testigos de la obra 5

En la figura 5.5 se observa que la ley de fatiga de las mezclas de probetas fabricadas en planta se encuentra muy por encima de la ley de fatiga de los testigos de obra, lo que de nuevo pone de manifiesto que la diferencia que se obtuvo en el ensayo de módulo resiliente entre probetas de planta y testigos se sigue presentando en el ensayo de fatiga, siendo esta diferencia debida a una mala ejecución de la mezcla asfálticas.

5.2 CÁLCULO DE LA VIDA DEL PAVIMENTO Mediante el empleo de métodos analíticos se ha obtenido el estado de tensiones y deformaciones que se produce en la sección del pavimento seleccionado, en función del módulo de la mezcla obtenido en las diferentes condiciones consideradas, tanto a función de las variables de elaboración, como tras su puesta en obra. En este último caso se ha considerado tanto la obra 3 como la obra 5, representativas de una buena y mala ejecución respectivamente. Mediante la ayuda del software DISPAV-5 y las leyes de fatiga obtenidas anteriormente se ha determinado la vida del pavimento en cada caso. Para realizar este análisis se ha considerado que existe adherencia entre capas. Los valores del coeficiente de Poisson fueron otorgados por el software dependiendo del tipo de capa (mezcla asfáltica: 0,35, base granular: 0,40 y capa subrasante E3: 0,45).

Variable de elaboración de una mezcla asfáltica Como se mencionó anteriormente, la variable que más influye en la elaboración de una mezcla asfáltica es la temperatura de compactación. Mediante un estudio analítico, se ha obtenido la vida del pavimento, expresada en ejes equivalentes de 18 000 lbs, variando únicamente el módulo resiliente de las mezclas asfálticas cuando son compactadas a la temperatura óptima y a 40 °C por debajo de la temperatura óptima.

32

LIMON/MIRO

Como se puede observar en la tabla 5.4, la vida del pavimento disminuye notablemente, cuando disminuye el módulo de la mezcla asfáltica por efecto de compactarla a una temperatura inadecuada.

Temperatura de

Módulo

Aplicaciones de carga

compactación

resiliente

(millones de ejes

(°C)

(MPa)

equivalentes)

105

2980

21,4

145

3752

47,7

Tabla 5.4 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, al variar la temperatura de compactación de la mezcla

Vida en millones de ejes equivalentes vs Temperatura de compactación

Millones de ejes equivalentes

100 80 60

Mr = 3752 MPa

40 Mr = 2980 MPa 20 0 105

145

Temperatura de compactación (°C)

Figura 5.6 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, al variar la temperatura de compactación de la mezcla

Ejecución en campo Obra 3: buena ejecución Como se observó en el apartado 5.1, las leyes de fatiga entre las mezclas de planta y los testigos de obra son muy similares, lo que pone de manifiesto que la mezcla ha sido bien ejecutada. Para validar esto, se ha determinado la vida, expresada en millones de ejes equivalentes, de la sección antes mencionada. Como se puede observar en la tabla 5.5, la vida del pavimento es muy similar tanto a partir de las probetas, como a partir de los testigos.

33

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Módulo

Aplicación de carga

resiliente

(millones de ejes

(MPa)

equivalentes)

Probetas

3594

42,4

Testigos

3498

39,8

Mezcla

Tabla 5.5 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 3

Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de ejecución de la mezcla

Millones de ejes equivalentes

100 80 60 Mr = 3594 MPa

Mr = 3498 MPa

Probetas de planta

Testigos de obra

40 20 0 Probetas vs Testigos

Figura 5.7 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 3

Obra 5: mala ejecución Como se observó en el apartado 5.2.6, las leyes de fatiga entre las mezclas de planta y los testigos de obra son muy diferentes, lo que quiere decir que la mezcla no ha sido bien ejecutada. Para validar esto, se ha determinado la vida, expresada en millones de ejes equivalentes, de la sección antes mencionada. Como se puede observar en la tabla 5.6, la vida del pavimento disminuye radicalmente, cuando el módulo de los testigos es muy diferente del obtenido sobre las probetas de planta.

Módulo

Aplicación de carga

resiliente

(millones de ejes

(MPa)

equivalentes)

Probetas

4827

86,8

Testigos

1170

1,2

Mezcla

Tabla 5.6 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 5

34

LIMON/MIRO

Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de ejecución de la mezcla

Millones de ejes equivalentes

100

Mr = 4827 MPa

80 60 40 20 Mr = 1170 MPa 0 Probetas de planta

Testigos de obra

Probetas vs Testigos

Figura 5.8 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 5

Se puede concluir que el módulo resiliente de una mezcla asfáltica es un buen indicador de la vida que tendrá la sección del pavimento. Por otra parte, cuanto más parecidos sean los módulos de las probetas fabricadas en planta y de los testigos extraídos, mejor ejecutada se estará la mezcla asfáltica, mayor será su resistencia a la fatiga y mayor será la vida del pavimento.

6. DETERMINACIÓN

DE

CRITERIOS

PARA

EL

CONTROL

DE

CALIDAD A PARTIR DEL MÓDULO RESILIENTE Uno de los puntos importantes dentro de esta investigación es determinar los criterios de control de calidad de una mezcla asfáltica en el momento de su ejecución a partir del módulo resiliente. Como ya se ha mencionado en los capítulos introductorios, el control de calidad de la mezcla asfáltica, una vez colocada y compactada, se basa en la extracción de testigos para la determinación de su espesor y su densidad. Este valor de densidad es comparado con una densidad de referencia obtenida sobre una probeta elaborada con una muestra proveniente de planta y compactada. Por ejemplo, las especificaciones españolas sobre la unidad terminada indican que deberá alcanzarse una compactación mínima del 98% de la densidad Marshall de referencia para capas de espesor superior a 6 cm y del 97% para capas de menor espesor; por su parte, las especificaciones mexicanas establecen que la compactación mínima debe ser del 95% para capas de cualquier espesor. Por otra parte, el Asphalt Institute establece que los testigos extraídos de obra deben tener al menos un 8% de huecos, que equivale a una compactación mínima de aproximadamente el 96%.

Sin embargo, las experiencias recogidas en el capítulo 3 y 5 han puesto de manifiesto que el control de densidad no resulta el más adecuado por su poca sensibilidad para detectar variaciones en la composición de la mezcla, a diferencia de utilizar los resultados del ensayo de módulo resiliente. Además, el hecho de que una capa presente una alta compacidad, 35

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

no asegura que se haya ejecutado correctamente, ya que no se trata de un parámetro que pueda evaluar directamente la resistencia mecánica de la mezcla asfáltica.

6.1 CRITERIOS DEL CONTROL DE CALIDAD Para validar la utilización de este ensayo se presenta a continuación un análisis de los valores de confianza de los módulo resiliente retenido (relación módulo/módulo óptimo de cada tipo de mezcla) y porcentajes de compacidad (relación densidad/densidad óptima de cada tipo de mezcla) en función de las variables estudiadas en laboratorio, en particular de las variables de elaboración y composición, con el objeto de establecer un límite mínimo, tanto en módulo resiliente retenido como en porcentaje de compacidad. Posteriormente, para verificar el criterio de control propuesto, se ha realizado un estudio sobre los valores obtenidos de los testigos extraídos de obra. En la figura 6.1 se han representado los valores de módulo resiliente y porcentaje de compacidad en función de las variables de elaboración y composición. Cuando se realizó el análisis sobre los tipos de asfalto, se utilizó un agregado pétreo de tipo basalto y una granulometría centrada en huso. Por otra parte, cuando se realizó el análisis sobre los agregados pétreos, granulometría y tamaño de agregado pétreo, se utilizó un tipo de asfalto PG 70-22. En la tabla 6.1 se muestra, en modo de ejemplo, los valores considerados para asfalto PG 70-22.

Módulo Variables

resiliente (MPa)

Compacidad (%)

Módulo retenido (%)

Temp. de compactación 145 °C 75 golpes por cara

3752

100

100

3443

99,2

91,7

3402

98,1

90,6

3182

97,3

84,8

3136

96,8

83,5

y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 4,0 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 2,0° y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 125 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 1,25° y altura de probeta de 6,5 cm

36

LIMON/MIRO

Temp. de compactación 145 °C 50 golpes por cara

3134

97,6

83,5

3098

95,4

82,5

2986

98,0

79,5

2980

97,3

79,0

2886

94,3

76,9

2870

96,7

76,4

2694

94,8

71,0

2694

92,9

71,8

2535

93,6

67,0

2243

92,4

59,0

2074

88,8

55,2

y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 125 °C 50 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 100 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C 35 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 2,5 cm Temp. de compactación 125 °C 35 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 1,0° y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 50 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 35 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 0,5° y altura de probeta de 6,5 cm Tabla 6.1 Valores de módulo resiliente, porcentaje de compacidad y módulo retenido, para las diferentes variables de elaboración, cuando se utiliza un asfalto PG 70-22

37

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Módulo resiliente (MPa)

Porcentaje de compacidad vs Módulo resiliente para las variables de elaboración y composición PG 58-22

5000

PG 64-22

4000

PG 70-22

3000

PG 76-22 PG 82-22

2000

Calizo Granito

1000

Gran. Inferior

0 85

90

95

100

Gran. Superior TMN 1/2"

Porcentaje de compacidad (%)

TMN 1"

Figura 6.1 Módulo resiliente vs Porcentaje de compacidad para las variables de elaboración y composición

Para cada variable considerada, a partir de la figura 6.1 se ha obtenido el porcentaje de módulo resiliente retenido, como la relación entre el módulo resiliente para cada variable y el módulo resiliente óptimo, siendo éste último el obtenido cuando la mezcla con esa variable está bien ejecutada.

Módulo resiliente vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición Módulo resiliente (MPa)

5000

PG 58-22 PG 64-22

4000

PG 70-22 3000

PG 76-22

2000

PG 82-22 Calizo

1000

Granito Gran. Inferior

0 0

20

40

60

Módulo retenido (%)

80

100

Gran. Superior TMN 1/2" TMN 1"

Figura 6.2 Módulo resiliente vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición

En el gráfico 6.3 se ha representado la relación entre porcentaje de compacidad y el promedio del módulo retenido de todas las variables de composición. Este último valor se ha obtenido como la media de los módulos retenidos de todas las variables, al porcentaje de compacidad correspondiente. En la tabla 6.2 se muestra, en modo de ejemplo, los valores considerados para obtener el punto más bajo de la figura 6.3. Este punto es el promedio del módulo retenido para todas las variables de elaboración, cuando la mezcla asfáltica es compactada con un ángulo de giro de 0,5°. 38

LIMON/MIRO

Variable de

Módulo retenido

Compacidad

elaboración

(%)

(%)

PG 58-22

58,8

88,6

PG 64-22

59,2

88,3

PG 70-22

55,2

88,8

PG 76-22

57,2

87,7

PG 82-22

56,6

87,5

Calizo

60,1

88,6

Granito

59,7

88,6

Gran. Inferior

60,1

88,2

Gran. Superior

59,3

87,2

TMN ½”

59,4

88,5

TMN 1”

60,2

87,4

Valor medio

58,7

88,1

Tabla 6.2 Obtención del valor medio de módulo retenido para el punto más bajo de la figura 6.3

Porcentaje de compacidad vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición

Módulo retenido (%)

100 80 60 40 20 0 85

90

95

100

Porcentaje de compacidad (%)

Figura 6.3 Módulo retenido vs Porcentaje de compacidad para las variables de elaboración y composición

Posteriormente, se han establecido diferentes límites de calidad a partir de la media aritmética y la desviación estándar de los datos recogidos en la figura 6.3.

-

Media aritmética del módulo retenido = 80%

-

Desviación estándar del módulo retenido = 15%

-

Media aritmética del módulo retenido + desviación estándar del módulo retenido = 95%

39

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

-

Media aritmética del módulo retenido – desviación estándar del módulo retenido = 65%

-

Media aritmética del porcentaje de compacidad = 96%

-

Desviación estándar del porcentaje de compacidad = 2%

-

Media aritmética del porcentaje de compacidad + desviación estándar de porcentaje de compacidad = 98%

-

Media aritmética del porcentaje de compacidad – desviación estándar del porcentaje de compacidad = 94%

A partir de estos límites se han establecido diferentes zonas de calidad, representadas en la figura 6.4. Los rangos establecidos en el gráfico de control servirán para determinar si una mezcla ha sido mal ejecutada, si sus componentes no son los adecuados o si se produce una combinación de malos componentes y mala ejecución.

Figura 6.4 Gráfico de control de calidad de una mezcla asfáltica a partir del porcentaje de compacidad y módulo retenido

Cada uno de los rangos establecidos corresponde a un nivel de calidad: -

Calidad alta: mezcla asfáltica con compacidad alta y módulo retenido alto

-

Calidad aceptable: mezcla asfáltica con compacidad aceptable y módulo retenido aceptable (por encima de la media)

-

Calidad regular: mezcla asfáltica con compacidad regular y módulo retenido regular (por debajo de la media)

-

Calidad baja: mezcla asfáltica con compacidad baja y módulo retenido bajo

40

LIMON/MIRO

Este gráfico de control permite complementar el criterio del porcentaje de compacidad usado actualmente como parámetro de control de calidad de ejecución de la mezcla. Por otra parte, hay que mencionar que las propiedades de las mezclas evaluadas a partir de los testigos extraídos de las capas ejecutadas, generalmente tienen valores inferiores respecto a cuando se evalúan sobre probetas fabricadas en laboratorio, debido a los factores que intervienen en el proceso de ejecución de las capas e incluso en el de extracción de testigos. Por ello, algunos investigadores proponen introducir un factor de pérdida de resistencia cuando ésta se evalúa directamente sobre testigos. Por tal motivo, se ha decidido establecer un intervalo de confianza en módulo retenido. El intervalo se ha obtenido a partir de los valores de la obra 3, ya que es la que tiene los módulos resilientes más semejantes entre probetas de planta y testigos extraídos de campo, Tabla 6.3. Nº Ensayo

Módulo retenido (%)

1

98,6

2

95,5

3

100

4

97,1

5

97,9

6

98,9

7

99,1

8

96,2

9

95,8

10

96,1

11

96,5

12

96,3

Media (X)

97,3

Tabla 6.3 Valores de porcentaje de módulo retenido de la Obra 3

El intervalo de confianza se ha obtenido de acuerdo a la siguiente ecuación: X – 1,96 (/(n)1/2) ≤  ≤ X – 1,96 (/(n)1/2)

(6.1)

donde: X = media de los módulos retenidos 1,96 = coeficiente para una estimación de confianza del 95% = desviación estándar de los módulos retenidos n = número total de ensayos 41

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Por tanto, el intervalo de confianza es el siguiente: 96,45 ≤  ≤ 98,15

Expresado de otros términos, el intervalo de confianza es de 97,3 con una precisión de estimación de ±0,85. Entonces, la relación de módulo resiliente de testigo de obra/intervalo de confianza a su precisión de estimación menor se llamará módulo de campo corregido.

Módulo de campo corregido = Módulo resiliente de testigo de obra/96,45

(6.2)

Estos valores mínimos se han determinado a partir de los estadísticos del módulo retenido, en particular de su desviación estándar: -

Relación mínima entre valores medios de módulo resiliente corregido de testigos de obra y de probetas de mezcla fabricada en planta para aceptación: 80%

-

Relación mínima entre valores medios de módulo resiliente corregido de testigos de obra y de probetas de mezcla fabricada en planta para no levantar la mezcla y reponerla por una nueva, pero aplicando una sanción económica: 65%

Podría establecerse una gratificación, cuando la calidad obtenida fuera muy buena. Esta gratificación podría aplicarse cuando la relación de valores medios de módulo resiliente corregido de testigos de obra y de las probetas de mezcla fabricada en planta sea mayor del 95%. Los valores mínimos de porcentaje de compacidad permitidos para el control de calidad de una mezcla asfáltica después de que ésta ha sido colocada y compactada, de acuerdo a la figura 6.4 es de 96% para no generar sanción y 94% para que la mezcla no sea levantada y repuesta por una mezcla nueva por parte cliente. Así, las especificaciones españolas sobre la unidad terminada que establecen que debe existir una compactación mínima del 98% para capas superiores a 6 cm y del 97% para capas de menor espesor, encajarían en el gráfico de control propuesto. En cambio, la relación mínima exigida actualmente en México del 95% estaría fuera del gráfico, dando a entender que es insuficiente.

6.2 VERIFICACIÓN DEL CONTROL DE CALIDAD PROPUESTO Para saber si el método de control y los rangos propuestos son los adecuados para asegurar que una mezcla es ejecutada de manera correcta, se ha procedido a aplicar lo visto a los testigos extraídos de obra.

42

LIMON/MIRO

En la tabla 6.4, se presentan los valores de módulo resiliente obtenido sobre las probetas de mezcla fabricadas en planta, los módulos resilientes de los testigos de obra, los módulos resilientes corregidos de testigos de obra, los porcentajes de módulo retenido y los porcentajes de compacidad de las obras estudiadas.

Mezcla

Densidad (g/cm3)

Obra 1 (Probetas) Obra 1 (Testigos) Obra 2 (Probetas) Obra 2 (Testigos) Obra 3 (Probetas) Obra 3 (Testigos) Obra 4 (Probetas) Obra 4 (Testigos) Obra 5 (Probetas) Obra 5 (Testigos) Obra 6 (Probetas) Obra 6 (Testigos) Obra 7 (Probetas) Obra 7 (Testigos) Obra 8 (Probetas) Obra 8 (Testigos) Obra 9 (Probetas) Obra 9 (Testigos) Obra 10 (Probetas) Obra 10 (Testigos) Obra 11 (Probetas)

2,317 2,288

Compacidad (%)

98,7

2,367 2,346

99,1

2,275 2,272

99,8

2,133 2,116

99,2

2,378 2,250

94,6

2,238 2,228

99,5

2,123 2,033

95,7

2,239 2,188

97,7

2,185 2,073

94,8

2,290 2,285 2,390

99,7

98,8

Módulo Resiliente (MPa) 1963

Módulo Resiliente corregido (MPa) 1963

1460

1514

4153

4153

3784

3923

3594

3594

3498

3594

3806

3806

3305

3427

4827

4827

1170

1213

3152

3152

2304

2388

4380

4380

2173

2252

2964

2964

2368

2455

4261

4261

3089

3203

3856

3856

3353

3476

4511

4511

Módulo Retenido (%)

77,1

94,4

100

90,0

25,1

75,7

51,4

82,8

75,2

90,1

89,9

43

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Obra 11 (Testigos)

2,363

3913

4057

Tabla 6.4 Valores de módulos, porcentaje de módulo retenido y porcentaje de compacidad de las obras estudiadas

En la figura 6.5, se ha representado la relación entre el cociente entre el módulo corregido de los testigos y de las probetas de las obras estudiadas y el porcentaje de compacidad obtenido. Se puede observar que existe una obra con bonificación, cinco obras que están en el rango de aceptación, otras tres obras que se encuentran en el rango de penalización y, por último, dos obras que se encuentran en el rango de rechazo.

Figura 6.5 Gráfico de control de calidad de obra a partir del porcentaje de compacidad y la relación entre módulos de testigos y probetas

Los valores de la figura 6.5 se han comparado con los valores mínimos propuestos para la relación entre módulos.

Control de calidad a partir de los valores mínimos de relación entre módulos Si se aplican los valores mínimos de relación entre módulos después de su colocación y compactación, para su bonificación, aceptación, penalización y rechazo, se obtendría: Bonificación: obra 3 Aceptación: obras 2, 4, 8, 10 y 11 Penalización: obras 1, 6 y 9 Rechazo: obras 5 y 7

44

LIMON/MIRO

Control de calidad a partir de los valores mínimos de compacidad de acuerdo a la Normativa Española Si se aplica el porcentaje de compacidad exigido en la Normativa Española se obtendría: Aceptación: obras 1, 2, 3, 4, 6, 10 y 11 Penalización: obra 7 y 8 Rechazo: obras 5 y 9

Control de calidad a partir de los valores mínimos de compacidad de acuerdo a la Normativa Mexicana Si se aplica el actual criterio de control de calidad en México, (apartado 2.8.3.1), se obtendría: Aceptación: obras 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10 y 11 No Aceptación (*): obras 5 y 9

De acuerdo a este análisis, se pueden observar las diferencias que existen entre el método de control de calidad propuesto, encaminado a asegurar las propiedades mecánicas de la mezcla, y el método de control de calidad actual, basado solo en la densidad y no en las propiedades mecánicas: éste último acepta casi todas las obras, mientras que a partir del porcentaje de módulo resiliente retenido, casi la mitad de las obras se rechazan ó penalizan. Por ello, un control de calidad basado en las propiedades mecánicas que la mezcla asfáltica alcanza después de su colocación y compactación es de suma importancia para asegurar el adecuado comportamiento de la mezcla.

(*) No se menciona “Penalización” porque la actual Normativa Mexicana no considera este concepto cuando una mezcla asfáltica no alcanza los valores mínimos establecidos de porcentaje de compacidad.

7. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Conclusiones Las conclusiones de este estudio son:

1.- La determinación del módulo resiliente de las mezclas asfálticas permite determinar un parámetro relacionado con su cohesión. El módulo depende de la granulometría de la mezcla y de su compacidad, del tipo de agregado pétreo y del tipo y contenido de asfalto, siendo estos factores los que determinan la calidad de la mezcla.

45

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

2.- El ensayo para la determinación del módulo resiliente, a 20 °C, es suficientemente sensible para detectar variaciones en el módulo de las mezclas cuando se modifican las proporciones de sus componentes.

3.- Con respecto a las condiciones de ejecución, se ha evaluado el efecto de una compactación a bajas temperaturas, habiéndose observado que en esas condiciones, es posible conseguir una adecuada compacidad, aumentando suficientemente la energía de compactación, pero provocando a su vez una importante disminución en el valor de módulo resiliente, lo que supone una reducción de la calidad de la mezcla.

4.- Los resultados obtenidos sobre testigos obtenidos de las diferentes obras analizadas han demostrado que el módulo resiliente está relacionado con la compacidad de la mezcla, permitiendo de este modo conocer la calidad de una mezcla no sólo a través de sus propiedades volumétricas, sino también de sus propiedades mecánicas. Por ello, el actual método de control debe ser complementado con un ensayo que evalúe alguna propiedad mecánica, como es el módulo resiliente.

5.- El módulo resiliente está relacionado con la resistencia a fatiga de la mezcla. A partir de los módulos y de las leyes de fatiga obtenidas sobre testigos, y bajo determinadas hipótesis de cálculo, ha sido posible evaluar el efecto producido por la disminución del módulo en la vida del pavimento.

6.- Es posible mejorar el control de calidad habitualmente empleado, mediante el ensayo de módulo resiliente, ya que el actual parámetro de control de calidad, la densidad de referencia, no otorga una información concreta sobre el comportamiento de una mezcla asfáltica después de su colocación y compactación.

Líneas futuras de investigación Las líneas futuras de investigación son:

1.- Realizar un análisis más detallado del efecto de las variables de composición de las mezclas asfálticas sobre el módulo resiliente, ya que sólo se han estudiado betunes y agregado pétreos de la Republica Mexicana.

2.- Llevar a cabo un estudio más amplio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de la ejecución de las mezclas asfálticas a través de los criterios propuestos para 46

LIMON/MIRO

comprobar si los rangos establecidos en este estudio son los adecuados para aceptar o rechazar una obra, ya que hasta el momento sólo se han estudiado mezclas utilizadas en la Republica Mexicana.

3.- Corroborar con mayor número de mezclas, tanto de laboratorio como de campo, la relación entre el módulo resiliente y el desempeño a fatiga, especialmente a distintas temperaturas.

BIBLIOGRAFÍA 1. Martínez, A. Aseguramiento de la calidad de mezclas asfálticas mediante la aplicación del ensayo de tracción indirecta en el control de su ejecución. Tesis doctoral, Tutor: Félix Pérez Jiménez, Barcelona, España, 2000. 2. CEDEX Centro de estudios y experimentación de obras públicas. Normas españolas NLT, Ensayos de carreteras. Madrid, 1996. 3. Asphalt Institute. Principios de construcción de pavimentos de mezcla asfáltica en caliente. Serie de manuales N° 22 (MS-22), Asphalt Institute, Lexington, 1991. 4. Normas UNE, 2006. 5. Normativa de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, México, 2008. 6. Montgomery, E. Diseño de análisis de experimentos, Limusa Wiley, 2° edición, 2005. 7. AFNOR (Asociación Francesa de Normalización). Normativa para el control de calidad de mezclas asfálticas, 2007. 8. Baldai, C. y Kattar, F. Asphalt mix design and the indirect test: a new horizon. Asphalt concrete mix design: development of more rational approaches. ASTM STP 1041, W. Gartner Ed., American Society for Resting and Materials, 1989, pp. 86-105. 9. Boudreau R. y Hicks, R. Effects of test parameters on resilient modulus of laboratorycompacted asphalt concrete specimen. Transportation Research Record, 1992, pp. 46. 10. Huang, Y. Pavement analysis and design. Prentice Hall, Inc., New Jersey, 1993. 11. Kennedy, T., Roberts, F. y McGennis, R. Effects of compaction temperature and effort on the engineering properties of asphalt concrete mixtures. Placement and compaction of asphalt mixtures. ASTM STP 829, F.T. Wagner, Ed., American Society for Testing and Materials, 1984, pp. 48-66. 12. Lottman, R. Laboratory test method for predicting moisture-induced damage to asphalt concrete. Transportation Research Record 843, Transportation Research Board, National Research Council, Washington D.C., 1982, pp. 88-94. 13. Monismith, C., Finn, F. y Vallerga, B. A Comprehensive asphalt concrete mixture design system. Asphalt concrete mix design: development of more rational approaches, 47

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

ASTM STP 1041, W. Gartner Jr., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1989, pp. 39-71. 14. Moreno, R. Efecto del equipo y procedimiento de medida en la determinación del módulo resiliente y resistencia a tracción indirecta de las mezclas asfálticas. Tesina de especialidad, Tutor: Adriana Martínez, Barcelona, España, 2005. 15. Wagner, F. T. Placement and compaction of asphalt mixtures. ASTM STP 829, Ed., American Society for Testing and Materials, 1984.

AGRADECIMIENTOS Al Dr. Felix Pérez y Dra. Adriana Martínez cuya ayuda y orientación ha sido especialmente oportuna y valiosa. También quiero agradecer a las empresas SURFAX y PACCSA por el apoyo recibido para la obtención de los resultados. En especial, al Ing. Ignacio Cremades y al Ing. Rafael Limón por todo el apoyo que me han brindado. Además quiero agradecer a las empresas que colaboraron de una u otra manera para la elaboración de este trabajo como son Agacel, Asfaltos Guadalajara, CCM, CYPSA VISE, Construcarr, Constructora Arcon, Grupo Escudero y Suelos y Control.

48

Evolución del programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT 1

2

Francisco Romero , Horacio Delgado Alamilla , Paul Garnica Anguas

2

1

Asociación Mexicana del Asfalto AC, [email protected] Instituto Mexicano del Transporte, [email protected], [email protected]

2

Resumen El presente trabajo tiene por objetivo conocer la evolución del programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT desde su inició en 2010 y hasta 2013, tanto en la metodología del programa como en la participación de los laboratorios. Existe un proceso de evaluación (antes, durante y posterior a la visita al laboratorio) en su conjunto y con resultados satisfactorios, el laboratorio podrá obtener el reconocimiento en las pruebas que esté participando, habiendo cumplido con los requisitos de equipo, personal y resultados. La metodología del programa ha progresado desde la implementación del mismo en 2010 hasta la fecha 2013. Los requerimientos para obtener el reconocimiento de las pruebas han aumentado en cuanto a exigencia, buscando asegurar la calidad en la ejecución de los ensayos y la confiabilidad de los resultados reportados por los laboratorios. La evaluación de los técnicos laboratoristas es teórico-práctica y hemos empatado esté programa con la certificación de laboratoristas en agregados. Se ha observado, un incremento considerable en la participación de laboratorios año con año, ya que en 2010 tomaron parte 14, durante el año 2011 fueron 29 los inscritos, 2012 tuvo la participación de 37 empresas y en 2013 aspiran a los diferentes reconocimientos 58 laboratorios. El incremento en la participación de los laboratorios fue proporcional a las categorías que fueron evaluadas anualmente.

1. Justificación Las determinaciones en el laboratorio están sometidas a múltiples fuentes de error y en su conjunto determinan la calidad del análisis. Para controlar estos errores, el laboratorio debe establecer su sistema de calidad sobre la base de buenas prácticas de laboratorio, lo cual debe reforzarse con un control externo que se manifiesta en la participación en estudios interlaboratorios, donde se puede evaluar la competencia técnica de cada laboratorio. Los estudios interlaboratorios se realizan con el interés

de evaluar un método analítico, también sirven para medir la aptitud de diferentes laboratorios por la comparación de sus resultados contra valores establecidos (valores de referencia). 2.

Objetivos

Asegurar y dar continuidad a los laboratorios que participen dentro del proceso de control de calidad, ya sea como parte del constructor o la empresa supervisora. Que los laboratorios cuenten

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con la capacidad técnica adecuada para que los resultados de los ensayos garanticen la calidad de la mezcla asfáltica. Garantizar la confiabilidad a través de ensayos de aptitud el desempeño de los laboratorios de ensayo de mezclas asfálticas; y detectar tendencias que permitan tomar acciones correctivas que accedan a facilitar y lograr una mejora continua. Uniformizar las prácticas a nivel nacional de cada uno de los ensayos relacionados a las mezclas asfálticas con base en el Protocolo AMAAC PA 01/2011. 3.

Alcances

El reconocimiento de los ensayos por categorías (agregados, asfaltos y mezcla asfáltica), se considera vigente por dos años, habiendo cumplido con los requisitos solicitados (equipo adecuado, personal capacitado y resultados dentro de un rango aceptable en comparación con el valor de referencia). Requiriéndose de convocatorias anuales para dar continuidad al aseguramiento de la calidad de los laboratorios participantes. 4.

Metodología

El programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT 2013, está basado en tres aspectos, los cuales son necesarios para obtener el reconocimiento de cada ensayo. 4.1.

 Se evalúa la precisión y exactitud.  Los resultados obtenidos por el laboratorio de cada ensayo, deberá estar dentro de un rango aceptable en comparación con el valor de referencia, es así como se determina la exactitud.  Se solicitan 2 resultados de cada laboratorista por ensayo, con ello se determina la precisión del técnico.1  Los resultados de los ensayos deberán ser enviados en los formatos establecidos al correo [email protected]. 4.2. Evaluación laboratorio

del

equipo

de

 El laboratorio debe contar con equipo propio, si es necesario, se le solicita que compruebe la adquisición y propiedad del mismo.  Debe estar físicamente durante la visita de evaluación para corroborar el inventario enviado, de no contar con el equipo, el ensayo no es reconocido aunque el personal conozca el procedimiento.  Se verifica que cumpla con las especificaciones establecidas en la norma correspondiente.  Debe estar calibrado o verificado, las verificaciones deben realizarse bajo un procedimiento normalizado y con equipos patrón (calibrados). Tabla1.  Presentar certificados de calibración o registros y procedimientos de verificación de los equipos según corresponda. Tabla 1. Ejemplo de equipo que se debe calibrar o verificar Calibrar Verificar Balanza Mallas Termómetro Máquina desgaste de

Resultados de los ensayos

 Se envía material necesario para la realización de los ensayos que pretende reconocer. 1

Precisión y sesgo de las normas ASTM.

Página 2 de 12

Vernier Celda de carga TSR 4.3.

los ángeles Calibrador de forma de la partícula Agitador mecánico para ensayos de desprendimiento

Evaluación de personal

Antes de 2013, las evaluaciones del personal se realizaban de manera teórica, con ello se evaluaba el conocimiento del laboratorista sobre el procedimiento de prueba de cada ensayo. A partir del programa 2013, las evaluaciones del personal son prácticas y teóricas. Se le envía un correo a los laboratorios para que preparen material para la realización del 100% de los ensayos en los que esté participando, el laboratorista realiza cada uno de los ensayos y durante la ejecución de cada ensayo hay procedimientos que se obvian. Puntos a evaluar  Contar físicamente con las normas sobre las cuales se va evaluar.2  Se solicita evidencia del conocimiento práctico de los ensayos en los cuales aspira al reconocimiento, formatos de registro de resultados y formato de identificación de muestras.  Habilidad en la ejecución de los ensayos que pretende obtener el reconocimiento.  Conocimientos básicos de metrología, p. ej. Balanza: 2

Convocatoria, http://www.amaac.org.mx/images/stories/amaacpdfs/pwconvocatoriainterlabs10ene13.pdf

o Colocación de la muestra en el equipo de medición. o Conocimiento de la capacidad y resolución de la balanza. o Cuidados generales, p. ej. Evitar el movimiento del equipo. Con el fin de darle una plusvalía al “Programa de certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados”, se determinó que los laboratoristas que contarán con la certificación antes mencionada, no serían evaluados nuevamente en dicha categoría durante la visita de evaluación. Esta implementación se sustenta en que, durante las visitas de evaluación del año 2012, el personal certificado en la categoría de agregados, obtuvo resultados satisfactorios en las evaluaciones del procedimiento de prueba de la categoría. Al finalizar la visita de evaluación, se entrega un informe de hallazgos, en cual se hacen observaciones al laboratorio por cada ensayo, en caso de ser necesario, respecto a equipos, herramienta y ejecución en los procedimientos de prueba. Esto para contribuir a la mejora continua del laboratorio por reconocer. 5.

Reconocimiento AMAAC-IMT

Existen 2 tipos de reconocimiento y este va a depender del alcance de cada laboratorio.  

Por categoría, vigencia de 2 años. Por prueba, vigencia de 1 año.

Los laboratorios pueden participar en cierto número de ensayos y obtener el reconocimiento por prueba, el laboratorio cuenta con 1 año para reconocer los

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ensayos que le faltan y así obtener el reconocimiento por categoría. De no completar la categoría en el tiempo establecido, el laboratorio deberá presentar nuevamente la totalidad los ensayos en su siguiente intervención. 5.1. Requerimientos para obtener el reconocimiento por categoría Adicionalmente a la obtención de resultados favorables en la evaluación del equipo y personal durante la visita al laboratorio, el laboratorio debe cumplir con lo siguiente: 

Agregados

Obtener resultados satisfactorios en las primeras 11 pruebas y adicionalmente 2 de las 5 restantes de la convocatoria del programa, realizando estos ensayos con las muestras enviadas por AMAAC-IMT. Tabla 2. Tabla 2. Ensayos categoría de agregados 1. Reducción de muestras (ASTM C702-11). 2. Análisis granulométrico (ASTM C136-06). 3. Densidad y absorción de agregados gruesos (ASTM C127-12). 4. Densidad y absorción de agregados finos (ASTM C128-12). 5. Determinación del valor equivalente de arena (ASTM D2419-09). 6. Determinación de partículas planas y alargadas (ASTM D4791-10). 7. Determinación de azul de metileno en material fino (filler) (RA 05/10). 8. Determinación del porcentaje de partículas fracturadas en agregados gruesos (ASTM D5821-01 (2006)).

9. Intemperismo acelerado (ASTM C88-05). 10. Desgaste de Los Ángeles (ASTM C131-06). 11. Angularidad del agregado fino (AASHTO T304-11). 12. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa. Ebullición (ASTM D362596 (2005)). 13. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa. (RA 07/10). 14. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (MMP 4.04.009/03). 15. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa. (RA 08/10). 16. Desgaste Micro Deval (ASTM D692810). 

Asfaltos

Mínimo 80 puntos, obteniendo resultados satisfactorios con las muestras enviadas AMAAC-IMT en cada uno de los ensayos presentados. Tabla 3. Tabla 3. Ensayos categoría de asfaltos Puntaje 1. Muestreo de asfaltos 4 (MMP 4.05.001/00). 2. Densidad específica del 8 asfalto (ASTM D70-09). 3. Punto de inflamación de 8 Cleveland (MMP 4.05.007/00). 4. Viscosidad rotacional 16 (ASTM D4402/12). 5. Ensayo reológico de corte dinámico (ASTM D7175/08). 5.1 Condición original. 8 5.2 Condición RTFO. 8 5.3 Condición PAV. 8 6. Ensayo de la película 12

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delgada en horno giratorio RTFO (ASTM D2872/04). 7. Ensayo de envejecimiento con olla de presión PAV (ASTM D6521/08). 8. Ensayo con el reómetro de viga a flexión BBR (ASTM D6648/08). TOTAL 



12

16 100

Mezcla asfáltica nivel I

Para poder aspirar al reconocimiento del NIVEL I se debe tener reconocidas las pruebas 2,3 y 4 de la categoría de agregados. Tabla 2. Además, obtener mínimo 80 puntos, logrando resultados satisfactorios con las muestras enviadas AMAAC-IMT en cada uno de los ensayos presentados. Tabla 4.

Contar con el reconocimiento en el NIVEL I y obtener resultados satisfactorios con las muestras enviadas AMAAC-IMT en cualquiera de los tres ensayos indicados en la tabla 5. Tabla 5. Ensayos categoría de mezcla asfáltica nivel II A. Ensayo de deformación permanente con Rueda de Hamburgo (RA 01/11, AASHTO T324-04). B. Ensayo de susceptibilidad a las deformaciones permanentes (PISTA ESPAÑOLA) (RA 03/11). C. Ensayo de susceptibilidad a las deformaciones permanentes (APA) (RA 02/11, AASHTO T340-10).

5.2. Tabla 4. Ensayos categoría mezcla asfáltica nivel I Puntaje 1. Muestreo en mezclas 5 asfálticas (ASTM D979-12). 2. Gravedad específica de la mezcla compacta, Gmb con 20 parafina (ASTM D1188-07). 3. Gravedad específica de la mezcla compacta, Gmb sin 20 parafina (ASTM D2726-11). 4. Gravedad específica teórica máxima, Gmm (ASTM 20 D2041-11). 5. Evaluación de la susceptibilidad a la humedad 10 TSR (RA 04/10). 6. Compactación (ASTM 25 D6925-09). TOTAL 100

Mezcla asfáltica nivel II

Resoluciones de reconocimiento

En años anteriores (programas de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT 2010, 2011 y 2012) se empleó la resolución “condicionado”, esta se otorgaba cuando el resultado del ensayo no era satisfactorio pero el equipo y personal cumplía. Adicionalmente existían diferentes combinaciones que indicaban si el ensayo era reconocido o no. Ahora, 2013, se opto por dejar de lado esta resolución y simplemente un ensayo puede ser reconocido o no reconocido. Ya que las exigencias en el programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT cada año serán mayores, buscando la excelencia en la calidad de los ensayos evaluados con un personal ampliamente capacitado para ello, así como la confiabilidad en los resultados otorgados por los laboratorios participantes.

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Para que un ensayo sea reconocido tendrá que cumplir con los 3 requisitos de evaluación: Personal, Equipo y resultados.

de inscripciones, administración del correo destinado a este programa, etc. 

5.3. Recursos prima

humanos

y

materia

Para la ejecución adecuada del programa de laboratorio con reconocimiento AMAACIMT 2013, fue necesario:  Personal técnico Fue necesario el apoyo de 6 técnicos laboratoristas para la realización de las siguientes actividades. o Reducción de muestras de agregado grueso y fino. o Cribado de agregado grueso y fino. o Elaboración de paquetes para los ensayos de la categoría de agregados, asfalto y mezcla asfáltica nivel I y II. o Dosificación de material pétreo para los ensayos de mezclas asfálticas nivel I y II. o Envío de muestras AMAAC-IMT por paquetería. Además de 2 ingenieros que forman parte del comité de evaluadores para el análisis e interpretación de los resultados, así como la elaboración de los informes finales. La realización del 100% de los ensayos de las diferentes categorías, y de los cuales se obtienen los valores de referencia, estuvo a cargo de 2 ingenieros certificados como laboratoristas en la categoría de agregados y en diseño de mezclas. 

Personal administrativo

Colaboración de 2 profesionistas encargadas de la parte administrativa del programa, como lo son: Informes, registro

Comité evaluador

Para el programa 2013 se contó con 9 evaluadores, los cuales se encargaron de las visitas de evaluación a los laboratorios participantes, las visitas se realizaron en el periodo comprendido entre los meses marzo y agosto de 2013. 6. Cantidad categoría o

de

materiales

por

Agregados Tabla 6. Distribución de muestras de ensayos de agregados

Ensayo 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Materia l [kg]

Laboratorista s

Total [kg]

40,0

82

3160, 0

2,0 2,0 7,0 0,05 7,0 1,0 5,0 2,0 0,5 0,35 0,5 0,15 1,5

82 79 77 77 75 77 75 75 54 39 72 60 55

164,0 158,0 539,0 3,85 525,0 77,0 375,0 150,0 27,0 13,6 36,0 9,0 82,5

La cantidad de material es por ensayo para 1 laboratorista, en total fueron 43 laboratorios inscritos. 3

Convocatoria, categoría agregados. http://www.amaac.org.mx/images/stories/amaacpdfs/pwconvocatoriainterlabs10ene13.pdf

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Tabla 7. Cantidad de material por tamaños gruesos y finos (muestras de ensayos) Ensayo 4

1, 2, 3, 6, 8 4, 5 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16

Tamaño de agregad o Agregado grueso Agregado fino Agregado grueso

Preparació n

Reducción de muestra

Cribado

Total [kg] 4238, 0

Se realizaron 640 dosificaciones de 1200g de material y 640 con 2400g de material.

322,0

770,1

Tabla 70. Material dosificado para ensayos mezcla asfáltica nivel I y II Agregado fino [Ton] 0,6

Asfalto [L] 80,0

Total [Ton] 8,0 2,0

Además fue necesario muestrear 50 L de asfalto tipo 1 para la realización de los ensayos de desprendimiento por fricción en la fracción gruesa del material pétreo. Asfalto

Para la evaluación de esta categoría se consideró analizar 2 tipos de asfalto. Tabla 96. Asfalto muestreado Asfalto Tipo 1 Tipo 2

En la tabla 10, se muestra el material efectivo para las dosificaciones, es necesario precisar que para obtener esas cantidades de material fue ineludible muestrear 4 ton de agregado grueso y 3 ton de agregado fino.

Agregado grueso [Ton] 1,0

Tabla 8. Material muestreado

o

Mezcla asfáltica

Para la evaluación de esta categoría, se optó por enviar por separado el agregado pétreo (con la dosificación deseada) y el asfalto.

Las cantidades de material mostradas en las ilustraciones 6 y 7, son las muestras de ensayo, la cantidad de material muestreado se presenta en la ilustración 8.

Tamaño de agregado Agregado grueso Agregado fino

o

7.

Análisis de resultados

7.1.

Variabilidad de muestras

Es el nombre que se da a las diferencias en el comportamiento de todo fenómeno observable que se repite bajo iguales condiciones, debidas a cambios en factores no controlables, que influyen sobre él. Estas diferencias pueden ser casi imperceptibles, como en el caso de ensayos de laboratorio, donde hay un alto grado de control sobre los factores que influyen sobre el fenómeno. En el programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT, se les solicita a los laboratoristas realizar 2 ensayos, cada uno con duplicado.

Total [L] 50,0 50,0

4

Convocatoria, categoría agregados. http://www.amaac.org.mx/images/stories/amaacpdfs/pwconvocatoriainterlabs10ene13.pdf

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En la tabla 12, se muestra la solicitación de resultados a los laboratorios participantes, con ello determinamos: a) Desviación estándar entre el resultado 1 y 2 del técnico 1. b) Desviación estándar entre el resultado 1a y 2a del técnico 2. Si la variabilidad entre los resultados es la permitida por el ensayo, se calcula: a) Promedio de los resultados 1 y 2 del técnico 1. b) Promedio de los resultados 1a y 2a del técnico 2.

siendo este último el que se maneja en el estadístico de desempeño Zscore. 7.2.

Sistema comparativo

Una vez expuestos los resultados obtenidos por los laboratoristas de cada laboratorio participante, se procede al análisis de los resultados en forma comparativa con el valor conocido. Este tipo de análisis permite determinar si existen diferencias estadísticamente significativas entre los resultados reportados y el valor conocido. El estadístico de desempeño que se utiliza es el Zscore.

Tabla 8. Diagrama de solicitud de resultados

z

x  X  S

Laboratorio "0"

Técnico 1

Técnico 2

Ensayo "x"

Ensayo "x"

8. Evolución del programa laboratorio con reconocimiento AMAACIMT

60 57

Resultado 1

Resultado 2

Resultado 1a

N° Laboratorios

50 40 30 20 10

Resultado 2a

37

30

14

0 2010

A continuación se determina la desviación estándar de los promedios. La variabilidad existente deberá ser igual o menor a la especificada por la normativa sobre la cual se está realizando el ensayo. Verificando lo anterior, obtenemos un solo resultado por laboratorio derivado de los promedios,

2011

2012

2013

Año

Figura 1. Incremento en la participación de laboratorios

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Agregados

Asfalto

Mezcla asfáltica nivel I

Mezcla asfáltica nivel II

   

Agregados; 230,8% Asfalto; 212,5% Mezcla asfáltica nivel I; 75,0% Mezcla asfáltica nivel II; 500,0%

45 43 30 26 21

15 844

Asfalto

Mezcla asfáltica nivel I

Mezcla asfáltica nivel II

45 43

18

15

13

25 24

Agregados

10

49

30 5

7

0 2010

2011

2012

25

2013

24

15

Figura 2. Incremento en la participación de laboratorios por categoría

13 8

4

2010

Agregados

Asfalto

Mezcla asfáltica nivel I

Mezcla asfáltica nivel II

20

16 13

10 8

7

9

8

1 3 0

7 3

4

0 2010

2011

2012

Figura 3. Incremento de laboratorios reconocidos por categoría Comparativa 2010 vs 2013 De acuerdo con la ilustración 4, podemos observar el incremento en la participación de los laboratorios por categoría desde el 2010 año en que se arrancó el programa y hasta el programa del año en curso. El incremento ha sido considerable:

4

7

0 2013

Figura 4. Incremento de laboratorios participantes por categoría Las figuras siguientes muestran la distribución geográfica de todos los laboratorios participantes así como los laboratorios acreditados. Estos son una buena conclusión en cuanto al programa reconocimiento AMAAC-IMT, ya que nos dan una idea clara de donde se ubican tanto los laboratorios participantes como los certificados. Figura 5 Distribución geográfica de los laboratorios participantes en el programa de certificación AMAAC-IMT en 2013 (Todas las categorías). Figura 6 a 9 Distribución geográfica de los laboratorios certificados en el programa de AMAAC-IMT hasta 2013 en las diferentes categorías.

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Figura 5 Distribución geográfica de los laboratorios participantes en el programa de certificación AMAAC-IMT en 2013

Figura 6 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de agregados hasta diciembre de 2013 Página 10 de 12

Figura 7 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de asfaltos hasta diciembre de 2013

Figura 8 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de Mezclas asfálticas Nivel I hasta diciembre de 2013 Página 11 de 12

Figura 9 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de Mezclas asfálticas Nivel II hasta diciembre de 2013

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Orientar a la adecuada implementación del Protocolo AMAAC, en empresas dedicadas a este ramo, así como también, compartir situaciones que se presentan en el proceso de decisión, de implementación, capacitación y utilización del equipo.

El protocolo de la AMAAC es un nuevo método que contiene los procedimientos necesarios para diseñar una mezcla asfáltica de granulometría densa de alto desempeño en México y que pretende, con su utilización en la construcción de pavimentos, carreteras más duraderas, seguras , confortables y económicas en cuanto a su construcción, mantenimiento y operación..

Para cumplir con todas estas características se deben cubrir ciertas especificaciones y prácticas de laboratorio. Son muy pocas las empresas de construcción en México que cuentan con el equipo adecuado para desarrollar las pruebas necesarias del Protocolo AMAAC por lo que aun no es implementado al 100% en el país.

Contribuir a la mejora de la calidad y de la competitividad de los productos, procesos y servicios relacionados con los asfaltos, promoviendo la investigación y el desarrollo tecnológico a través de capacitación especializada y publicaciones técnicas.

El Protocolo AMAAC es un sucesor del SUPERPAVE que se desarrolla en Estados Unidos, pero adaptado para las características particulares de nuestro país.

Para que los laboratorios en México sean acreditados deberán cumplir con las especificaciones del Protocolo AMAAC cubriendo 3 etapas: 1) Selección de los agregados Pétreos, 2) Selección del Cemento Asfaltico y 3) Control de calidad dela mezcla Asfáltica. Este proyecto se centrara en la primera etapa para obtener la acreditación del laboratorio de la empresa “Servicios de Consultoría en Infraestructura Vial A.C.”, para que en el futuro pueda obtener las otras desacreditaciones y pueda ser una empresa Mexicana más que pueda dar los servicios.

Las propiedades de los materiales pétreos representan un factor crítico en el diseño de las mezclas asfálticas, ya que una mala selección de éstos puede ser la diferencia entre el éxito y el fracaso de un proyecto.

Obtener una muestra representativa de agregado de el tamaño adecuado para ser ensayada.

 Cuarteador Mecánico

Reducción de muestras

 Cuarteo

 Pila cónica miniatura

EQUIPO  Cuarteador.

 Pala  Regla y/o llana

Escoba o brocha  Lona de 2 x 2.5 mts

 Cuarteador mecánico

PROCEDIMIENTO DE CUARTEO DE MUESTRA

AL TOMAR LOS CUARTOS CORRESPONDIENTES, ESTOS DEBEN SER OPUESTOS Y ADEMAS DEBEN TOMARSE DE ADENTRO HACIA AFUERA.

COMO INDICA LA FLECHA

MENOS PERDIDAS DE FINOS TRABAJO MECANICO SIMPLICIDAD Y RAPIDES EN EL PROCESO

INADECUAD A DIVISION DE EL MATERIAL SI EL TAMAÑO DEL AGREGADO ES MUY GRANDE NO SE PUEDE USAR SE DEBE TENER UNO PARA CADA TIPO DE MATERIAL(GRAVA Y ARENA).

RECONOCIMIENTO DEL MATERIAL A LA VISTA DEL LABORATORISTA

PERDIDA DE FINOS EN EL PROCESO PROCESO LARGO

Determinar la correcta distribución de tamaños de agregados finos y gruesos por medio de mallas.

 Balanza de 0.1g  Balanza de 0.5g  Mallas  Vibrador mecánico

 Agregado fino: El tamaño del espécimen de ensayo deberá ser de 300g  Agregado grueso : El tamaño del espécimen de ensayo deberá ser de acuerdo a la siguiente tabla.

PARA LA REALIZACION DE LA GRANULOMETRIA ES IMPORTANTE NO SATURAR LAS MALLAS CON MATERIAL PARA REALIZAR UN CORRECTO CRIBADO.

Una muestra de el agregado es sumergida en agua por 24+/- 4 hrs para llenar los poros, después secada superficialmente y pesada, posteriormente la muestra es colocada en un contenedor graduado y el volumen de la muestra es determinado por el método volumétrico o gravimétrico, finalmente la muestra es secada y se obtiene la masa de la misma

 Volumétrico : Picnómetro

Absorción Y Densidad

 Gravimétrico : Matraz Le Chatelier

 Balanza de capacidad 1kg  Picnométro

 Matraz Le Chatelier Molde y pisón para pruebas de humedad

Horno, capaz de mantener una temp de 110+/- 5 grados

RESUMEN DEL METODO: Una muestra de el agregado es sumergida en agua por 24+/- 4 hrs para saturar los poros, después secada superficialmente y pesada, posteriormente por desplazamiento de agua a una temperatura de 23+/- 2 grados, es determinado el volumen, finalmente la muestra es secada y se obtiene la masa de la misma

EQUIPO  Balanza con precisión 0.5 g  Contenedor de la muestra

 Tanque de agua Horno, capaz de mantener una temp de 110+/- 5 grados

TAMAÑO DE LA MUESTRA

AL IGUAL QUE LAS DEMAS PRUEBAS DE DENSIDAD, LA CONDICION DE SATURADO SUPERFICIALMENTE SECO ES MUY IMPORTANTE PARA OBTENER RESULTADOS CONFIABLES.

OBJETIVO: Determinar las proporcione entre Arena y Finos. (arcilla y limo)

Se lava un volumen determinado de material con una pequeña cantidad de solución de trabajo en una probeta graduada, posteriormente se al material más solución con la finalidad de que el material arcilloso entre en suspensión sobre la arena, se deja sedimentar por un periodo de 20min +/- 15 seg y finalmente se lee la altura de la arcilla floculada y la altura de la arena .

EQUIPO  Probeta graduada con tapón de hule  Pisón lastrado  Solución de reserva  Solución de trabajo  Agitador mecánico ( 45+/- 5 seg)  Capsula medidora con capacidad de 85+/- 5 ml

SOLUCION DE RESERVA

CLORURO DE CALCIO + GLICERINA +

FORMALDEHIDO

GLUTARALDEHIDO

KATHON

ALTURA ENTRE LA MESA DETRABAJO Y LA SOLUCION DE TRABAJO DEBE SER DE 90CM

OBJETIVO:

Determinar la reactividad de los finos que son utilizados para la fabricación de mezclas asfálticas.

EQUIPO  Bureta graduada de 25ml

 Azul de metileno grado reactivo

 Vaso de precipitado de 100 ml  Solución de azul de metileno 1/1000  Varilla de vidrio

 Parilla de agitación

 Papel Whatman No.40

 Agitador magnético

 Agua destilada

 Cronometro

Esta método se refiere a la determinación del contenido de vacíos de una muestra de agregado fino no compactada.

Un contenedor cilíndrico calibrado de 100 ml se llena con agregado fino , permitiendo que la muestra fluya a través de un embudo desde una altura fija dentro del medidor. El agregado fino se extrae y se determina su masa. El contenido de vacíos sin compactar se calcula como la diferencia entre el volumen del material y el volumen de el cilindro.

 Medida cilíndrica con capacidad de 100ml

 Embudo  Plato de vidrio

 Balanza con aproximación de 0.1g  Charola

 Espatula

SUPERFICIE TOTALMENTE HORIZONTAL

LAS BALANZAS JUEGAN UN PAPEL IMPORTANTE, PARA DATOS CONFIABLES Y CERTEROS, POR ELLO DEBEN DE ESTAR CALIBRAR.

ESTA NORMA DESCRIBE EL PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL PORCENTAJE, EN PESO, DEL MATERIAL QUE PRESENTE UNA O MÁS CARAS FRACTURADAS DE LAS MUESTRAS DE AGREGADOS PÉTREOS.

 Cara Fracturada: Es una cara angular, lisa o superficie fracturada de una partícula de agregado formada por trituración, otros medios artificiales o por la naturaleza.  Partícula fracturada: una partícula de agregado es fracturada si tiene el número mínimo de caras fracturadas especificadas (usualmente una o dos).

Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma cúbica, producidas, casi siempre por trituración.

 Balanza con aproximación de 0.1g  Charola  Espátula

 Mallas para granulometría

SE SEPARA POR TAMIZADO LA FRACCIÓN DE LA MUESTRA COMPRENDIDA ENTRE LOS TAMAÑOS 37.5 MM Y 9.5 MM (1½" Y 3/8"). DESCARTE EL RESTO. ESPARZA LA MUESTRA EN UN ÁREA SUFICIENTEMENTE GRANDE, PARA INSPECCIONAR CADA PARTÍCULA. SI ES NECESARIO LAVE EL AGREGADO SUCIO. ESTO FACILITARÁ LA INSPECCIÓN Y DETECCIÓN DE LAS PARTÍCULAS FRACTURADAS. SEPARE CON EL BORDE DE LA ESPÁTULA, LAS PARTÍCULAS QUE TENGAN UNA O MÁS CARAS FRACTURADAS.

PESE LAS PARTÍCULAS FRACTURADAS Y ANOTE ESTE VALOR. ANOTE EL PESO EXACTO DE LAS PORCIONES DE LA MUESTRA TOMADAS PARA EL ENSAYO, COMPRENDIDAS ENTRE LOS TAMAÑOS ANTES ESPECIFICADOS. ANOTE EL PESO DEL MATERIAL CON CARAS FRACTURADAS PARA CADA TAMAÑO. FINALMENTE CALCULE EL PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS PARA CADA TAMAÑO.

.

Determinar la resistencia a la trituración de los materiales pétreos empleados en mezclas asfálticas. La prueba consiste en colocar una muestra del material con características granulométricas específicas dentro de un cilindro giratorio, en donde es sometida al impacto de esferas metálicas durante un tiempo determinado, midiendo la variación granulométrica de la muestra como la diferencia entre la masa que pasa la malla N°12 (1,7mm de abertura), antes y después de haber sido sometida a este tratamiento.

Una vez separado y clasificado el material de la muestra, se elige el tipo de composición que se utilizará para integrar la muestra de prueba, que mejor se asemeje a las características granulométricas obtenidas. Se obtiene la masa de la muestra de prueba integrada, y se introduce a la máquina de Los Ángeles.

Hecho lo anterior, se introducen las esferas a la máquina de Los Ángeles y se hace funcionar a una velocidad angular de 30 a 33 rpm, durante 500 revoluciones.

 Maquina de los Ángeles  Mallas  Balanza  Carga Abrasiva con un diámetro promedio de 47 mm y una masa de entre 390 y 445 g cada una

OBJETIVO:

La prueba de Micro Deval en agregados gruesos determina la pérdida por abrasión en presencia de agua y de una carga abrasiva.

La muestra colocada en un recipiente de acero con 2.0 litros de agua durante dos horas mínimo y posterior se agrega 5000 gr de bolas de acero de 9.5 mm de diámetro, como carga abrasiva. El recipiente con el material rotan a 100 rpm, el tiempo varia de acuerdo al tipo de desgaste a realizar. La muestra posteriormente es lavada y secada en horno. La pérdida es la cantidad de material que pasa el tamiz de1.18 mm (No 16), expresada como porcentaje de la masa original de la muestra.

 Maquina de Desgaste microdeval  La carga abrasiva debe estar constituida por bolas esféricas de 9.5 ± 0.5 mm de diámetro, de acero inoxidable.

 cilindros huecos, de una capacidad de 5 litros, con un diámetro interior de 200 ± 1 mm y una longitud útil, medida desde el fondo hasta el interior de la tapa, de 175 ± 1 mm. Los cilindros estarán fabricados con acero inoxidable de espesor superior o igual a 3 mm

DETERMINAR LA PERDIDA DE LA PELICULA ASFALTICA EN LOS MATERIALES PETREOS.

 Ebullición ( ASTM D-3625 )  Acción del agua (RA-07-2010) (AUSTRALIANO).  Método de la SCT ( M-MMP-4-04-009-03)  AMAAC RA-08-2010

ACCION DEL AGUA Una cantidad de muestra de agregado petreo conocida (50piezas) es colocada en charolas de aluminio con el fondo cubierto de asfalto sometidas a 60° durante 24 hrs, posteriormente se llevan a un baño de agua a 55° durante 4 días y despues aclimatadas a 25° durante 2 horas, finalmete se desprenden de las charolas mediante el uso de pinzas de punta y por último se determina de manera visual el % de cubrimiento o desprendimiento.

EQUIPO  Platos de aluminio de 15 * 15 * 1 cm  Horno  Baño María

 Pinzas de punta

METODO SCT Se mezclan fracciones de petreo (500g) con cemento asfaltico y se dejan enfríar a temperatura ambiente, posteriormente de estas porciones se toman dos pequeñas fracciones de 50g cada una, se colocan en frascos y se saturan con 200ml de agua destilada durante 24 hrs, transcurrido este tiempo, se colocan en el agitador mecanico y se someten a 4 ciclos de agitación de 15 min cada uno, finalmete de manera visual se determina el % de despendimiento que ha tenido cada muestra.

EQUIPO  Agitador mecanico  Frascos de vidrio  Charolas de mezclado  Pala de mezclado.

AMAAC RA-08-2010 Se mezclan fracciones de petreo (50g) con 2.5% cemento asfaltico y se dejan enfríar a temperatura ambiente, se colocan en frascos y se saturan con 200ml de agua destilada durante 24 hrs, transcurrido este tiempo, se colocan en el agitador mecanico y se someten a un periodo de agitacion de 3 hrs, una vez finalizado el período de agitación se extraen las partículas se dejan secar y se evalua de manera viasual el desprendimiento de la película de asflato.

EQUIPO  Agitador mecanico  Frascos de vidrio

 Charolas de mezclado  Pala de mezclado.

Conseguir proveedor Mexicano que fabrique los muestreadores metálicos descritos por la AMAAC como “cilindro con lastre y tapón”, ya que comunmente se muestrea directamente en latas metálicas.

Para estas pruebas se requieren termómetros muy sensibles de hasta 0.1 °C. También se requieren balanzas con precisión de 0.001gr.

Su obtención elevados.

y

calibración

son

costos

Se requiere un cuarto oscuro para la realización de dicha prueba, así como también aparatos sensibles y personal capacitado para una buena realización e interpretación de la prueba.

Se requiere personal capacitado por parte del proveedor para resolver dudas al utilizarlo. Ya que el controlador de la termocelda se apaga cuando se a su punto de inflamación como dispositivo de seguridad, esta situacion no es clara en el instructivo de operación por parte del proveedor.

La capacitación para este equipo es muy costosa (costo en dólares), y es complejos

Las geometrías utilizadas recomendadas por los proveedores son costosas y cualquier rayadura o deformación que estas tengan, alteran directamente los resultados.

El equipo es muy sensible por lo que se tiene que tener un especial cuidado en su limpieza en sus conexiones. En el aire suministrado y filtros adecuados

YA QUE EL MANTENIMIENTO Y REPARACION DEL EQUIPO ES ALTAMENTE COSTOSO.

Se debe de calibrar el sensor de temperatura y flujo, ya que por parte del proveedor no se entrega un certificado de calibración.

Se requiere cilindro de aire comprimido el cual debe tener medidas de seguridad las cuales nos tiene que hacer llegar el proveedor.

Calibración de fabrica vencidos de presion y temperatura.

Falta la instalación de toma de datos digitales de presión y temperatura hasta el momento, el proveedor solo capacita para tomar los datos manualmente.

CATEGORIA DE MEZCLAS

NIVEL 4 Nivel 3 + Diseño por fatiga

NIVEL 3 Nivel 2 + Modulo Dinámico

NIVEL 2 Nivel 1 + Susceptibilidad a la deformación permanente

NIVEL 1 Diseño volumétrico, Susceptibilidad a la humedad y Selección del asfalto por grado PG

NIVEL I DISEÑO VOLUMETRICO SUCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD SELECCIÓN DEL ASFALTO

El cemento asfáltico se debe seleccionar en función de la temperatura máxima y mínima que se esperan en el lugar de aplicación, de acuerdo a la Norma de la SCT NCMT-4-05-004/05 Calidad de materiales Asfálticos Grado PG.

(Norma SCT)

[1ΣL10 ] = numero de ejes equivalentes 8.2 t (ESAL), esperando durante un periodo de servicio del pavimento de 10 años] Grado PG México AC-20 ≈ PG 64-16 http://gradopgmexico.com/

AC-20 ≈ PG 64-16

TEMPERATURAS DE MEZCLADO Y COMPACTACIÓN Característica

Rango de Viscosidad, Pa.s

Temperatura de Mezclado

0,15 a 0,19

Temperatura de Compactación

0,25 a 0,31

Rangos de Viscosidades para seleccionar las temperaturas de mezclado y compactación entre el agregado pétreo y cemento asfáltico convencional.

NOTA: Para asfaltos modificados estas temperaturas las debe proporcionar el proveedor

Pruebas para el cemento asfaltico:  Viscosidad Rotacional.  Densidad especifica

 Punto de inflamación cleveland.  Ensayo reológico de corte dinámico.  Ensayo de pelicula delgada (RTFO)

Pruebas para el cemento asfaltico:  Ensayo de envejecimiento en olla de presión (PAV).  Ensayo con reómetro de viga a flexión (BBR).

DISEÑO VOLUMETRICO

Aquí se establecen los parámetros volumétricos de la mezcla asfáltica, el contenido de cemento asfáltico óptimo el cual deberá ser el necesario para obtener un % de vacíos en la mezcla de 4%.

DISEÑO VOLUMETRICO

El diseño volumétrico se realiza mediante la fabricación de especímenes que se elaboran en el Compactador Giratorio. Cumpliendo con los requerimientos establecidos en la siguiente tabla:

Parámetros volumétricos para el diseño óptimo Requerimientos para el Diseño Volumétrico de la Mezcla Densidad requerida (% de la Gravedad específica teórica máxima (Gmm) Nivelde tránsito

Nivel de compactación (mm) Giratoria Nini Ndi Nma s

Vacíos de agregado mineral mínimo en % - VMA Tamaño nominal (mm)

37.5

25

19

12

Vacío llenos de asfalto (%) 9,5

I Bajo

≤ 91,5

70-80

II Medio

≤ 90 5

III Alto

≤ 90,5

6578 65-78

IV Muy alto

≤ 89

96

≤ 98

Nini – Número de giros iniciales Ndis – Número de giros de diseño Nmax :Numero del contenido de asfalto óptimo

11

12

13

14

Relación Filler asfalto

15

6575

0.6-1.2

Parámetros volumétricos empleados en el diseño de mezclas asfálticas:  Gravedad especifica de la mezcla compacta.  Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla.  Vacíos en el agregado mineral (VAM)

Parámetros volumétricos empleados en el diseño de mezclas asfálticas:  Vacíos de aire (Va).  Vacíos llenados con asfalto (VFA).  Asfalto absorbido (Pba)  Contenido de Asfalto efectivo (Pbe)

SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD INDUCIDA

Consiste en determinar en una mezcla asfáltica compacta el daño inducido por efectos de la humedad, comparando la resistencia a la tensión indirecta en una serie de especímenes acondicionados y no acondiconados

SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD INDUCIDA Para todos los niveles de diseño, el mínimo es 80 % de resistencia conservada

NIVEL II SUCEPTIBILIDAD A LA DEFORMACION PERMANENTE

Para revisar la susceptibilidad de la mezcla a la deformación permanente se podrán emplear los siguientes ensayes:  Rueda Cargada de Hamburgo  Deformación por rodera de una mezcla asfaltica, por medio del Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA)  Ensaye de Pista Española.

RUEDA CARGADA DE HAMBURGO Este ensayo tiene por objetivo medir la deformación permanente y la susceptibilidad a la humedad de una mezcla asfáltica provocada por el movimiento cíclico concentrado de una rueda metálica cargada Las fallas que previene son deformaciones permanentes y baches.

SUSCEPTIBILIDAD A LA DEFORMACION PERMANENTE Y DAÑOS POR HUMEDAD

Grado PG superior del asfalto

Mínimo de pasadas para la deformación máxima de 10 mm

PG 64 o inferior

10.000

PG 70

15.000

PG 76 o superior

20.000

NIVEL III MODULO DINAMICO

MODULO DINAMICO El módulo dinámico de una mezcla asfáltica es un parámetro esencial para poder calcular los espesores de carpeta asfáltica. No hay especificaciones parámetro

para

este

Compressive Dynamic Modulus (|E*|) and Phase Angle (φ)

AASHTO TP-62

NIVEL IV DISEÑO POR FATIGA

VIGA DE 4 PUNTOS Se determina la resistencia a la fatiga de la mezcla asfáltica, empleando la viga de flexión de 4 puntos. Se determina utilizando el promedio de mínimo tres especímenes de prueba.

AGRIETAMIENTO POR FATIGA

AASHTO T-321

Agrietamiento por Fatiga (TDC) •Tensión Horizontal de arriba – abajo • Desde la presión de inflado • Las grietas inician a propagarse de arriba hacia abajo • Relacionado con la energía de fractura • Influye el envejecimiento y el gradiente de temperatura

CONTROL DE CALIDAD PARA MEZCLAS ASFALTICAS DE ALTO DESEMPEÑO

MEZCLA PRODUCIDA EN PLANTA Se debe verificar la calidad del material pétreo asegurarse que corresponda al material utilizado en el proceso de diseño, en función de lo establecido en la Normativa SCT. Las características de el material pétreo deben verificarse cada mil metros cúbicos de material producido.

CEMENTO ASFALTICO Las pruebas de campo básicas que deben realizarse son:  Punto de reblandecimiento.  Recuperación elástica por torsión.  Viscosidad rotacional tipo Haake

CONTROL DE LA MEZCLA COLOCADA

Para asegurar la calidad de la mezcla asfáltica tendida y compacta, se debe de realizar un tramo de prueba de 100m de longitud, donde se realizaran las siguientes evaluaciones:

Las pruebas de campo básicas que deben realizarse son: 

Densidad compacta.



Ensaye de deformación permanente.



Ensaye de susceptibilidad a la húmedad.

TIPO DE PRUEBA

NIVEL I y II

NIVEL III

NIVEL IV

CADA 15 KM

CADA 10 KM

CADA 5 KM

DENSIDAD COMPACTA ENSAYE DE DEFORMACION PERMANANTE ENSAYE DE SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD

En caso de que no se cumplan los parámetros establecidos por el protocolo, se debe de construir un nuevo tramo de prueba, realizando los cambios necesarios de acuerdo al desempeño requerido

CONCLUSIONES

Los equipos deben de adquirirse de acuerdo hasta que nivel se desea diseñar (Presupuesto, equipos, capacitaciones y reparaciones costosas). Los proveedores deben de estar mas informados de su utilización para poder dar una mejor y clara capacitación a las empresas que adquieren estos equipos.

Con respecto al personal que los utilizara, deben de tener completo dominio de los términos básicos de cada prueba para poder utilizar el equipo e interpretar valores arrojados del mismo. Los equipos así como costosos son sensibles deben de ser correctamente transladados.

Como empresa deben de asignarles una ubicación idónea , que cuente con todos los servicios que el equipo llegue a utilizar.

Se recomienda estén en planta baja y tengan su espacio adecuado a sus dimensiones .

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Resumen. Desde la implementación del protocolo de diseño de mezclas asfálticas con protocolo AMAAC en el 2009, se ha visto la necesidad de dar seguimiento a la producción, tendido y compactado de la mezcla asfáltica. El éxito de la implementación del protocolo de diseño de mezclas de alto desempeño corresponde un 30% a la buena selección de los materiales asfálticos y de agregado pétreo; y el 70% corresponde a la producción, tendido y compactado. Es por esto, dando seguimiento a varios tramos de prueba y definitivos que nos hemos dado a la tarea de hacer una serie de recomendaciones en función de estas experiencias generadas en diversos tramos en algunos de los estados de la república mexicana. Palabras clave: control de calidad, informe de diseño, supervisión. Introducción. “Calidad significa hacer lo correcto cuando nadie está viendo” Henry Ford Cuando pensamos en implementar protocolo algunos nos parece algo nuevo y a otros un tanto complicado. En realidad no es tan complicado como se escucha. Es retomar la esencia de nuestras buenas prácticas en el diseño, producción y colocación de la carpeta asfáltica y en complemento, es adoptar ensayos de simulación que nos ayuden a verificar el comportamiento de la mezcla asfáltica. Para ello, debemos dar seguimiento a los trabajos previos a la producción de la mezcla, durante la producción, tendido y compactado de la mezcla asfáltica. Es aquí donde el papel del supervisor y del ingeniero residente se vuelve de suma importancia para el buen seguimiento del control de calidad. En este documento se trata de plasmar, aunque parezca obvio, las interrogantes u omisiones que se dan durante el control de calidad de la mezcla asfáltica. Considerando este planteamiento se enumeran tres actividades fundamentales que se desglosan en otras de no menor importancia, pero que forman parte de estos mismos puntos. 1. Antes de iniciar los trabajos de producción de la mezcla asfáltica se debe realizar una evaluación de: a) Laboratorio de control de calidad. Que Cumpla con los requerimientos de equipo, condiciones ambientales y personal calificado para la realización de los ensayos correspondientes a: o Calidad de agregados. o Calidad de asfaltos. o Calidad de la mezcla asfáltica.

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b) Requerimientos de planta trituradora y el banco de materiales. Asegurar que la producción se mantenga constante, por medio de la evaluación de la granulometría correspondiente al diseño. La planta debe tener al menos tres materiales de distinto tamaño para poder llevar un buen control de la distribución granulométrica especificada por el diseñador. Es importante cuidar la zona de explotación en el banco sea del volumen y características requeridas, ya que en ocasiones podemos encontrar zonas contaminadas con paquetes de arcilla o lutitas que contaminan el material pétreo seleccionado para la mezcla asfáltica, o en su caso no ser suficientemente grande para cubrir las necesidades de la obra. c) Calidad de agregados (puntos importantes a considerar). La frecuencia de muestreo en agregados para la mezcla asfáltica debe ser lo especificado en la norma SCT. Se debe cuidar que el material no varíe, significativamente, en sus características de origen: densidades, desgaste de los ángeles y micro-Deval, equivalente de arena y azul de metileno. De proceso: granulometría, forma de la partícula (angularidad, caras fracturadas, alargadas y lajeadas), adherencia. Cualquier cambio importante en alguno de estos parámetros de las características de origen o de proceso debe ser motivo de una revisión detallada, y en su caso un rediseño de la mezcla asfáltica. La selección de la estructura del agregado pétreo es fundamental para asegurar un buen cuerpo en la mezcla, y para que pueda ser construida la carpeta asfáltica con los espesores requeridos. Cuando no se conoce el nivel de tránsito, se recomienda realizar evaluaciones con una distribución granulométrica densa fina, gruesa e intermedia. Si es conocido el nivel de tránsito y los espesores de la carpeta asfáltica, se pueden ir directamente a seleccionar la estructura que mejor se adapte a sus necesidades de desempeño. Si no cuenta con la experiencia suficiente para hacer esta selección se recomienda realizar varias propuestas para evaluar el cumplimiento de la volumetría y el desempeño requerido. d) Requerimiento del asfalto Se debe evaluar que el grado PG corresponda a las condiciones climáticas, del nivel de tránsito e importancia de la carretera, así como de la velocidad de operación con la que se proyecto. Se debe tomar una muestra de asfalto cada tanque para su evaluación correspondiente en laboratorio en cumplimiento con las características del grado PG que corresponda en el laboratorio central. Es importante que el informe del diseño de la mezcla asfáltica cuente con la descripción del asfalto utilizado, tanto las características mencionadas en la normativa como el nombre del productor, el aditivo o modificador que utilizará, como nota de referencia. Ya que si se cambia de refinería, de producto utilizado para mejorar la adherencia o modificador del asfalto; puede influir en el comportamiento final de la mezcla asfáltica. Y si fuera el caso, se debe constatar que sigue existiendo el mismo comportamiento, reológico, físico (adherencia y TSR) y mecánico (deformación permanente) de la mezcla asfáltica y en su caso llevar a cabo un rediseño de la mezcla asfáltica.

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En campo se puede apoyar de los ensayos de anillo y bola, recuperación elástica por ductilómetro o recuperación elástica por torsión; previamente establecido el comportamiento (parámetros esperados) en laboratorio para el grado PG especificado, para la aceptación o rechazo de la remesa de asfalto. Adicionalmente, se recomienda realizar el ensayo de punto de inflamación Cleveland para seguridad de la planta, si existe duda sobre la procedencia del asfalto se recomienda pasar la flama entre los 50 y 60° para descartar la presencia de solventes. e) Informe de diseño de mezcla asfáltica (Revisión del diseño y requerimientos mínimos en el informe de resultados) Al menos debe contener las características del asfalto y agregado pétreos utilizado, según los parámetros del protocolo PA MA 01/2011. Los rangos de tolerancia granulométrica se encuentran en el protocolo de control de calidad AMAAC-PA/02. Establecer los parámetros para la selección del contenido óptimo del asfalto y volumetría de la mezcla asfáltica obtenida, cotejar que cumpla con los requerimientos y que los parámetros sean congruentes. Se requiere informe de resultados de los ensayos de TSR y Hamburgo incluyendo fotos representativas. 2. Durante la producción de la mezcla asfáltica a) Revisión en planta: o Lista de verificación de los requerimientos mínimos de la planta (N-CTRCAR-1-04-006-09). o Almacenamiento del agregado pétreo. Si el material pétreo es cargado en la parte alta del cono de almacenamiento del material, es fácil que el material grueso se encuentre fuera de esta toma y en la parte inferior del cono.

Figura 1. Segregación del agregado pétreo Por lo que es recomendable que la altura del cono sea excesiva, y cargar el material de abajo hacia arriba para posteriormente ser introducido en las tolvas o en su caso para depositarlo en el patio de almacenamiento del material por capas.

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Figura 2. Correcto acomodo del material pétreo La figura anterior muestra el correcto acomodo del material pétreo para evitar segregaciones.

Figura 3. Inaceptable acomodo del material pétreo. o Ajuste de fórmula de trabajo en planta. Para un adecuado control de la granulometría es recomendable contar con al menos tres tolvas. Durante la calibración de la planta en seco, se debe realizar las evaluaciones de combinación de materiales hasta lograr ajustarla a la distribución granulométrica propuesta en el informe de diseño dentro de la tolerancia presentada en el protocolo de control de calidad PA MA 02/2008, considerando que estas tolerancias queden dentro de los puntos de control. En este punto se debe verificar que el material se encuentre seco. o Las tolvas pueden ser no alimentadas uniformemente. Si no se realiza adecuadamente puede generarse la segregación del material o en su caso una mala dosificación a la banda transportadora por falta de alguno de los materiales.

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Figura 4. Llenado de tolvas. o Calibración y ajuste del porcentaje de cemento asfáltico en planta. Se adiciona el cemento asfáltico y se verifica el contenido de cemento asfáltico bajo la norma de SCT para muestreo de mezcla asfáltica. Se puede corroborar el contenido de cemento asfáltico con equipo Rotarex (con tricoloetileno) u horno de ignición. o Tambor mezclador. Asegurarse que las paletas del tambor mezclador estén en buenas condiciones para ayudar a un adecuado secado e incorporación del asfalto. Partículas grandes generalmente vuelan a través del tambor mezclar más rápidamente que las partículas pequeñas. Sugerencia, realizar el proceso de mezclado a la velocidad adecuada para lograr la homogenización de los materiales.

Figura 5. Tambor mezclador.

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o La caída a los canjilones de distribución de la mezcla.

Figura 6. Transportación de la mezcla al silo. o Agitadores y contenedores de almacenamiento. La abertura de salida del silo de almacenamiento, debe considerar un ángulo de de aproximadamente 60° para la salida en el punto de descarga y la abertura no sea excesiva, ya que pudiera generar segregación.

Figura 7. Shut de descarga. o Carga y descarga de camiones. La carga de camiones en una sola toma puede causar segregación de las partículas a los costados del camión.

Mal acomodo de la mezcla asfáltica

Buen acomodo de la mezcla

Figura 8. Acomodo de la mezcla asfáltica en el camión.

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o Requerimientos en el laboratorio de planta (equipo y personal mínimo, y condiciones ambientales), durante la producción, se deberá realizar el muestreo de mezcla asfáltica para realizar ensayos de Gmm, granulometría y contenido de cemento de cemento asfáltico al inicio para ajustar la planta, a cada 4to. o 5to. camión durante el primer día. Si la producción se mantiene estable, los días subsecuentes se puede extender la frecuencia de muestreo, considerando uno al inicio de la producción, y el resto cada 6h si la producción es continúa durante todo el día cubriendo 12h o más. o Se recomienda al menos una muestra después del 4to camión y otra a mitad de la producción para tener parámetros de TSR. 3. Durante el tendido y compactado. Los procesos transporte, tendido y compactación contribuyen, en gran medida, al desempeño de la carpeta asfáltica terminada. a) Revisión en campo: o Debe revisarse que el estado físico del equipo de compactación sea el adecuado, además previo al inicio de los trabajos definitivos debe llevarse a cabo un tramo de prueba para establecer los patrones de compactación (número de pasadas, velocidad del equipo, etc.). o Requerimientos de camión transportador de mezcla (Lista de verificación del camión, N-CTR-CAR-1-04-006-09), debe estar cubiertos con lona. Se recomienda utilizar algún desmoldante (compatible con el asfalto utilizado, verificar con el proveedor del asfalto), y por ningún motivo permitir el uso de solventes para limpiar los camiones. También influye aquí la forma en que se descarga el camión a la tolva de la pavimentadora, cuando se usan camiones de descarga por volteo, entre más grande sea el camión, mayor será la caída del material, lo cual conduce a mayor segregación; recordando que la caja debe levantase lentamente para reducir este efecto. El equipo de transporte debe contar con aislante térmico y la mezcla SIEMPRE debe ser cubierta por lonas durante su traslado al frente de obra, para reducir al mínimo la segregación térmica.

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Figura 9. Adaptador en el camión. o El colocar un adaptador como el que se muestra en la imagen podría ser también una solución para evitar la segregación del material al momento de verterlo en la tolva de la pavimentadora. También es recomendable no utilizar equipos de caja demasiado larga para evitar la segregación del material al momento de verterlo en la extendedora. o Una forma para uniformizar la mezcla asfáltica es el silo móvil o “buggy” (para remezclado y transferencia de la mezcla asfáltica). Al no contar con este equipo se seguirán presentando problemas de segregación en la mezcla asfáltica y con ello densificación (compactación) diferencial.

Figura 10. Silo móvil, Buggy.

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o Requerimientos de la pavimentadora/finisher (lista de verificación, NCTR-CAR-1-04-006-09). o Requerimientos de los rodillos (N-CTR-CAR-1-04-006-09) o Condiciones climáticas (N-CTR-CAR-1-04-006-09) o Trabajos previos (N-CTR-CAR-1-04-006-09) o Tramo de prueba (Requerimientos a evaluar en campo, (N-CTR-CAR-104-006-09) o Tendido de la mezcla (N-CTR-CAR-1-04-006-09) En la pavimentadora (extendedora), puede ocurrir segregación, como resultado de una mal operación tolva (falta de material), velocidad del tornillo sin fin, y disturbios en la pavimentadora al estar en movimiento.

Figura 10. Acomodo de la mezcla asfáltica en la extendedora. Este es un ejemplo de la mala o correcta operación de la pavimentadora. Un correcto llenado de la tolva y los canjilones reduce la segregación del material. Se recomienda revisar el ajuste de los tornillos de ajuste del faldón de la extendedora para evitar la segregación en los laterales.

Figura 11. Tornillos de ajuste.

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o Compactación de la mezcla (N-CTR-CAR-1-04-006-09) Se debe contar con las gráficas de viscosidad-temperatura para establecer la temperatura de compactación o solicitar al proveedor del asfalto la temperatura sugerida, en caso de que el asfalto sea modificado. 4. Muestreo en tramo (campo) durante la construcción. Es muy importante dar seguimiento a la temperatura de tendido y compactado durante la construcción de la carpeta asfáltica. Se debe evaluar preferentemente como mínimo el grado de compactación en la carpeta asfáltica, cada 50 m. Para medir el porcentaje de compactación, lo más conveniente es utilizar equipos no destructivos, para reducir al mínimo la extracción de corazones tanto por costo como por los daños que se producen la estructura de pavimento.

Figura 12. Densímetro y extracción de núcleo. Para la evaluación de las características mecánicas (deformación permanente) se recomienda extraer núcleos a cada 500 m (pares hermanados), estos deben ser de 8 o 10 pulgadas, o en su caso rectangulares de 15x30 cm. Cada 200 m corroborar el índice de perfil y el valor de fricción correspondiente, según la normativa N.CTR.CAR.1.04.006/09. La durabilidad del pavimento estará no sólo en función de las características de los materiales utilizados en cada capa, y el diseño correspondiente, sino también en la construcción y el acabado final de esta estructura de pavimento. 5. Cartas de control Un programa efectivo de control de calidad es la llave para el éxito de un proyecto de construcción de carretera. Es normal que existe una variabilidad durante el proceso de construcción, lo importante es que no sea demasiado grande esta variación, que exceda los límites permitidos de las tolerancias especificadas para cada una de las variables de control.

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Conclusiones. No basta con definir un proyecto, hay que darle seguimiento. El control de calidad se vuelve primordial para el éxito de la obra. La responsabilidad de la supervisión, es vigilar que la construcción de una obra se lleve a cabo siguiendo los lineamientos que marca el proyecto y apegándose al más estricto control de la calidad, tanto de los materiales, como de los equipos de construcción y mano de obra, para llevar a buen fin la obra encomendada. Para este propósito, deberá de contar con el apoyo de un laboratorio de control de calidad, con el equipo necesario y personal capacitado, que le permita realizar pruebas aleatorias a los materiales que son utilizados en los diferentes procesos de la obra, para que con los resultados obtenidos de las pruebas realizadas pueda exigirle a la constructora el cumplimiento de la calidad de la obra. Por lo que, es necesario asegurarse que los materiales pétreos y asfálticos cumplan estrictamente con la calidad solicitada. Asegurarse que el material pétreo que se reciba en la planta sea el mismo que el empleado para el diseño de la mezcla. Garantizar que el manejo de los materiales pétreos en la planta sea el adecuado a fin de evitar segregación y contaminación. La dosificación de materiales debe ser uniforme. Debe contarse con una planta de al menos tres tolvas, con separadores para evitar mezclar los diferentes tamaños de pétreos. Controlar estrictamente las temperaturas en todo el proceso (mezclado, tendido y compactado). Es conveniente usar el equipo de transferencia de mezcla. Y es indispensable hacer el tramo de prueba para definir los patrones de compactación y la secuencia de llegada y suministro de la mezcla asfáltica. La extendedora debe usar controles automáticos. Deben cuidarse las tolerancias en los parámetros de calidad en las diversas capas de las terracerías, ya que son el cimiento de la carpeta asfáltica. Así como mantener rangos de variación dentro de lo aceptable de las características propias de la mezcla asfáltica. “La calidad nunca es un accidente, siempre resulta de cuatro cosas: intención, esfuerzo sincero, dirección inteligente y ejecutoria con talento” W. Foster. Referencias. Normas SCT (normas.imt.mx) Protocolo PA MA 01/2011 Protocolo PA MA 02/2008

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO ASOCIACIÓN MEXICANA TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO DEL ASFALTO, A.C.

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO “MEZCLAS ASFALTICAS EN FRIO BAJO EL PROTOCOLO AMAAC” ING. VICTOR M. CINCIRE ROMERO A. Gerente de Proyectos SemMaterials México [email protected]

RESUMEN Es evidente la necesidad que existe en nuestro país de retomar el uso de las mezclas asfálticas en frío, con nuevas tecnologías que permitan obtener el desempeño solicitado de este tipo de aplicaciones, principalmente en regiones de media a alta precipitación pluvial, zonas alejadas y donde en años anteriores se sustituyó su uso por mezclas en caliente que han presentado pobres desempeños debido a las dificultades para su producción y colocación en condiciones adversas de clima, complicaciones para el traslado de equipos o grandes distancias de acarreo de las mezclas. Las Dependencias de Gobierno dedicadas a la construcción y conservación de la red carretera nacional han hecho patente esta necesidad, sobre todo aquellas que administran un alto porcentaje de la red que se ubica en zonas con las características señaladas y que representan un alto porcentaje del territorio nacional. Para atender la necesidad del uso de mezclas asfálticas en frío, la AMAAC está desarrollando dentro del Protocolo de Emulsiones el documento de mezclas asfálticas en frío, a manera de prácticas recomendadas. Las recomendaciones se podrán ajustar en función de las condiciones específicas de cada proyecto, integrando la experiencia local para generar especificaciones particulares que satisfagan las necesidades de la obra. La recomendación de mezclas asfálticas en frío de la AMAAC, proporciona los criterios de uso actual, incluyendo metodologías de diseño, construcción y especificaciones con los avances más recientes en el ámbito nacional e

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

internacional y está orientada a servir como una herramienta que contribuya al buen uso de estas tecnologías. En este trabajo se presentan los principales aspectos a los que se debe prestar atención en los procesos de diseño y construcción para obtener mezclas asfálticas en frío que satisfagan los requisitos del protocolo AMAAC y tengan el desempeño esperado de las mezclas diseñadas y construidas bajo este concepto. ANTECEDENTES En México, las mezclas asfálticas con emulsión se utilizan desde la década de los 60´s. Tradicionalmente se usaron para caminos de mediano y bajo tránsito y tuvieron un gran auge en los 90´s. Sin embargo su uso disminuyó considerablemente en la última década, ya que en muchos casos no se obtenían los resultados esperados, por factores como el uso de emulsiones no formuladas correctamente para cada proyecto específico, procedimientos constructivos deficientes, diseños de normativa limitados y escasos controles de calidad. Lo anterior contribuyó al incremento de aplicaciones de mezcla en caliente en caminos secundarios que también han presentado deficiencias por la producción de mezclas de mala calidad, largos traslados de mezcla y obras localizadas en zonas de alta precipitación pluvial que afectan su construcción y desempeño al aplicarse a temperaturas menores de las recomendadas o en presencia de lluvia, retrasando también los periodos de ejecución. Sin embargo la actual situación mundial con respecto al agotamiento de recursos naturales, la alta emisión de gases de efecto invernadero y el alto consumo energético en la construcción y mantenimiento de pavimentos, requieren considerar tecnologías eco-ambientales y sustentables. Esto ha impulsado el desarrollo y uso de técnicas innovadoras de emulsiones y aditivos que permitan aplicaciones de mayor calidad y optimizar el consumo energético diferenciado por rangos de temperatura de aplicación como se muestra en la figura 1. De esta manera, se propició que la Asociación Mexicana del Asfalto (AMAAC) estableciera el comité técnico de emulsiones para desarrollar un protocolo que sirva como propuesta de guía y prácticas recomendables en el uso de las emulsiones para las diferentes aplicaciones tanto de mantenimiento como de

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construcción de pavimentos, para contar con herramientas y especificaciones que faciliten la toma de decisiones en la selección del tipo de mezcla más adecuado para un proyecto específico. Se espera que en la industria se mantenga siempre la ética de hacer las cosas bien y con un alto nivel de calidad, apoyándose en el conocimiento y experiencia de empresas líderes y con el soporte de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes y el Instituto Mexicano del Transporte.

Figura 1.- Clasificación de las mezclas asfálticas en base a su temperatura de aplicación

MEZCLAS EN FRIO DE ALTO DESEMPEÑO Las mezclas asfálticas en frío de alto desempeño de granulometría densa, son aquellas que se elaboran en planta mezcladora de dosificación controlada y automatizada, con materiales como emulsión asfáltica (que puede ser convencional o modificada), agregado pétreo, o material recuperado RAP, agua y aditivos cuando se requiera (promotores de adherencia, fillers, fibras, etc.), en las proporciones adecuadas, para que cumplan con los requerimientos especificados en el diseño, como se resume en la figura 2.

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Mezcla en frío de alto desempeño Calidad de agregados similar a una mezcla en caliente Uso de emulsiones especiales Diseño especializado Elaboración con planta

Figura 2. Mezcla en frío de alto desempeño

BENEFICIOS Las mezclas en frío de alto desempeño presentan los siguientes beneficios comparados con las mezclas en caliente: 1. En el proceso de mezclado se evita la oxidación del asfalto debido a que la mezcla con emulsión se produce a temperaturas cercanas a la ambiente. 2. No existen inconvenientes relacionados con la temperatura de aplicación, por lo que se pueden incrementar las distancias de acarreo. 3. Debido al uso de tensoactivos que se utilizan para emulsionar el asfalto, presentan mejor afinidad ligante-agregado. 4. Estas mezclas son aplicables incluso en temporada de lluvias, ampliando los periodos de ejecución. 5. Se pueden almacenar a temperatura ambiente. 6. Típicamente la producción de mezcla en caliente consume 275 MJ/ton con respecto a las mezclas en frio que consumen 14 MJ/ton, lo cual genera un ahorro de energía en el proceso de construcción de pavimentos. 7. Reducción en la emisión de gases de efecto invernadero, ya que las mezclas en caliente típicamente emiten 22 Kg CO2/ton, mientras que las mezclas en frío emiten 1 Kg CO2/ton. 8. Desarrollan Módulos elásticos similares a los de mezclas en caliente. 9. Presentan mayor flexibilidad (son auto-reparables). LIMITACIONES En virtud de que las mezclas asfálticas con emulsión curan gradualmente en el tiempo por su contenido de humedad, la resistencia se

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desarrolla progresivamente. Sin embargo, con el objetivo de reducir los tiempos de ruptura de la emulsión y curado y cohesión de la mezcla se han desarrollado emulsiones especiales que permiten utilizar menores contenidos de humedad e incrementar la cohesión inicial. El uso de aditivos como el cemento Portland en conjunto con la emulsión asfáltica también permite incrementar dicha cohesión. En la actualidad también se están desarrollando micro-emulsiones (emulsiones con tamaño de partícula de los glóbulos de asfalto menores a 1 micra) para estas aplicaciones con la finalidad de desarrollar mezclas de altas prestaciones iniciales mejorando el comportamiento y requiriendo menor tiempo de curado.

PRINCIPALES ASPECTOS QUE SE DEBEN CUIDAR PARA OBTENER MEZCLAS CON LA CALIDAD RECOMENDADA EN EL PROTOCOLO AMAAC En las páginas subsecuentes, se presentan los principales aspectos que se deben cuidar durante los procesos de diseño y construcción de mezclas asfálticas en frío, para que los proyectos se apeguen a los criterios de las prácticas recomendadas en el protocolo AMAAC y las mezclas presenten el desempeño esperado, cuando son diseñadas y construidas bajo este protocolo. Así mismo, para obtener un correcto funcionamiento de la capa estructural de la mezcla en frío de granulometría densa, se debe considerar lo siguiente: •

Contar con un diseño estructural adecuado, de acuerdo a la calidad de los materiales y en base al tránsito y tasa de crecimiento esperado durante su vida útil.

•

Se requiere realizar el diseño de la mezcla previo al inicio de los trabajos. En esta etapa se define el tipo y cantidad de emulsión asfáltica y sí se requiere del filler como cemento o cal, humedad requerida durante el mezclado y compactación y RAP (mezcla asfáltica reciclada) si es el caso.

•

Las diferentes capas de la estructura deben cumplir con los requerimientos estructurales particulares del proyecto. Asegurar un adecuado procedimiento constructivo, incluyendo una correcta compactación de las capas, es crítico para obtener un buen desempeño y prevenir asentamientos y otro tipo de fallas posteriores.

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CALIDAD DE MATERIALES. Emulsión asfáltica. Las emulsiones recomendadas en el protocolo para este tipo de aplicaciones se indican en la Tabla 1. La emulsión se selecciona de acuerdo al diseño particular considerando que debe aportar una buena manejabilidad y cubrimiento, permitir la ruptura y curado adecuado, ayudar a mejorar la resistencia a la humedad y contribuir a alcanzar el valor del módulo dinámico especificado.

Tabla 1. Propiedades de las emulsiones asfálticas PROPIEDAD

ECM-60 Mín. Máx.

ECM-65 Mín. Máx .

ECM-60P Mín Máx . .

Viscosidad ----Saybolt Furol a 25°C, s Viscosidad 10 25 10 -Saybolt Furol a 50°C, s Carga de la Positiva Positiva Positiva particular Residuo asfáltico, 60 65 60 % Agente fluxante 5 5 5 por destilación, % Retenido en malla 0.1 0.1 0.1 no. 20, % Pasa malla #20 y 0.25 0.2 0.2 retiene en malla 5 5 núm. 60 en la prueba de tamiz, % máximo Pruebas al residuo de la emulsión por destilación. Penetración a 100 250 100 250 100 250 25°C, 100g, 5 segundos, 0.1mm Ductilidad a 25°C 40 -40 -40 -y 5 cm/min, cm Recuperación ----30 -elástica por ductilómetro a 10°C, % Solubilidad en 97.5 -97.5 -97. --tricloroetileno, % 5

ECL-60 Mín Máx . .

ECL-65 Mín. Máx.

ECL60-P Mín. Máx.

10

-

25

-

10

-

-

-

-

-

-

-

Positiva 60

Positiva 65

Positiva 60

5

5

5

0.1

0.1

0.1

0.2 5

0.25

0.25

100

250

100

250

100

250

40

--

40

--

40

--

--

--

--

--

30

--

97. 5

--

97.5

--

97.5

--

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Nota: Cuando el proyecto lo requiera se podrán utilizar penetraciones de 40 a 90 dmm para cumplir los requerimientos de diseño de esta EP.

En México se cuenta con la tecnología en formulación y plantas de fabricación necesarias, para producir emulsiones que cumplan los parámetros indicados en la tabla anterior. Material pétreo. Se recomienda que el agregado cumpla los requisitos de granulometría que se establecen en la tabla 2 y las características indicadas en las tablas 3 y 4. Tabla 2. Requisitos de granulometría del material pétreo para mezclas asfálticas en frío de alta calidad. Mallas

Designación

Tamaño nominal del material pétreo mm (pulgadas)

Abertura

25

19

12.5

(1”)

(3/4’’)

(1/2”)

Mm

9,5 (3/8”)

Porcentaje que pasa

2”

50

-

-

1 ½”

37,5

1”

25

90-100

100 – 100

-

-

¾”

19

– 90

90 – 100

100-100

-

1/2”

12,5

-

– 90

90 – 100

100 – 100

3/8”

9,5

-

-

- 90

90 – 100

4

4,75

-

-

-

- 90

8

2,36

16

1,18

-

-

-

-

30

0,60

-

-

-

-

50

0,30

-

-

-

-

100

0,15

-

-

-

-

200

0,075

0-6

2–8

2-10

2-10

100-100

15-41

-

23 – 49

-

28-58

-

32 – 67

7

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Como ejemplo, la figura 3 ilustra los límites establecidos para una mezcla con tamaño nominal de 19mm (3/4”). La escala de la abertura de la malla está elevada a la potencia 0,45.

Figura 3.- Granulometría para mezclas con tamaño nominal de 19 mm (3/4”).

Tabla 3. Requisitos de calidad de la fracción gruesa del material pétreo para mezclas asfálticas en frío de granulometría densa, de alta calidad. Característica

Norma

Especificación

Desgaste Los Ángeles, %

ASTM C131

30 máx. (capas estructurales)

Desgaste Microdeval, %

AASHTO TP 58-99

18 máx. (capas estructurales) 15 máx. para sulfato de sodio

Intemperismo acelerado, %

AASHTO T 104

20 máx. para sulfato de magnesio

Caras fracturadas, % (2 caras o más)

ASTM D 5821

90 mín.

Partículas alargadas, %

ASTM D 4791

3 a 1 %, 15 máx.

Partículas lajeadas, %

ASTM D 4791

3 a 1 %, 15 máx.

8

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Tabla 4. Requisitos de calidad de la fracción fina del material pétreo para mezclas asfálticas en frío de granulometría densa, de alta calidad. Característica

Norma

Especificación

Equivalente de arena,%

ASTM D 2419

50 min. (capas estructurales)

Angularidad, %

AASHTO T 304

40 mín.

Azul de metileno, mg/g

Recomendación AMAAC RA-05/2008

15 máx. (capas estructurales)

Otros materiales. Si se requieren aditivos o fillers para cumplir los requerimientos del diseño de la mezcla, el tipo y porcentaje por utilizar deben ser especificados en el diseño para su aprobación. Observaciones. En la mayor parte del territorio nacional existen bancos de agregados que satisfacen los requisitos mencionados. En algunos casos particulares se dificulta obtener agregados que cumplan los valores de desgaste e intemperismo requeridos, por lo que se debe realizar un estudio de costo-beneficio para definir si es conveniente transportar los agregados de mayores distancias, o si es necesario utilizar los agregados locales y generar especificaciones particulares que permitan obtener una aceptable calidad de la mezcla considerando estas deficiencias. Las características de caras fracturadas, forma de la partícula y angularidad del agregado fino están asociadas al equipo de trituración, por lo que se debe contar con apropiados equipos para este fin.

9

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

El desgaste, intemperismo, equivalente de arena y azul de metileno son propiedades inherentes al origen de la fuente del agregado. DISEÑO DE LA MEZCLA El protocolo AMAAC establece que la mezcla asfáltica deberá cumplir los requisitos de calidad indicados en la tabla 8, El contenido de asfalto óptimo será el necesario para obtener un porcentaje de vacíos de aire (Va) en la mezcla de 4 a 10 %, cumpliéndose además los requerimientos en pruebas de desempeño indicadas en la misma tabla.

Tabla 8. Requisitos de calidad de la mezcla asfáltica en frío, con emulsión asfáltica. Propiedad Afinidad con el asfalto cubrimiento mínimo

ASTM

Criterio D3625,

%

de

90

Compactación usando el SGC (Compactador giratorio de Superpave); ángulo 1.25°, 600kPa, giros.

40

Vacíos del agregado mineral (VAM), % mín.

13

Vacíos llenos de aire, %.

4 a 10

Retención de tensión indirecta, ASTM D 4867, % mínimo.

80

Modulo dinámico @ 20°C, AASHTO TP 62-07, MPa mínimo.

3,000

Observaciones Los vacíos de aire se establecen del 4 al 10 % ya que inicialmente la mezcla contiene humedad y va curando gradualmente.

10

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Cuando se cumplen los requisitos del agregado y se utiliza una emulsión apropiadamente formulada, se puede alcanzar el módulo dinámico solicitado. Si es necesario se puede utilizar un estabilizador como cal o cemento para obtener el valor inicial del Módulo, el cual va incrementándose con el curado de la mezcla.

Compactación giratoria

Tensión indirecta

Módulo dinámico

CONSTRUCCIÓN Planta de mezclado. Se recomienda que la planta de mezclado tenga las características solicitadas en el protocolo, como se indica a continuación. -

Capacidad de producción mínima de 100 toneladas por hora

-

Dos tolvas con cribas para eliminar sobre-tamaños, protegidas de la lluvia y el polvo, con capacidad suficiente para asegurar la operación continúa durante un mínimo de 15 minutos sin ser alimentadas.

-

Silo para almacenar y proteger el filler de aporte, con sistema para dosificación ajustable.

-

Dispositivos computarizados para dosificar los materiales por masa y/o por volumen que permitan un fácil ajuste de la dosificación de los componentes de la mezcla asfáltica y con la precisión requerida.

11

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

-

Mezcladora de paletas con doble eje mezclador para lograr un mezclado homogéneo de los materiales.

Observaciones Existen plantas de doble mezclado, para mejorar el cubrimiento del agregado, como la que se muestra en las siguientes fotografías, totalmente automatizadas y que cuentan con dispositivos de incorporación de filler.

Panorámica de la planta

Descarga de materiales al doble mezclador

Centro de control

Así mismo otras plantas con las que se producen mezclas de muy buena calidad, también totalmente automatizadas y que cuentan con dispositivos de incorporación de filler son las siguientes.

Panorámica de la planta

Centro de control

Mezclador

12

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Equipo de construcción. El equipo de construcción, como pavimentadoras, compactadores y barredoras, debe cumplir con requerimientos similares a los utilizados para mezcla en caliente y se especifican en el Protocolo

Tendido con pavimentadora

Compactación de la mezcla

El procedimiento constructivo debe asegurar la correcta colocación y compactación de la mezcla, como se describe en el Protocolo AMAAC. Previo al inicio formal de los trabajos se deberá realizar un tramo de prueba para definir el proceso constructivo y de compactación de la mezcla para asegurar el cumplimiento de los requerimientos del proyecto. Consideraciones antes de aplicar un tratamiento. Antes de colocar cualquier tratamiento sobre la carpeta se debe permitir el curado hasta que el contenido de humedad en el material sea reducida a 2.5% o menos, o según lo que especifique la Dependencia. El control de calidad también se especifica en el protocolo AMAAC y básicamente se recomienda lo siguiente. Personal de supervisión del Contratista y laboratorio de control deben llevar a cabo una reunión con la Dependencia para llegar a un mutuo acuerdo acerca de los métodos de aseguramiento de la calidad de las diferentes fases del proyecto, previo al inicio de la obra.

13

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

El Contratista será el responsable del control de calidad de la mezcla asfáltica. El control de calidad debe cubrir las siguientes mediciones: granulometría, contenido de humedad, contenido de asfalto residual, retención de tensión indirecta de la mezcla y grado de compactación en campo, complementándolo de acuerdo a lo solicitado en especificación particular para los diferentes materiales utilizados y mezcla final. Emulsión asfáltica. Un representante de la compañía que suministrará la emulsión deberá verificar las propiedades de mezclado, rompimiento y fraguado de la emulsión cuando se requiera, para realizar los ajustes a la formulación de la emulsión, si fuera necesario. Material pétreo. El material pétreo debe ser consistente y cumplir los requisitos solicitados. Contenido de humedad del agregado. Previo a la producción de la mezcla, el contenido de humedad del agregado pétreo debe ser determinado en campo para definir la humedad que se adicionará a fin de lograr la humedad óptima de mezclado. Contenido de emulsión. La cantidad de emulsión asfáltica debe ser la determinada en el diseño de la mezcla. Cualquier cambio en el contenido debe ser aprobado por la Dependencia. El porcentaje de emulsión adicionada debe ser verificada por medio de medidores de flujo y por el contenido de asfalto residual de la mezcla. Control de espesores. Los espesores deben ser monitoreados regularmente para determinar el cumplimiento de lo especificado en el proyecto. Control de la compactación. Para la medición de densidad real y definir el patrón de compactación se requiere efectuar el tramo de prueba

CONCLUSIONES •

Las prácticas recomendadas de mezclas asfálticas en frío son una herramienta que contribuye al buen uso de estas tecnologías y permite tener mayor certidumbre en obtener mezclas asfálticas en frío de alta calidad,

14

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

•

• • • •

La recomendación de mezclas asfálticas en frío se puede ajustar a las necesidades específicas del proyecto y experiencia local utilizando especificaciones particulares. En la mayor parte del territorio nacional se dispone de agregados y plantas de emulsión, para cumplir los requisitos del diseño. En México se cuenta con laboratorios equipados para realizar el diseño, control y verificación de calidad, solicitados. Se dispone de los equipos de producción y construcción para obtener la calidad deseada de la mezcla en obra. Lograr aplicaciones de buena calidad, requieren que la Dependencia haga cumplir los parámetros establecidos en las especificaciones particulares.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 1. Emulsion Mix Design Methods: An Overview, H Fred Waller, TRB 754, 1-9 2. Protocolo AMAAC PA-MA 01/2008. Granulometría Densa de Alto Desempeño.

Diseño

de

Mezclas

Asfálticas

de

3. Standard Test Method for determining the Workability of Asphalt Cold Mix Patching Material, ASTM D6704. 4. Diseño de Mezclas en frío, Didier Lesueur, Juan José Potti. Revista Técnica De la Asociación Española de Carreteras Marzo/Abril 2005. P. 48-63 5. Mechanical characteristics of emulsion cold mixes”, Caronneau X Henrat et all, Revenue générale des routes aédromes No. 804 2002, p. 58-66 6. Influence of curing on cold mix mechanical performance. Serfass J. P. Poirier, J..E. Henra, P. and Carbonneau, Proc 6th RILIEM Symposium on Performance Testing Evalution Materials, 2003. 7. Basic Asphalt Recycling Manual, Asphalt Reclaiming and Recycling Association.

15

Pavement Preservation a global challenge: the contribution of bitumen emulsion industry

outline • • • • •

Introduction The markets today Driving factors Answers from the industry Conclusion

2

Introduction • International Bitumen Emulsion Federation • An association formed in 1996 • Members from 20 countries • 75% of the volumes worldwide 3

The IBEF around the World

4

The markets today • A delivery mechanism • A long story that dates back from the 20’s • A joint work with the oil and the chemical industry 10000 9000 8348 8174 8081 8048 7800

8000 7000

kT

6967

6000 5623

5388

5800

5000 4000 1989

1994

1999 years

2004

2009

5

The markets today Bitumen Emulsions: Volumes & uses Total production in 2009: > 8 million MT No major variation during the past 5 years No updated figures for 2010 & 2011, but it seems that volumes have slightly grown

The markets today Bitumen Emulsions: Volumes & uses • The emulsion industry needs to assess its own market at the national / local level • The last worldwide update was carried out for the 2010 World Of Emulsions

• An enquiry across 100 countries: associations, industry, • Results: • - some countries have a very accurate knowledge of their market: U.K., Japan, France • - some have not: anti trust and competition laws, mistrust between members of national associations

Bitumen emulsion top ten producing countries

The markets today The road owners are facing budget reductions Such reductions have impacted the road industry

The markets today What do the owners require? • The road owners are facing budget reductions • Such reductions have impacted the road industry • Road owners are more and more aware of the value of the asset they are in charge of • France 2,000 billions € • Italy 5,000 billions € (including land acquisition) • Pavement maintenance is asset preservation • Need to optimize the use of the moneys available: • Pavement Management Systems implemented (Australia, South Africa) • Use of adapted technologies • Road owners want more for less

The markets today The Technical knowledge • • • • • • •

• •

The need to share and extend the technical knowledge: The industry The contractors The road owners and engineers Bitumen emulsion is almost never part of the programs in the universities. Initiatives have been taken in Thailand and Spain The variety of specifications is one of the hurdles the industry will be facing for long The industry needs to be very careful with respect to the increasing quality problems of the bitumen: inconsistency linked to the use of various crudes. New research programs need to be defined and implemented Bitumen for emulsion is not a commodity it is a specialty A 160/220 straight run bitumen

Driving factors • • • • •

The need for pavement preservation Increasing maintenance needs An adverse economical context Health requirements and safety issues Environmental context

12

Driving factors • The need for pavement preservation – Most of the inland transportation is made by roads 85.3% of passengers 73.8% of goods (Europe) – Pavements need to be maintained in due time

13

Driving factors • Advancing public interest Why we need to maintain surface roads

14

Driving factors • The need for pavement preservation • Increasing maintenance needs – Along with the growth of the economy – Along with the growth of the road networks • By 2050, China's road network will cover over four million kilometres, compared to the current 1.7 million kilometres, and the quality of road transportation will be on a par with that of developed countries, Vice Minister of Communications Hu Xijie said on Monday. • Hu was outlining the development of China's road transportation network in the first half of the 21st century in his address to the 2002 China Road Transportation Development Forum (CRTDF).

15

Driving factors • The need for pavement preservation • Increasing maintenance needs • An adverse economical context – Economical crisis, debt challenge in Western countries, low public budgets – Increasing costs $700 $600

$500 $400 $300 $200 $100 mars-03

août-04

déc.-05

avr.-07

sept.-08

janv.-10

juin-11

16

Driving factors • The need for pavement preservation • Increasing maintenance needs • An adverse economical context – Economical crisis, debt challenge in Western countries, low public budgets 320,00 310,00 300,00 290,00

600,00

hot and warm mix asphalt in the USA

hot and warm mix asphalt in the Eu 27 500,00 400,00

280,00 270,00 260,00

300,00 200,00

250,00 240,00 230,00

100,00 0,00

17

Driving factors • • • •

The need for pavement preservation Increasing maintenance needs An adverse economical context Health requirements and safety issues

“ […] This strong mechanistic evidence led to the classification of occupational exposures to straight-run bitumens and their emissions during road paving as “possibly carcinogenic to humans” (Group 2B).” 18

Driving factors • • • • •

The need for pavement preservation Increasing maintenance needs An adverse economical context Health requirements and safety issues Environmental context – Reducing carbon dioxide emissions • Kyoto protocol: -8% in 2012 v/s 1990 • Achievement: -6,2% in 2008 (EU15), -14% in 2009 (EU27) • Aims for the future: -20% in 2020 (EU27) or more(- 30%) 19

ITF Leipzig 2013 2013 Annual Summit Funding Transport Declaration from Ministers: Transport infrastructure is much more than asphalt, concrete or steel; it is the backbone of national economies, providing connections for people and goods, access to jobs and services, and enabling trade and economic growth. Recognising: that sufficient infrastructure investment and maintenance is required to ensure a robust, highquality, sustainable transport system 20

Driving factors Society cannot function without roads

World Highways April 2013

Answers from the industry • The need for pavement preservation • Increasing pavement maintenance needs – Bitumen emulsion techniques are ideally suited for pavement maintenance – Micro surfacing, surface dressing, cold in place recycling

22

Answers from the industry • An adverse economical context – Emulsion techniques are affordable technique

micro surfacing

cost / m2 €

2,04

micro surfacing 2 layers 3,04

technique

micro surfacing

chip seal

chip seal 2 layers

HMA 30 mm

cost / m2 €

2,45

2,30

4,00

4,14

technique

micro surfacing

chip seal

UTFC

HMA

cost / y2 $

1,50 - 3,00

1,50 - 2,00

4,00 - 6,00

3,00 - 6,00

chip seal 2,33

very thin asphalt concrete 6,20

HMA 7,90

23

Answers from the industry • Health requirements and safety issues – Low temperature provide with low emissions

24

Answers from the industry • Health requirements and safety issues – Low temperature provide with low emissions surface dressing in the United Kingdom 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

80% 67%

22% 20% 6% non modified emulsions

modified emulsions

2001

0%

non modified cut backs

5%

0%

modified cut backs

2010

25

Answers from the industry • Environmental context – Reducing carbon dioxide emissions

Road base asphalt

materials Upstream transport Manufacturing

Gravel emulsion

Cold in place recycling

Transport to the site Placing

26

comprehensive knowledge of the road networks High speed data acquisition system

Image processing: crack records

Conclusions • The bitumen emulsion techniques have their role to play within a difficult financial context

106 104 102 100 98 96 94 92 90 88 2006

2007

2008 emulsion

2009

2010

2011

bitumen

28

Conclusions • The bitumen emulsion techniques have their role to play within a difficult financial context • Wide room for increase

29

Conclusions • The bitumen emulsion techniques meet HSE challenges • The bitumen emulsion techniques need to meet new challenges – High traffic roads – Quality of the bitumen: a specialty

30

www.ibef.net

www.aema.org

www.arra.org

www.slurry.org

www.fp2.org 31

Thank you

32

SELLO DEL CABO (CAPE SEAL) EMULSIONES ASFALTICAS - ALTERNATIVA EN CONSERVACION DE PAVIMENTOS AMAAC – Octavo Congreso Mexicano del Asfalto Agosto, 28 - 30, 2013 Cancún QR, Mexico RESUMEN: El Sello de Cabo o "Cape Seal' por su significado en Ingles, fue desarrollado en Ciudad del Cabo en Sudáfrica en los años 50's, la cual es una aplicación bi-capa como superficie de rodamiento en carreteras o vías de terrestres de comunicación. Para este evento ofreceré la alternativa de utilización de las emulsiones como construcción y rehabilitación de la superficie de rodamiento en pavimentaciones. Con esta presentación intento ofrecer un antiguo pero altamente sustentable sistema de pavimentación y ahora re-definido como conservación de pavimentos con lo mejor de la tecnología utilizando Emulsiones Asfálticas Catiónicas Convencionales y Modificadas con Polímeros. Esta metodología de pavimentación está conformada en dos fases: 1. Primeramente la aplicación de un riego de gravilla (chip seal) que se aplica sobre una carpeta asfáltica con severos daños superficiales o también sobre una base granular convencional o estabilizada. 2. Seguida de una aplicación de Mortero Asfaltico (Slurry Seal) o Micro Pavimento (Micro Surfacing) como superficie de rodamiento. Ofreceré las ventajas que esta aplicación asfáltica bi-capa nos brinda además por su efectividad en costos al tratarse de una aplicación asfáltica en frio. Determinare en esta presentación los detalles técnicos de diseño, especificaciones, recomendaciones y guías de la ISSA (International Slurry Surfacing Association) así como archivos fotográficos y video clips de proyectos ya desarrollados en otros países con el fin de abrir nuevas rutas en la comunicación de nuestra Tecnología para el desarrollo vial de América Latina. ANTECEDENTES El proceso de Sello del Cabo fue desarrollado en la Republica de Sudáfrica en la Provincia del Cabo (Cape Province) específicamente en Ciudad del Cabo (Cape town). Inicialmente aplicaban polvo de roca premezclado con asfalto en caliente sobre un sello con roca de 19 mm. Durante estos inicios el proceso se especifico en 1950 como CAPSA 1979. Esto fue el resultado de múltiples esfuerzos para mejorar la durabilidad de aquellos caminos que no excedían 300 v/d. Aunque mezclas en caliente fueron usadas como pavimento, en caminos de mayor tráfico. Posteriormente mejoraron sus desarrollos – en 1957 – nació el proceso como Cape Seal, que consistía en la aplicación de una tratamiento superficial con roca de 19 mm cubierto con dos pases de mortero asfaltico (Slurry Seal) y como segunda opción una tratamiento superficial con roca de 13 mm cubierto con solo un pase de mortero asfaltico. La pavimentación de vías con el sistema Sello del Cabo tiene ya más de 60 años de existencia, desde su creación muchos países a nivel mundial han desarrollado este sistema inicialmente como pavimentación, principalmente en vías donde se considera imposible que una carpeta asfáltica o de hormigón sea aplicada por la diversidad de razones económicas principalmente en nuestros países. Ahora este sistema nos ofrece una forma económica pero eficiente de dar a nuestros ciudadanos, vías con recubrimientos asfalticos de buen rendimiento. Hasta esta fecha he conocido países como Estados Unidos, Argentina, Brasil y Chile aparte de su país de creación Sudáfrica como los países que más aplicaciones han efectuado con esta técnica de pavimentación. Podemos considerar ecológica a esta técnica de pavimentación, ya que se utilizan emulsiones asfálticas catiónicas las cuales son amigables al medio ambiente, son aplicadas en frio, son combinadas con agua, utilizan materiales húmedos, no arrojan contaminantes a flujos pluviales, no arrojan contaminantes sólidos o vapores dañinos a la atmosfera, tienen una máxima resistencia a la intrusión de agua así como al desprendimiento por ella, comparadas con las técnicas asfálticas de pavimentación en caliente y en su aplicación no es necesaria energía calorífica. El curado de ellas se logra cuando al agua es evaporada a la atmosfera. En general esta técnica e pavimentación ofrecerá una alternativa económica y técnicamente sustentable, en pavimentaciones con una verdadera efectividad en costos.

INTRODUCCION El sistema Sell del Cabo (Cape Seal - por su significado en Ingles) es una metodología que se define como la pavimentación alternativa en frio para vías secundarias cuando se aplica sobre bases granulares convencionales o para vías principales sobre pavimentos (flexibles y rígidos) en malas condiciones superficiales. El Sello del Cabo originalmente desarrollado, combina dos tratamientos a nivel superficial: A. FASE 1 – Aplicación de un tratamiento superficial simple (Chip Seal) Riegos B. FASE 2 – Aplicación de un mortero asfaltico convencional (Slurry Seal) Mezcla La segunda capa como mezcla rica en ligante elimina el problema de desprendimientos de agregados, retiene firmemente el agregado del tratamiento y reduce en gran cantidad el ruido del tráfico Estas dos técnicas de aplicación asfáltica deberán independientemente desarrollar bajo las respectivas normativas locales o Internacionales un Diseño de Mezcla formal.

FASE 1 – APLICACIÓN DEL RIEGO DE GRAVILLA DEFINICION.El riego de gravilla es la aplicación de un riego de asfalto emulsionado, seguido inmediatamente de un riego de gravilla con granulometría definida, la compactación de la gravilla y finalmente el barrido de ellas lo cual puede ser aplicado sobre superficies ya sea granulares o pavimentadas. Esta aplicación tiene como finalidad la conservación, restauración de propiedades superficiales de rodamiento y el sellado de la vía. Existen en el mundo varios tipos de tratamientos superficiales que por su aplicación y granulometría se definen como: simples, dobles, triples o múltiples. En este caso solamente se presentara el tratamiento superficial simple, ya que la normativa original del Sello del Cabo es en base a este tipo de aplicación. Los tratamientos superficiales sellan grietas de mínima apertura, penetrando con ligante liquido hasta sellarlo y en grietas mayores ejerciendo con la gravilla el relleno de su volumen de acuerdo a la granulometría. Rellenan desniveles de bajo perfil superficial, proveen una excelente superficie resistente al deslizamiento, ofrecen una matriz pétrea de bajo espesor exponiendo la roca al tráfico y al clima, proveen una barrera impermeable que detiene la intrusión de agua a estructura inferior, ofrecen una buena superficie o capa temporal para esperar una carpeta convencional, asimismo puede demarcar las banquinas ejerciendo una buena diferencia con la carpeta. Los tratamientos superficiales aportan mínima resistencia estructural por lo que nos son tomados en cuenta para determinar capacidad portante de pavimentos. Los tratamientos superficiales no corrigen un pavimento estructuralmente deficiente, por lo que deberá aplicarse sobre bases y/o pavimentos aun estables. Desafortunadamente los tratamientos superficiales tienen un alto desprendimiento de gravilla. MATERIALES Con el fin lograr aplicaciones de alto rendimiento la emulsión asfáltica y los agregados como materiales que componen los tratamientos superficiales, deben de cumplir estrictas normas de calidad y si es posible superar las establecidas con el fin de alcanzar un buen tiempo de vida de servicio. Para zonas donde por consideraciones del tráfico o bien al aplicarse en zonas a mayor altura sobre el nivel del mar, las emulsiones asfálticas bien pueden ser modificadas con polímeros catiónicos tipo SBR lo cual coadyuva a reducir la susceptibilidad térmica y/o intemperismo en la vía, así como para a darle la resistencia al intemperismo y reducir la variación térmica en relación al rendimiento del ligante. EMULSION ASFALTICA Las emulsiones asfálticas en los tratamientos superficiales, ofrecen principalmente ventajas en contra de los asfaltos diluidos, ya que tienen una definida compatibilidad electrostática a ser combinadas con los materiales pétreos cuya propiedad es electronegativa, con la inmersión (en la imprimación) dentro de la masa asfáltica emulsionada cargada con iones electropositivos o cationes su adhesión inicial y su cohesión final será permanente no pudiendo ser alterada esta atracción electrostática resistiendo la acción devastadora por intrusión de agua la cual es uno de los mayores daños superficiales en las vías. La emulsión asfáltica catiónica por su característica de ligante asfaltico debe de entrar en contacto con materiales húmedos, lo cual es beneficioso en este sistema, ya que la humedad se fractura la tensión

superficial en la cara de los agregados y se promueve de mejor manera una adhesión inmediata. Con ello podemos decir que la humedad en los agregados es beneficiosa cuando se utilizan emulsiones asfálticas. Las emulsiones se aplican a temperatura ambiente, aunque a cierta altitud sobre el nivel del mar se requiere aumentar su temperatura para mejorar su manejo provocado una reacción térmica promoviéndose su adhesión, ruptura y cohesión al recibir el riego de la gravilla. Por lo que al entrar en contacto con la gravilla esta rompe de inmediato y retiene la roca en su lugar. Es necesario asegurar que las emulsiones no contaminan y su olor al aplicarlas es una confiable vaporización de combinación de resinas vegetales desprendiendo solo agua a la atmosfera. Las emulsiones asfálticas deberán de adaptarse a los requerimientos químico-físicos de los agregados y no se podrán utilizar emulsiones asfálticas que se encuentren en depósitos ya disponibles. De esto depende el buen rendimiento en su aplicación, he sido testigo en proyectos donde utilizando emulsiones supuestamente apropiadas han fallado en aéreas donde las características reológicas de los materiales aparentemente aprobaron buena compatibilidad. Las emulsiones asfálticas deberán de tener la viscosidad apropiada para mantener la capa de imprimación aun en zonas de difícil geometría longitudinal y donde el diseño transversal hasta con 4° de pendiente, sin que ella rompa por escurrimiento su capa de imprimación, si esto no se cumple la imprimación no tendrá el rendimiento como ligante catiónico, mientras que por un lado se efectúa la deposición sobre la superficie de la vía por otro lado se preparará a recibir un agregado con carga electronegativa. Es decir – debe de existir un equilibrio en la viscosidad para que sea distribuida apropiadamente y asimismo mantener la capa en posición, pero aún más rendimiento en su adherencia con la roca por entrar en contacto. Aunque he encontrado en varios países la utilización de emulsiones catiónicas de ruptura lenta, la aplicación resulta contraria en su rendimiento, por un lado este tipo de emulsiones son formuladas y producidas con contenidos hasta de 12 Kg de emulsificante por cada tonelada de emulsión producida, lo cual además de encarecer el producto final la convierte en una aplicación con curado excesivamente lento, ya que las emulsiones de ruptura rápida solo tienen máximo 2.5 Kg de emulsificante por cada tonelada de emulsión producida. Las emulsiones apropiadas para los tratamientos superficiales son denominadas de ruptura rápida para riegos, conforme este tipo son: CRS–1 y CRS –2

Prueba o Ensayo Viscosidad SF 50°C seg. Prueba de la malla 20 # (125 µ) 24 hr % Estabilidad al almacenamiento % Asfalto residual % Demulsibilidad 35 ml 0.8 % Dioctyl Sodium Sulfosuccinate %

Penetración residuo, 25°C, 100 g, 5s Solubilidad en Tricloroetileno , %

CRS

Norma

80 – 400 < 0.1 < 0.1 > 67

ASTM D 244 ASTM D 6933 ASTM D 6930 ASTM D 6997

40

ASTM D 6936

70-120 97

ASTM D 5 ASTM D 2042

AGREGADOS El material pétreo a ser utilizado en un tratamiento superficial deberá de cumplir normas y ensayos particulares para este fin, se localizará la fuente del material y se someterá a trituración hasta alcanzar la curva granulométrica determinada para la aplicación y una vez cumplidas estas normas, se deberá de enviar muestras al proveedor de la emulsión asfáltica para formular y diseñar conforme a las características físicoquímicas del material pétreo. No es posible formular una emulsión CRS sin tener el material pétreo disponible. Así como no puede ser posible el aplicar un tratamiento superficial con una emulsión sin esta haber sido formulada para el tipo de roca usada. De ello dependerá el buen rendimiento, tiempo de vida de servicio, el no tener desprendimientos mayores, exudaciones, delaminaciones, credibilidad y responsabilidad profesional en la aplicación. GRANULOMETRIAS Las granulométricas son variadas dependiendo principalmente del tráfico y de las condiciones del sitio de aplicación. Aunque en muchos países se utiliza solo una malla, en otros es común el uso de una curva granulométrica combinada. Como generalidad estas son las granulometrías usadas en tratamientos:

Malla numero 3/4 “ - 19 mm 1/2 “ - 12 mm 3/8 “ - 9 mm No. 4 - 6 mm No. 8 - 3 mm No. 16 - 1.5 mm No. 30 No. 100 No. 200

Pasante % 100 100 90 – 100 5 – 30 0 – 10 0–5 0 0 0

Las pruebas y ensayos que deberán ser cumplidas son aquellas para determinar las características físicas de los agregados, pero asimismo deberán de cumplir con pruebas de caracterización química, con la finalidad de encontrar la apropiada formulación de la emulsión asfáltica. Prueba o ensayo ASTM C 127-04 ASTM C131-06 ASTM C136-06 ASTM D 4791-05 ASTM D 6928-06 ASTM D 7000-04

Descripción Density, Relative Density (Specific Gravity) and Absorption of Coarse Aggregates Resistance to Degradation of Small Size Coarse by Abrasion and Impact in Los Angeles Machine Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregates Resistance of Coarse Aggregates to Degradation by Abrasion in the Micro-Deval Apparatus Sweep Test of Bituminous Emulsion Surface Treatments Samples

Los contenidos de emulsión asfáltica catiónica y agregado por área en la aplicaciones de tratamientos superficiales, se pueden dar en la siguiente tabla: Cantidad ligante/agregado en tratamientos superficiales simples Tamaño nominal del agregado 19.00-9.50 mm =3/4”- 3/8 “ 12.50-4.75 mm =1/2 “ - # 4 9.50-2.36 mm = 3/8 “- # 8 4.75-1.18 mm = # 4 - #16 Arena

Tamaño 6 7 8 9 AASHTO M-6

Cant. agregado Kg/m² 22-27 14-16 11-14 8-11 5-8

Cantidades de ligante Lt/m² 1.8 – 2.3 1.4-2.0 0.9-1.6 0.7-0.9 0.5-0.7

Tratamientos superficiales modificados con polímeros

Tipo de Emulsión CRS – 2 CRS-1 & CRS-2 CRS-1 & CRS-2 CRS-1 CRS-1 CRS-1p & CRS-2p

APLICACIÓN DEL RIEGO DE IMPRIMACION El riego de liga se ejecuta con un distribuidor de asfalto convencional, equipado con sistemas de control de riego para el ajuste de los porcentajes de aplicación por área arriba indicados, deberá de contar son sistemas de ajuste lateral para alcanzar coberturas completas.

Posicionamiento de las boquillas aspersoras

Altura de la barra de aspersión

APLICACIÓN DEL RIEGO DE AGREGADO (GRAVILLA) La aplicación del la roca se ejecuta con un distribuidor de gravilla o bien, con sistemas adaptados a tolvas de camiones de volteo. Por otro lado

Sistema convencional de aplicación Sistema de riego sincronizado EQUIPO DE COMPACTACION Deberá de contarse con equipo de compactación de neumáticos con un peso bruto de 5-8 TON con una presión ajustable de 14 – 17 kg/cm² (200 – 250 PSI) en los neumáticos. La velocidad de los compactadores deberá ser menor de 15 km/hr. La compactación de los agregados permite que la granulometría se incruste dentro del ligante asfaltico, forzando la penetración de la roca en la masa asfáltica de imprimación, resultando en un mejor acomodamiento de las partículas. BARREDORAS Se recomienda ejecutar el barrido con barredoras aspiradoras (vacuum sweepers) con presión negativa de aire (succión) para levantar el exceso de agregado posterior a la compactación. En América Latina son comúnmente aceptadas barredoras mecánicas.

FASE 2 – APLICACIÓN DEL MORTERO ASFALTICO NOTA.- La aplicación del mortero asfaltico eliminara completamente el desprendimiento de gravilla del tratamiento superficial y formando una micro-estructura que resistirá por varios años al tráfico y al clima. DEFINICION.- Se define como mortero asfaltico (Slurry Seal) a la mezcla asfáltica densa compuesta por agregados triturados, emulsión asfáltica, finos minerales, agua y aditivos que proporcionalmente mezclados por una maquina especialmente diseñada con este fin, los produce, los aplica y los esparce sobre una superficie limpia como recuperación superficial que provee propiedades antideslizantes y el sellado de la superficie de rodamiento. La interacción del mortero sobre el tratamiento superficial nos ofrecerá una micro carpeta de alta densidad que resiste al tráfico y al clima por varios años de servicio.

Aplicación de un Mortero Asfaltico convencional duran te la fase 2 del Sello del Cabo

Interacción de la mezcla densa del mortero asfaltico sobre el tratamiento superficial – Corte transversal

MATERIALES Por tratarse de una mezcla asfáltica densa se evaluaran agregados triturados y emulsión asfáltica catiónica a usarse en el Diseño de Mezcla para esta aplicación. AGREGADOS El material pétreo a ser utilizado deberá de ser evaluado para conocer sus características físico-químicas, con el fin de formular y producir la emulsión con las características y compatibilidad para el tipo de agregado del sitio o de la fuente seleccionada. El agregado mineral a usarse deberá ser del tipo y grado especificado para usarse en el mortero asfaltico. Deberá de ser producido de roca triturada de alta dureza y calidad solo o en combinación con otro, Se deberá asegurar que le material es totalmente triturado al 100 %. Pruebas de abrasión deberán ser ejecutadas antes de ser triturado. El agregado deberá de pasar valores de abrasión previamente aprobados. Una vez localizada la cantera o la fuente donde se proveerá el agregado, se procederá a la obtención de las curvas granulométricas, como a continuación se describe TAMAÑO MALLA

3/8 “ #4 #8 # 16 # 30 # 50 # 100 # 200

9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 1.18 mm 600 µ 300 µ 150 µ 75 µ

TIPO I % PASANTE

TIPO II % PASANTE

TIPO III % PASANTE

100 100 90-100 65-90 40-65 25-42 15-30 10-20

100 90-100 65-90 45-70 30-50 18-30 10-21 5-15

100 70-90 45-70 28-50 19-34 12-25 7-18 5-15

Granulometrías especificadas bajo normas ISSA (International Slurry Surfacing Association)

PRUEBAS DE CALIDAD EN LOS AGREGADOS Una vez localizados los agregados, estos deberán de cumplir los siguientes requerimientos:

Descripción de la prueba Equivalente de arena Durabilidad Resistencia abrasion

ASTM D 2419 C 88 C 131

AASHTO T176 T104 T 96

Especificación 45 min 15 % max Nₐ2SO4 - 25 % max MgSO

35 % min

EMULSION ASFALTICA La emulsión asfáltica deberá de cumplir normas especificadas para los diferentes tipos: CSS-1, CSS-1h, CQS1h incluso CQS-1p conforme normativas en ASTM D-3910 y el boletín de Directrices y Recomendaciones de Rendimiento para el Mortero Asfaltico Emulsificado ISSA A-105. Cada carga de emulsión asfáltica en sitio deberá de estar acompañada con un Certificado de Análisis para asegurar que es la misma usada en el Diseño de Mezcla.

Material Pruebas en emulsión Pruebas en el residuo

ASTM D 244 D 2397

AASHTO T 59 T 49

Característica Contenido residual Penetración a 25°C

Especificación 60 % min 40-90*

* deberán de considerarse las condiciones climatológicas en el sitio de aplicación

TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE PARTICULA En los Estados Unidos, es común el exigir al proveedor de emulsión el tamaño y distribución de partículas para comprobar el rendimiento de la emulsión en campo así como asegurar el comportamiento de ello durante la trasportación al sitio de aplicación. Existen en el mercado equipos electrónicos para determinar con exactitud esto valores de aseguramiento en el control de calidad.

Grafica del tamaño y distribución de partícula

Micro-fotografía de una emulsión asfáltica

DISEÑO DE MEZCLA La aplicación del mortero asfaltico debe obligatoriamente estar apoyada por un Diseño de Mezcla, certificado por un Laboratorio Especializado para este fin o en el caso más común apoyado por el por el laboratorio del proveedor de la emulsión asfáltica. Deberá de desarrollarse el Diseño donde se muestren pruebas de compatibilidad del agregado, emulsión, finos minerales, agua y si el caso lo requiere el uso de otros aditivos. El Diseño de Mezcla deberá de estar desarrollado con la misma granulometría del agregado previamente seleccionado por el responsable del proyecto de aplicación. Pruebas recomendadas con sus valores que deberán ser cumplidos: PRUEBA ISSA NO. ISSA TB 106 ISSA TB-139 ISSA TB-109 ISSA TB-114 ISSA TB-100 ISSA TB-113

DESCRIPCION Consistencia de la mezcla Cohesión en húmedo 30 minutos (ruptura) Cohesión en húmedo 60 minutos Exceso de asfalto por LWT adhesión de arena Cubrimiento en humedo Perdida por abrasión en WTAT, 1 hora Tiempo de mezclado*

ESPECIFICACION 3-4 12 kg/cm - min 20 kg/cm - min 538 gr/m² - máx. 90 % - min 807 gr/m² - max Bajo control a180 seg

* ejecutado a la máxima temperatura durante la aplicación

CMT- Cohesion Meter Test – ISSA TB-139

Pruebas de Cohesión en Húmedo.- Desarrolladas para comprobar compatibilidad e materiales, ruptura, curado de la mezcla y apertura al tráfico en el área de aplicación.

WTAT- Wet Track Abrasion Test

Pruebas de Abrasión en Húmedo (bajo agua).- Para determinación del contenido mínimo de asfalto en la mezcla. 800

WTAT

750

700 600

580

500 400

400

350

300

260

200

200

WTAT

100 0 10%

11%

12%

13%

14%

15%

Grafica después del desarrollo de pruebas WTAT

LWT- Loaded Wheel Test

Prueba de la rueda Cargada.- Para determinar el contenido máximo de asfalto en la mezcla

900

LWT

800

800

700 600

600

500

450

400 300

300 230

200

LWT

150

100 0 10%

11%

12%

13%

14%

15%

Grafica después del desarrollo de pruebas LWT DETERMINACION DEL CONTENIDO ÓPTIMO DE EMULSION EN LA MEZCLA Las dos grafica arriba mostradas se combinan en una sola matriz, la intersección de las dos graficas resultantes de en las pruebas, nos arrojara el contenido óptimo de emulsión asfáltica. Asimismo aun con contando con este punto grafico, se deberá de tomar en consideración las variantes del clima, altura sobre el nivel del mar, contenido de finos en la granulometría del agregado, calidad de la emulsión asfáltica en referencia al tamaño y distribución de partículas,

El laboratorio deberá reportar los efectos cuantitativos del contenido de humedad en unidades de peso del agregado (bulking effect). El reporte deberá claramente mostrar las proporciones del agregado, emulsión asfáltica, finos minerales (min & máx.) agua (min & máx.) aditivo (cantidad de uso) basados en el peso seco del agregado.

Fotografías del proceso constructivo

Aplicaciones del mortero asfaltico como parte de la segunda fase en Sello del cabo

Fotografía para observar en detalle durante la aplicación del Sello del Cabo

Fotografía (Rancagua Chile - 2010) de aplicación de Sello del Cabo después de 6 años de su aplicación.

Aplicación de Sello del Cabo en Overland Park área en Kansas City MO - USA

Bibliografía.-Asphalt Institute Manual MS-11 – Asphalt Emulsions -Recommended Performance Guidelines for Emulsified Asphalt Slurry Seal – ISSA A-105 May 2003 -Recommended Performance Guidelines for Micro Surfacing – ISSA A-143 May 2003 -State of Practice and Design, Construction and Performance of Micro Surfacing-Publication FHWA SA-94-051June 1994 -Ballou Construction Inc. Salina KS USA. -Vance Brothers Inc. Oklahoma City USA. -Etnyre Equipment Technical Presentation – Chip Seal -Evaluation of Cape Seals as a Pavement Rehabilitation Alternative – Thomas W. Kennedy & Mansour Solaimanian – T Texas Department of Transportation / US Department of Transportation / Federal Highway Administration – Oct 1998

Use of Low Temperature Recovery Techniques for Latex-Modified Asphalt Emulsions

Presented to: Mexican Asphalt Congress August 28-30, 2013 Cancun, Mexico

Arlis Kadrmas BASF Corporation e-mail: [email protected]

Abstract The recovery of residue from asphalt emulsions is typically defined by evaporation procedures and distillation procedures that are much higher than application conditions for those products. Before the use of polymers in asphalt emulsions to improve the performance and life expectancy of these emulsions, these recovery methods were adequate for giving a good representation of the final product on the road. The use of polymers in these asphalt emulsions were altered by the higher temperature recovery techniques. The development of lower temperature residue recovery techniques, that are similar to road conditions, is important to better quantify the performance of the modified asphalt emulsion residues. Two evaporative low temperature residue recovery techniques have been developed that have a maximum temperature of 140ºF (60ºC). The summer asphalt pavement temperatures are very close to the 140ºF (60ºC), which allows for a better comparison of the residue to possible field performance. These recovery methods will be described and the benefits for the industry defined. The comparisons of the residues, using the various recovery techniques, has been done using the Dynamic Shear Rheometer. Specifications are being developed around these recovery techniques and being presented to industry and agency for evaluation. With the increase in emphasis of pavement preservation by agencies, the ability to better characterize the performance of the products is very important.

Introduction The use of latexes and polymers in asphalt emulsion applications to improve field performance created a challenge for the recovery of the residue using traditional oven evaporation or distillation techniques. Those techniques recovered the residue at temperatures which deteriorated or altered the polymers used and therefore the distillation procedures were adjusted to lower temperature techniques to reduce the change of the polymers used in the asphalt emulsion manufacture. These temperatures are, however, still much higher than the field application temperatures for these products. The following report shows the development of recovery techniques that are similar to field conditions, and the test results that compare those techniques to the higher temperature recovery procedures. Why do we need to change the Current Techniques? The commonly used distillation and evaporative techniques recover residue at a much higher temperature than asphalt emulsions are applied at in the field, or cured at under normal pavement temperatures. The high temperatures of these recovery methods also alter the polymers used for field performance of the asphalt emulsion applications. Temperatures have been reduced for polymer modified emulsions in some distillation techniques, also vacuum conditions to reduce temperature in the distillation procedure provided a step change to get closer to field conditions. These were still far from field conditions. Pavement temperatures around 60ºC have been targeted for recovering emulsion residue, since that is a normal high pavement temperature in summer conditions in many climate areas. The issue with residue recovered at 60ºC, or less, is that it is not readily pourable into molds and apparatus that are used to test the material such as penetration, absolute viscosity, or softening point. The use of a dynamic shear rheometer allows the residue to be tested and compared to current specifications. Distillation and High Temperature Evaporation Techniques The distillation apparatus is shown in the figure on the right for a standard ASTM D6997 setup. The temperature of this procedure for latex modified asphalt emulsions is usually 177 or 204ºC. This is lower than the 260ºC that was originally developed for this procedure for asphalt emulsions, but still much higher than the pavement temperatures that the asphalt emulsions are subjected to when applied to pavement preservation applications.

ASTM D6934 is a high temperature evaporation procedure that has been used to recover residue from asphalt emulsions by many agencies. The process has an oven temperature of 163ºC, which is also higher than pavement temperatures. The ASTM procedure states that this procedure also give a lower penetration and lower ductility results than the D6997 Distillation method, which would mean that the aging is even greater for the high temperature evaporation procedure than for the distillation method. Vacuum Distillation Technique To reduce the effect of temperature on the residue procedure, a test method was developed to add vacuum to the still and reduce the temperature to 135ºC. One issue with the procedure is the emulsion had to first be frozen prior to placing it in the still. The need for freezing the residue was to keep the emulsion from boiling over during the heating process. The temperature of 135ºC is still well above the field conditions, and the overall complexity of the procedure has kept it from being implemented by agencies. This was a step change into understanding the effect of temperature on asphalt emulsion residues Traditonal Asphalt Emulsion Test Results The following Table shows the current traditional testing that is done on asphalt emulsion residues from the distillation or high temperature evaporation techniques.

These tests require the pouring of the asphalt for the testing, which can be done at the temperatures from the distillation. It should be noticed in the table that the recovered residue temperature is much higher than the shown softening points. Most of the current

specifications for asphalt emulsion residues currently use a penetration range at 25ºC to evaluate the residue rheology. The Absolute Viscosity values are tested at 60ºC. For latex or polymer modified emulsion residues, the elastic properties using tests such as Elastic Recovery or Forced Ductility are tested at 4ºC or 10ºC. The use of the Dynamic Shear Rheometer (DSR) for asphalt grading in hot mix applications has opened the possibility of samples to be placed on this device for testing without having to be poured. The ability to test the residue at multiple temperatures, at various stress or strain levels, and various frequencies give this technique an added advantage. This has allowed the development of evaporation techniques at, or near, pavement temperatures due to the lack of the necessity to have to have the sample in a liquid form to pour into a test apparatus. Low Temperature Evaporation Techniques and Results AASHTO PP72 – Method A or ASTM D7497 low temperature evaporation technique utilizes a film of asphalt emulsion on a silicone mat. The film is evaporated at 25ºC (or ambient room temperature) for 24 hours and than placed for 24 hours in a 60ºC oven for 24 hours. The procedure was developed from an European standard EN13074. The initial 24 hours at near ambient room temperature is to encourage evaporation without a skin forming on the surface of the asphalt emulsion. The film thickness is very close to that used in a chip seal application. A picture of a silicone mat with the film of emulsion is shown above. The test results comparing a distillation to the low temperature evaporation techniques can be seen below for asphalt emulsions without latex modification.

The DSR results of the evaporation technique are slightly higher than those of the distillation procedure for each temperature tested. This has proven to be quite consistent based on multiple test results. There was initial concern that there may be residual moisture that affected the results, but there was determined to be no significant remaining

moisture in the samples. The testing of unmodified asphalt emulsion samples is important to get an understanding of the test procedure prior to continuing with latex modified asphalt emulsions. The table below shows similar DSR testing on asphalt emulsions modified with 3.75% latex (by weight emulsion). This amount of latex is consistent with the usage levels for micro-surfacing, but slightly higher than that of normal chip seal latex modified asphalt emulsion formulations.

The results show similar increases in DSR results between the distillation and evaporation techniques as seen on those emulsions without latex modification. Due to the length of time required to get a residue from an asphalt emulsion using the AASHTO PP72 or D7497 low temperature recovery technique, AASHTO PP72 – method B was developed to reduce the time to get material for testing. The technique was developed by Texas Department of Transportation and utilizes the same 60ºC evaporation temperature, but a thinner film for evaporation. The procedure takes six hours rather than the 24+24 hour D7497 procedure. A picture of this film and removing it from the silicone mat can be seen to the right. This film is a similar thickness to that used in a fog seal or tack coat application of asphalt emulsions. The results comparing the two low temperature evaporation techniques can be seen in the Table below. Temperature 52ºC 58ºC 64ºC 70ºC

CRS-2L CRS-2P ASTM D7497 TX Method ASTM D7497 TX Method 7.69 6.07 12.12 9.80 3.47 2.73 5.76 4.58 1.65 1.32 2.94 2.27 0.81 0.67 1.56 1.16

The DSR results show a small decrease in the results when using the Texas evaporation method. Points of Discussion and Conclusion The use of lower temperature recovery methods are possible and it is clearly shown that the residue can be tested using the Dynamic Shear Rheometer. These low temperature evaporation techniques mimic field conditions and application thickness, which traditional distillation and high temperature evaporation techniques cannot do. The ability to compare traditional testing along with DSR testing of field projects will allow the evaluation and specification recommendation that will move the process forward.

Octavo Congreso Mexicano del Asfalto Agosto 27 a 30, 2013 – Cancún, Quintana Roo

Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México Issues to consider for improving the quality of the pavements in Mexico Raúl Vicente OROZCO

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RVO y Cía., México, D.F. RESUMEN: Se describen los conceptos básicos que exige el buen comportamiento de los pavimentos en México, pasando revista a diferentes aspectos que deben siempre considerarse, a juicio del autor. Entre estos sobresalen los siguientes: La tendencia mundial al respecto y el enfoque geotécnico que debe estar presente: la rigidez relativa entre las capas del pavimento, dentro de su estructuración convencional o innovadora, la concentración de sólidos que, simultáneamente con el contenido de fluido (agua, asfalto, alquitrán de hulla, etc.) y su grado de saturación correspondiente, permite definir la propiedad fundamental deseada (resistencia, impermeabilidad, durabilidad, etc.). Otros aspectos se refieren al tránsito, clima, materiales, manejo del agua superficial y subterránea, deterioro primario y secundario, ajustes de prueba, características de aceptación (IRI, µ, ), normatividad, control de calidad (especificaciones), deslinde de responsabilidades, etc. ABSTRACT: It describes the basic concepts required by the good performance of pavements in Mexico, reviewing different aspects that must always be considered, in the opinion of the author. Among these the following stand: The world trend in this respect and geotechnical approach should be present: the relative stiffness between the layers of the pavement, in its conventional or innovative structure solids concentration that simultaneously with the content of fluid (water, asphalt, tar coal, etc..) and degree of saturation corresponding to define the desired fundamental property (strength, impermeability, durability, etc...). Other issues relate to traffic, weather, materials, management of surface water and groundwater, primary and secondary deterioration, test settings, characteristics of acceptance (IRI, μ, ), standardization, quality control (specifications) and demarcation of responsibilities.

1) INTRODUCCIÓN Salvo los casos en que la conservación de los pavimentos de las carreteras se está realizando concienzuda y oportunamente, porque los hay y muchos, se puede mejorar el comportamiento de otros, aunque estén dotados de una capa superior reciente de concreto asfáltico o de cemento Portland. La mejor manera de alcanzar el desempeño deseado en tales pavimentos consiste en pasar revista a todos los factores que intervienen durante su tiempo de utilización. A mi mejor leal saber y entender, considero que estas importantes obras de ingeniería requieren recibir la atención que se merecen desde todos los puntos de vista: usuario, vehículo, seguridad, economía, cálculo, proyecto, construcción, supervisión, control de calidad, conservación, operación, ecología, etc.

Por consiguiente, el espíritu de este escrito es expresar libremente las ideas que al respecto tiene el autor, muchas aprendidas o prestadas de otras especialidades, con el fin de aportar o recordar algo a los expertos en el seguimiento oportuno del buen comportamiento de los pavimentos (Orozco, 2012). 2) TENDENCIA MUNDIAL Para satisfacer simultáneamente las cualidades deseables en un pavimento (seguridad, durabilidad, rugosidad, comodidad, rigidez, economía y flexibilidad) ilustradas en la Fig. 1, a continuación se resume la tendencia mundial acerca de los pavimentos:  Modelación teórica más realista e innovadora del comportamiento de los pavimentos que incorpore la caracterización de los geomateriales obtenida de pruebas no destructivas.

ASOCIACIÓN MEXICANA DEL ASFALTO, A.C. (AMAAC)

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

Figura 3 Deformómetros fijos de impacto convencionales

Figura. 1 Cualidades de un pavimento

La aplicación de las "redes neuronales artificiales" es la técnica más reciente de análisis, como se ilustra en la Fig. 2 y se analiza en detalle por Beltrán G. y Romo M. (2012).

Figura 4 Deformómetros fijos de impacto de alto rendimiento

Figura. 2 Aplicación a los pavimentos de las redes neuronales artificiales

 Incorporación más efectiva de los conceptos básicos de la geotécnica (se puede decir geotecnia por la costumbre) durante el proyecto y la conservación de los pavimentos, mediante su evaluación sistemática con deformómetros de impacto (Figs. 3 y 4) y de rebote elástico (Figs. 5 y 6), además de los perfilómetros láser (Figs. 7 y 8) y otros equipos complementarios de gran rendimiento.

Figura 5 Deformómetro rodante pesado de rebote elástico

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OROZCO S, RV

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Figura 6 Deformómetro rodante ligero de rebote elástico

Figura 9 Simulador vehicular pesado para pruebas destructivas

 Disponibilidad de información y datos precisos, altamente confiables, tanto de campo como de laboratorio, obtenidos de organismos oficiales e instituciones de investigación asociadas con empresas de consultoría y de construcción. Figura 7 Perfilómetro láser de gran rendimiento para carreteras en operación

Figura 8 Perfilómetro láser ligero para control de calidad durante la construcción

 Aplicación necesaria de parámetros geotécnicos más significativos, para suprimir el uso generalizado de conceptos totalmente empíricos, como el CBR (California Bearing Ratio). Estos conceptos ya cumplieron amplia y satisfactoriamente su misión de épocas pioneras.  Apoyo en la auscultación del comportamiento de los pavimentos mediante métodos indirectos (no destructivos), a partir de investigaciones formales en tramos de prueba a escala natural y con simuladores vehiculares pesados muy eficientes, como el ilustrado en la Fig. 9.

3) ENFOQUE GEOTÉCNICO A raíz de la definición de geotécnica en el diccionario de la lengua española (Real Academia Española, 1992, 2001): "Aplicación de los principios de ingeniería a la ejecución de obras públicas en función de las características de los materiales de la corteza terrestre", viene a la mente una serie de reflexiones ligadas a lo que llamamos coloquialmente "geomateriales", cuyas tecnologías debemos estudiar y conocer, para aprovecharlos en las obras de ingeniería. Desde luego que la geología, la mecánica de suelos y la de rocas, más otras especialidades afines, pertenecen a la geotécnica que es la matriz de todas. Con respecto al buen comportamiento de los pavimentos, debe tomarse siempre en cuenta el enfoque geotécnico como fundamental para lograrlo, cualquiera que sea el geomaterial, como los concretos: asfáltico, de cemento Portland, cálcico, alquitránico, azúfrico y zeolítico. Por ejemplo, en algunas calles de Monclova, Coah. se han construido pavimentos de buen comportamiento, elaborados a base de escoria de fundición y alquitrán de hulla, ambos geomateriales procedentes de Altos Hornos de México, S.A. de C.V.(RVO y Cía, 1990). En Tabasco se tiene experiencia en concreto azúfrico-asfáltico para pavimentos carreteros con buen comportamiento (Ing. Pedro Corona Ballesteros). El concreto zeolítico, constituido por varios geomateriales (suelos del lugar, zeolita artificial activada, cemento Portland y agua), tiene mucha aceptación por las múltiples propiedades alcan-

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

zadas simultáneamente (antifisuramiento por la alta resistencia a la tensión, impermeabilidad y antierosión muy alta, entre otras); en México, hay varios ejemplos del buen comportamiento de estos pavimentos en Tabasco (Figs. 10 a 12), Michoacán (Figs. 13 y 14), Guanajuato (Figs. 15 y 16) y otros estados.

Figura 12 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)

Figura 10 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)

Figura 13 Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal (Morelia)

Figura 11 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)

Figura 14 Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal en arcillas expansivas (Morelia)

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OROZCO S, RV

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de impacto (Figs. 3 y 4). En las Figs. 18 y 19 se ilustran las cuencas típicas para los desplazamientos verticales, comúnmente denominadas "cuencas de deflexión".

Figura 15 Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)

Figura 17 Sección estructural “invertida” con la base comparada con el balasto de FC

Figura 16 Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)

4) RIGIDEZ RELATIVA ENTRE CAPAS Como toda obra de ingeniería, hasta una vivienda de interés social, se requiere la cimentación de la misma con el módulo elástico suficiente para absorber los esfuerzos y las deformaciones que inducen las cargas transmitidas por el tránsito. La capa de sustentación o "zapata continua de cimentación" conviene que sea más rígida que las superiores o, dicho en otras palabras, "lo mejor va de abajo hacia arriba". Debe escogerse bien el nivel de desplante en el terreno de cimentación, como se ilustra en la Fig. 17. Hay varios casos de aplicación que conviene conocer (Orozco, 2012). Considero que la capa superior del pavimento debe estar concebida como la parte "cómoda" para el usuario: antiruidos, antibrincos, antiacuaplaneo, antiderrapante, o sea: confortable y segura. La rigidez de las capas, medida con el "módulo elástico" es ahora ya un procedimiento tan rutinario que es muy sencillo obtenerlo por retrocálculo ("solución al problema inverso"), a partir de las cuencas de desplazamientos verticales obtenidas de mediciones con equipos no destructivos, como el deformómetro

Figura 18 Cuencas de desplazamiento vertical típicas

Figura 19 Perfiles de desplazamientos obtenidos con el deformómetro de impacto

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verticales

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

5) DURABILIDAD Y NIVEL DE CALIDAD Este concepto está íntimamente ligado a la vida de un pavimento y comienza con los niveles de calidad admisibles para cada elemento constitutivo, empezando por nosotros mismos. Si nuestro nivel de calidad personal es inadmisible, ¿Que esperamos del comportamiento de un pavimento? (Orozco, 2001). En primer lugar, los geomateriales pueden ser NOBLES, es decir: sanos y limpios, resistentes e inocuos, económicos y manejables, ..., o CONFLICTIVOS: expansivos o colapsables, blandos u orgánicos, reactivos o degradables, ... , los cuales requieren tratamiento especial (cal, cemento Portland, zeolitas artificiales activadas, agua, asfalto, ...) para transformarlos en NOBLES. En segundo lugar, tales geomateriales deben ser adaptables a las condiciones variables del clima, es decir: a los cambios extremos de temperatura y de humedad. Sabemos que es impredecible conocer el calor y el frío esperados, así como la lluvia y la evaporación, pero sí es posible seleccionar los geomateriales de mejor comportamiento: naturales o artificiales (hechos por el hombre). En tercer lugar, se debe tener grabado en la mente que, para prevenir la fatiga de los pavimentos por la acción adicional del tránsito, es imperioso fijar los niveles de calidad o raseros límite "ADMISIBLE e INADMISIBLE”, como se ilustra en la Fig. 20. El índice Estructural (Ie) se explica en el Cap. 6 (Orozco, 2012).

mo nivel de calidad concebido desde el inicio de la obra, para alargar su vida con el mínimo de costos y molestias al usuario. Estas ideas de esquematizan en la Fig. 21.

Figura 21 Conservación de pavimentos seguros y confortables

En cuarto lugar, es necesario estar consciente de que el nivel de calidad (transformado a especificación) de un pavimento se refiere a su geometría y sus acabados, geomateriales y procedimientos constructivos. Además, desde que se gesta la "idea", con las subsecuentes actividades de Planificación, Estudios, Proyecto, Construcción, Supervisión, Control de calidad, Conservación y Operación, el nivel de calidad debe ser el mismo durante toda la vida esperada de la obra. En la Fig. 22 está anotada entre paréntesis la palabra clave de cada responsable de las actividades inherentes, para su deslinde.

Figura 20 Durabilidad, prevención de la fatiga y nivel de calidad

Obsérvese que la capacidad de carga relativa (Calificación estructural, Ce) va disminuyendo gradualmente con el tiempo y, por ende, la durabilidad de las capas del pavimento, hasta llegar a la etapa de rehabilitación. De no hacerse esta acción o este "paréntesis", el deterioro incipiente continuará hasta entrar al deterioro crítico por fatiga y a la etapa de reconstrucción, la cual corresponde ya al deterioro extremo. Por eso, la misión de la conservación de carreteras consiste en MANTENER siempre el mis-

Figura 22 Deslinde de responsabilidades en cada actividad de control

En quinto lugar, pero que es de lo más importante, está el tránsito, tanto el actual como el futuro, donde deberá tomarse en cuenta toda la disciplina que exis-

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OROZCO S, RV

te al respecto (tránsito horario, diario, promedios mensual y anual, intensidad de cargas y distribución de los ejes, además de su tiempo de aplicación; el tránsito generado o desviado, la evolución de las tasas de crecimiento, etc.) 6) ESTIMACIÓN TEÓRICO-PRÁCTICA DEL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS Según se trate de un pavimento nuevo, por rehabilitar, modernizar o reconstruir, se requiere su modelación geotécnica con métodos de análisis mecanicistas y empíricos a la vez, donde se asignen los posibles "módulos elásticos" de los geomateriales en cada capa, para escoger las opciones de solución más prometedoras. En la Fig. 23 se sugieren algunas combinaciones de capas para estructurar un pavimento y en la Tabla 1 se presentan algunos "módulos elásticos" obtenidos a partir de mediciones con métodos no destructivos (Orozco, 2005).

7

Las evaluaciones sistemáticas superficiales (Figs. 7 y 8) y estructurales (Figs.3 y 4) con deformometros de impacto, el levantamiento de deterioro a pie y con video, la obtención de Índices Estructurales (Fig. 24 y Tabla 2), espesores de capa con sondeos y radar de penetración superficial, módulos de resiliencia, módulos Marshall y otros (dinámicos, "elásticos", de deformación, etc.), las propiedades índice de los geomateriales, etc., son práctica común en México para coadyuvar en las simulaciones con métodos mecanicista-empíricos, para las opciones de solución más prometedoras, sobre todo en carreteras ya construidas.

Figura 24 Índice estructural (Ie). Carretera VillahermosaEscárcega km 37 Tabla 2 índice estructural de pavimentos flexibles Calificación Estructural (Ce) 10 9 8 7 6 5

Figura 23 Estructuración de pavimentos Tabla 1 Rigidez “in situ” de las capas de pavimento Geomaterial

Concreto Suelos Gruesos Suelos Finos

Módulo elástico (E), kg/cm²

Relación de Poisson ()

Recomendado Obtenido* Asfáltico 30000-40000 5000-60000 0.35 Portland 250000-400000 150000- 450000 0.15- 0.20 Compactado 70000-120000 40000- 100000 0.25-0.35 Bases 3000-5000 1500- 4000 0.40 Sub-bases 2000-4000 700- 2000 Sub-rasantes y 0.45 300 a 1500 70 a 1000 capas inferiores

* A partir de mediciones con el deformómetro de impacto (FWD y HWD)

Después se efectúan las simulaciones de las opciones escogidas y se enlista el orden de preferencia de acuerdo con el enfoque geotécnico, para que posteriormente se hagan los ajustes por la influencia de factores económicos, políticos y sociales, pero siempre con la meta del nivel de calidad prefijado. "Más vale hacer pocos kilómetros de buenas carreteras que muchos mal hechos".

Excelente Muy buena Buena Regular Mala Pésima

Índice Estructural (Ie) 0 a 0.05 0.05 a 1 0.1 a 0.2 0.2 a 0.3 0.3 a 0.4 > 0.4

Solución a considerar Tratamiento Superficial Reforzamiento Recuperación in situ

7) MANEJO DEL AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA El olvido de este tema es el principal causante del mal funcionamiento de una carretera. De acuerdo con la experiencia mexicana sobre el particular, deben tomarse en cuenta los principales aspectos siguientes: a) Para el agua superficial sobre la corona del camino  Exagerar más el "bombeo "mínimo de la sección transversal: desde 2.5 hasta 3%. Una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, sin causar erosión  Colocar la carpeta en todo el ancho de la corona de la sección transversal, sea de cualquier geomaterial: concreto asfáltico, de cemento Portland, zeolítico, azufrico, etc.

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

 Prohibir la protección de los acotamientos con tezontle, por la inevitable inseguridad que se induce causada por los diferentes coeficientes de fricción en las superficies  Prohibir los "bordillos" construidos en la corona del camino porque solamente pasean y guardan el agua a manera de canal hidráulico, aumentando la inseguridad por acuaplaneo, disminuyendo la durabilidad de las capas, etc. Recuérdese lo ya dicho: "una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, no pasearla encima del mismo" (véanse las Figs. 25 y 26). Los" bordillos" podrían colocarse sólo en casos especiales, donde no exista vegetación o material granular grueso para la protección de los terraplenes y cuando los suelos sean muy erosionables, con lavaderos completos y rugosos, de boquillas amplias y sin obstrucciones.

Figura 27 Flujo de una capa drenante

b) Para el agua subterránea bajo el pavimento

Figura 25 Lavaderos y “bordillos” inútiles

 Utilizar la sección transversal "invertida" (véase la Fig. 17) porque tiene esencialmente mucha grava gruesa y permeable que permite el flujo libre del agua e impide la ascensión capilar de la misma a la capa superior  Acostumbrarse a los subdrenes con geomateriales filtrantes (gravas y arenas naturales o geotextiles sintéticos) que eviten la migración de finos y permitan el flujo del agua limpia hacia los colectores de drenaje  Animarse a construir drenes horizontales de penetración en cortes y considerar trincheras estabilizadoras como se esquematiza en las Figs. 28 y 29.  Construir drenes en los cortes protegidos de concreto lanzado y en algunas bermas estabilizadoras

Figura 26 Peligro de acuaplaneo en puentes

 Construir las verdaderas "carpetas drenantes", "generosas" para impedir el acuaplaneo. Durante la lluvia de proyecto permiten el flujo del agua hacia los lados, tomando en cuenta el espesor, la pendiente crítica (longitudinal o transversal) y el coeficiente de permeabilidad (k), como se esquematiza en la Fig. 27. El coeficiente de fricción (µ) debe mantenerse en los niveles de seguridad.

Figura 28 Control del flujo subterráneo

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9) RECOMENDACIONES Primera: Para que un pavimento tenga un buen comportamiento es necesaria su oportuna evaluación superficial y estructural, de tal manera que durante la vida esperada se mantengan, dentro de los límites especificados, los siguientes indicadores de calidad (Orozco, 2012):

Figura 29 Control del flujo subterráneo c) Comentarios generales

    

Índice Estructural (Ie) ”Módulo Elástico” (E) Coeficiente de permeabilidad (k) Coeficiente de fricción (µ) Índice de Regularidad Superficial (IRI)

 Debe recordarse y tenerse siempre presente la frase célebre de Leonardo da Vinci: “Cuando del agua se trata, usa la experiencia, nó la razón"  El agua fluye de las regiones del suelo con mayor succión (presión de poro negativa) a las de menor succión; en otras palabras, generalmente una gota de agua fluye de lo más impermeable a lo más permeable.

Segunda: “Tomar en cuenta otros factores que intervienen en el proyecto, la construcción y la operación de los pavimentos, con el fin de establecer y poner a prueba más indicadores de calidad que coadyuven a mejorar el comportamiento de los pavimentos en México” (Orozco, 2012).

8) SELECCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS (COMPACIDAD).

Beltrán G.I. et al (2012). “Assessing Artificial Neural Networks Performance to Estimate Layer Properties of Pavements”, Instituto de Ingeniería UNAM, México, D.F., Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería, Bogotá, Colombia. Revista Applied Soff Computing. Orozco S, RV (2001). “La Calidad no es un Arte, es un Hábito”, XVII Reunión Nacional de Laboratorios de Control de Calidad de Materiales de Construcción, ANALISEC, Ixtapa, Gro. Orozco S, RV (2005). “Evaluación de Pavimentos Flexibles con Métodos no Destructivos” (Tesis Doctoral), UNAM. Orozco S, RV et al (2012). “Criterios geotécnicos básicos para aumentar la vida estructural de un pavimento”. Revista Geotecnia No. 223, SMIG. Orozco S, RV (2012). “Reflexiones para Mejorar el Comportamiento de los Pavimentos en México”, Jornada Técnica de Evaluación del Desempeño de Carreteras Mediante Indicadores de Calidad, AMIVTAC Deleg. Morelos, Cuernavaca, Mor. Orozco S, RV (2012). “Aspectos a Considerar para Mejorar el Comportamiento de los Pavimentos en México”, XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, SMIG, Cancún, Q. Roo. RVO y Cía, SA de CV (1990). Asesoría sobre el Aprovechamiento de Escoria de Fundición y Alquitrán de Hulla en la Construcción de Pavimentos para Vialidades, Monclova, Coah. (AHMSA). Real Academia Española (1992): Diccionario de la Lengua Española, Editorial ESPASA CALPESA, Edición XXI, Madrid, España.

La concentración de sólidos (compacidad), C, viene a ser el volumen de materia sólida (Vs) que ocupa el volumen total (Vt) del geomaterial (suelo, roca o cualquier concreto) y es equivalente a la relación entre el peso volumétrico seco (d) y el de los sólidos (d). Todo esto tiene una teoría para definir las diversas curvas de igual propiedad fundamental (Orozco, 2012). En la Fig. 30 se presenta un ejemplo de curvas "isocaracterísticas” para el módulo de resiliencia de un suelo.

Figura 30 Diagrama “CAS”-Curvas isocaracterísticas del módulo de resiliencia

10) REFERENCIAS

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

Real Academia Española (2001): Diccionario de la Lengua Española, Edición XXII, Madrid, España. http://buscon.rae.es/drael/.

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ASPECTOS DE GESTIÓN DE CARRETERAS EN LA LEY MAP-21 DE LOS ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA Ricardo Solorio Murillo, Santa Cárdenas Rodríguez, Roberto Hernández Domínguez1 1

Investigadores del Instituto Mexicano del Transporte

RESUMEN Se presenta en este documento una introducción a la Ley MAP-21, promulgada en los Estados Unidos de América para mejorar la contribución del transporte carretero al logro de los objetivos estratégicos de ese país. En esta introducción se destaca la relevancia de la gestión de carreteras para un enfoque basado en el desempeño como el que se contempla en este ordenamiento jurídico. El documento se divide en cuatro secciones principales. En la primera, se presenta una descripción general de MAP-21, incluyendo la definición de los objetivos nacionales del sistema carretero en los EUA, la concepción de la gestión del desempeño contenida en la ley y las líneas generales para la especificación de indicadores y metas de desempeño. La segunda sección aborda las principales etapas del proceso de implementación de MAP-21, así como la reglamentación de la ley y los atributos deseables para las medidas de desempeño. En la tercera sección se resumen los resultados de un estudio desarrollado por la FHWA en relación con la evaluación de pavimentos en la red de carreteras de los EUA y, en ´particular, con la pertinencia y viabilidad de una serie de indicadores propuestos para calificar distintas vertientes del estado de los pavimentos. Finalmente, la cuarta sección se dedica identificar algunos aspectos de MAP-21 que podrían ser útiles para mejorar las prácticas actuales que se aplican en la conservación y operación de la red mexicana de carreteras. 1

LA LEY MAP-21

En esta sección se describen las características más importantes de la Ley MAP-21, en especial lo relativo al establecimiento de programas basados en el desempeño para la conservación y operación de la red de carreteras de los Estados Unidos de América. La descripción se basa en un resumen sobre MAP-21 publicado por la Administración Federal de Carreteras de los EUA (FHWA, 2012). Se puede encontrar más información sobre MAP-21 en el sitio web desarrollado por la FHWA para este tema (FHWA, 2013). 1.1

Aspectos generales

En julio de 2012 se promulgó en los EUA la Ley para Avanzar hacia el Progreso en el Siglo 21, conocida como MAP-21 por su nombre en inglés Moving Ahead for Progress in the 21st Century Act. Mediante esta ley se autorizan recursos para programas de transporte terrestre por un total superior a los 105 mil millones de dólares para los años fiscales 2013 y 2014, lo cual representa la primera autorización de recursos de “largo plazo” para carreteras desde 2005. Además de proveer los recursos necesarios, MAP-21 pretende transformar las políticas y el

marco programático que regulan las inversiones en infraestructura para el transporte terrestre. La ley introduce un conjunto de programas simplificados, basados en el desempeño y multimodales, para enfrentar los siguientes retos: mejoramiento de la seguridad vial, conservación de la infraestructura, reducción de la congestión del tránsito, incremento de la eficiencia del sistema carretero y del movimiento de carga, protección del medioambiente y reducción de retrasos en la ejecución de proyectos. MAP-21 retoma y redefine varios de los programas y políticas establecidos en el pasado para carreteras, transporte público, ciclovías y caminos peatonales. En lo que se refiere a las inversiones en carreteras, la ley contempla lo siguiente: 

Ampliación del Sistema Nacional de Carreteras (en inglés National Highway System, NHS), incorporando arterias principales que antes no se consideraban parte del sistema. Las inversiones están dirigidas al NHS ampliado, con más de la mitad de los recursos orientados a preservar y mejorar las carreteras más importantes.



Establecimiento de programas basados en el desempeño como un medio para que las inversiones de fondos federales en el transporte sean más eficaces, orientándolas al cumplimiento de los objetivos nacionales en este sector. Con lo anterior, se busca mejorar la rendición de cuentas e incrementar la transparencia de los programas federales de carreteras, así como mejorar también la toma de decisiones vinculada a esos programas.



Creación de empleos y apoyo al crecimiento económico mediante la asignación de recursos federales por 82 mil millones de dólares en los años fiscales 2013 y 2014 a carreteras, puentes y apoyos para el transporte en bicicleta y la circulación peatonal. Asimismo, MAP-21 prevé fomentar las inversiones del sector privado incrementando de manera substancial los fondos del programa derivado de la Ley para el Financiamiento e Innovación de la Infraestructura del Transporte (TIFIA por sus siglas en inglés). MAP-21 contiene también diversas disposiciones diseñadas para mejorar el movimiento de carga en el país.



Apoyo al programa de seguridad vial del Departamento de Transporte (DOT) con la duplicación de los recursos destinados a la seguridad de la infraestructura y al reforzamiento de los vínculos entre los programas modales de seguridad. Por otro lado, se contempla la creación de un programa específico orientado a lograr avances significativos en la reducción de las muertes en accidentes carreteros. Asimismo, se planea continuar el apoyo a otros esfuerzos como los dirigidos al combate a la distracción durante la conducción y a la mejora de la seguridad del transporte público de pasajeros y carga.



Restructuración y simplificación de los programas federales de transporte carretero, consolidando la estructura previa de los mismos en un menor número de programas más amplios.



Incremento en la velocidad de ejecución de los proyectos y promoción de la innovación. Se prevé instrumentar una serie de cambios para mejorar la innovación y la eficacia en el desarrollo de los proyectos, especialmente en los procesos de planeación y revisión ambiental.

Entre los aspectos anteriores, destaca el relativo al establecimiento de programas basados en el desempeño, ya que se trata de un tópico relativamente novedoso en nuestro medio. Es cierto que, al menos en el caso del gobierno federal y a instancias de las entidades fiscalizadoras, se han implantado metas programáticas que se verifican en forma periódica. Al mismo tiempo, en los últimos años han venido cobrando auge formas de contratación de obras que se basan en medidas de desempeño. Sin embargo, hasta ahora no se han generado iniciativas que establezcan metas institucionales y obliguen a las entidades administradoras de programas carreteros a evaluar el desempeño de sus programas con respecto al logro de esas metas. Cabe mencionar que la evaluación del desempeño de las entidades de gobierno se ha convertido en una demanda pública de gran importancia en los EUA, y que en nuestro país existe desde hace varios años una tendencia en el mismo sentido. El proceso de medición, y en general, de gestión del desempeño, se encuentra estrechamente vinculado al de gestión de carreteras, especialmente cuando éste se aborda bajo el enfoque moderno de gestión de activos carreteros. Por una parte, bajo este enfoque, los programas se generan con base en una serie de objetivos concretos de mediano y largo plazo cuyo cumplimiento se verifica al término de los plazos establecidos, lo que equivale a medir el desempeño de los programas. Por otro lado, la evaluación del desempeño requiere como insumos diversos tipos de información técnica y económica que sólo se encuentra disponible cuando existe un proceso efectivo de gestión de activos carreteros. 1.2

Gestión del desempeño en MAP-21

Se reconoce que la piedra angular de la transformación de los programas carreteros en MAP-21 es la transición hacia programas basados en el desempeño y en los resultados. Los estados deben invertir los recursos disponibles en el logro de metas individuales que, de manera, colectiva, contribuyan a alcanzar los objetivos nacionales. En relación con lo anterior, cabe recordar que en los EUA la conservación y operación de la infraestructura carretera son responsabilidad de los estados. La Ley MAP-21 establece los siguientes siete objetivos nacionales de desempeño para el sistema carretero:    

Seguridad. Lograr una reducción significativa de las muertes y lesiones graves en accidentes de tránsito ocurridos en todos los caminos públicos. Estado de la infraestructura. Conservar el sistema de activos de infraestructura carretera en un estado bueno. Reducción de la congestión. Lograr una reducción significativa de la congestión en el Sistema Nacional de Carreteras (National Highway System, NHS). Confiabilidad del sistema. Mejorar la eficiencia del sistema de transporte terrestre.

  

Movimiento de carga y dinamismo económico. Mejorar la red nacional de transporte de carga, fortalecer la capacidad de las comunidades rurales para acceder a los mercados nacionales e internacionales y apoyar el desarrollo económico regional. Sostenibilidad ambiental. Mejorar el desempeño del sistema de transporte al tiempo que se protege y mejora el entorno natural. Reducción de retrasos en la ejecución de proyectos. Disminuir los costos de los proyectos mediante la promoción del empleo y el desarrollo económico, y hacer expedito el movimiento de personas y mercancías eliminando los retrasos en los procesos de desarrollo y ejecución de los proyectos, incluyendo la reducción de cargas regulatorias y la mejora de los procedimientos de trabajo de las entidades gubernamentales.

Para lograr lo anterior se prevé que el Departamento del Transporte (DOT), en acuerdo con los estados, los órganos de planeación metropolitana (MPO por sus siglas en inglés) y otros grupos de interés, establezcan indicadores para la evaluación de la condición y el desempeño de los sistemas de carreteras nacional e interestatal en los siguientes rubros: condición de la infraestructura, desempeño, seguridad, congestión, emisiones contaminantes y movimiento de carga. Los estados (y, eventualmente, también los MPO), deberán definir metas en términos de los indicadores anteriores. Asimismo, los planes estatales y metropolitanos deberán describir la forma en que los programas y proyectos seleccionados contribuirán al logro de las metas. De manera concreta, MAP-21 establece que el DOT debe elaborar especificaciones para un conjunto de 12 indicadores o medidas de desempeño agrupadas en cuatro rubros, como se muestra en la Tabla 1 (Paniati, 2013). Tabla 1. Medidas de desempeño enunciadas en MAP-21 (Paniati, 2013). Rubro Desempeño de las carreteras nacionales

Mejora de la seguridad vial

Mitigación de la congestión y mejora de la calidad del aire Política de transporte de carga

Medidas de desempeño Condición de puentes en el NHS Condición del pavimento en las carreteras interestatales Condición del pavimento en el NHS (exceptuando interestatales) Desempeño del sistema interestatal Desempeño del NHS (exceptuando interestatales) Número de muertos Muertos por vehículo-milla Número de heridos graves Heridos graves por vehículo-milla Congestión vial Emisiones de fuentes móviles en carreteras Movimiento de carga en el sistema interestatal

Los estados y los MPO presentarán al DOT informes sobre los avances en la realización de las metas. Si estos informes muestran un avance menor al esperado en algún área,

especialmente el estado del NHS y los indicadores de seguridad, el estado deberá llevar a cabo acciones correctivas, como las siguientes:  

Para el caso de la condición de los pavimentos y puentes del NHS, el estado deberá incluir en su siguiente informe las medidas que tomará para alcanzar las metas. En lo relativo a seguridad vial, el estado deberá asignar un monto determinado de los recursos federales a proyectos de seguridad y preparar un programa anual de ejecución.

Adicionalmente, puesto que la condición de la infraestructura se considera un asunto crítico, MAP-21 obliga a cada estado a mantener estándares mínimos para los pavimentos y puentes de las redes nacional e interestatal. Los estados que no logren los estándares mínimos deberán destinar una parte de los recursos que les sean asignados a la aplicación de las medidas necesarias para corregir esta desviación. 1.3

Programa Nacional de Desempeño Carretero

Como parte de la restructuración y simplificación de los programas federales contenida en MAP-21, se creó un programa dedicado específicamente a la mejora del desempeño que lleva por nombre Programa Nacional de Desempeño Carretero (National Highway Performance Program, NHPP). Este programa aplica al sistema carretero nacional ampliado, el cual está formado por alrededor de 350,000 km carreteras urbanas e interurbanas que dan servicio a los principales centros de población, cruces fronterizos, instalaciones de transporte intermodal y la red de carreteras relevante para la defensa estratégica de los EUA. El programa NHPP tiene autorizado un promedio anual de 21.8 mil millones de dólares para mejorar el estado y desempeño del NHS, para construir nuevas obras y para asegurar que las inversiones de fondos de ayuda federal se dediquen a obtener avances en el logro de las metas establecidas dentro los planes estatales de gestión de activos que tienen incidencia en el NHS. Además de las previsiones relativas al establecimiento de medidas de desempeño y estándares mínimos por parte del DOT, y de las correspondientes metas de los estados y los MPO, MAP-21 obliga a los estados a desarrollar un plan de gestión de activos basado en el desempeño y basado en riesgos para el NHS, a fin de preservar o mejorar el estado de los activos y el desempeño del sistema. El proceso de desarrollo del plan debe ser revisado y recertificado al menos cada cuatro años. En caso de incumplir con este requerimiento en un año dado, la ley prevé una reducción de la participación federal en proyectos NHPP de 80 a 65% para ese año. 2

CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE MAP-21

La completa implementación de MAP-21se vislumbra como un proceso de mediano plazo en el que habrá de elaborarse de manera coordinada entre el gobierno federal, los gobiernos de los estados y los MPO la reglamentación que dará sustento al programa carretero basado

en el desempeño. De acuerdo con las previsiones contenidas en la propia ley, la implementación de MAP-21 deberá concluir a mediados de 2015. A continuación se describen los principales aspectos del proceso de implementación según la óptica de la FHWA (Paniati, 2013). 2.1

Etapas principales del proceso de implementación

El proceso de implementación de MAP-21 consta de las siguientes etapas:    

Definición de medidas de desempeño por parte del DOT en un periodo máximo de 18 meses contados a partir del 1º de octubre de 2012. Establecimiento de las metas de los estados a más tardar 12 meses después de que el DOT defina las medidas de desempeño. Establecimiento de las metas de los MPO a más tardar 6 meses después de que el estado defina sus metas. Incorporación de las medidas y las metas en los procesos de planeación de los estados y los MPO.

Para asegurar su consistencia, las metas se establecerán de manera coordinada entre el gobierno federal, los estados y los MPO (Stephanos, Implementation Discusion on MAP-21 and Performance Measures page 1, 2013). Podrán definirse metas diferentes para los ámbitos urbano e interurbano. Se prevé que los estados presenten un informe de avance en el cumplimiento de las metas en un plazo de 4 años medido a partir de la promulgación de la ley y, posteriormente, cada dos años. En caso de que no se alcancen las metas se aplicarán acciones correctivas (no sanciones). 2.2

Reglamentación de MAP-21

Las 12 medidas de desempeño que se establecen en MAP-21 de manera general, deberán ser objeto de especificaciones precisas en lo que se refiere al método para obtener cada medida y a los datos involucrados. La reglamentación de MAP-21 está constituida por el conjunto de especificaciones de las medidas, las metas de los estados y los MPO y los plazos para lograr estas metas. A principios de 2013, la FHWA se encontraba realizando las siguientes actividades relacionadas con este proceso:    

Consulta con los grupos de interés. Elaboración de una plantilla para las notificaciones de propuesta de reglamentación (NPRM). Finalización de una evaluación del impacto económico de la reglamentación propuesta sobre los estados, los MPO y otros grupos de interés. Coordinación con otras reglamentaciones, como las de planeación, la del plan de gestión de activos, o la de la Administración Federal de Transporte Público (Federal Transit Administration, FTA).

Para el contacto con los grupos de interés, la FHWA ha establecido los siguientes mecanismos: seminarios web, diálogos nacionales en línea, reuniones virtuales de los ayuntamientos, reuniones sobre tópicos específicos y contacto directo a través de correo electrónico. Los principales temas de la consulta con estos grupos han sido: medidas de desempeño, definición y el cumplimiento de metas, elaboración de informes, y sistemas y herramientas de apoyo informático. Se ha establecido un periodo máximo de 90 días para hacer observaciones a las NPRM; pasado este periodo, la versión final será publicada en el Registro Federal (diario oficial del gobierno federal de los EUA). La FHWA clasifica las medidas de desempeño en tres grupos o estados, de acuerdo con el grado de avance de la reglamentación correspondiente. En la Tabla 2 se resume esta clasificación, la cual se ha tomado como base para calendarizar el desarrollo de la reglamentación y cumplir con la fecha límite para su promulgación en el segundo semestre de 2015, como se muestra en la Tabla 3. Tabla 2. Clasificación de las medidas de desempeño en función del grado de avance de la reglamentación (Paniati, 2013). Grado de avance Grupos de medidas Estado I Heridos graves por vehículo-milla Muertos por vehículo-milla Número de heridos graves Número de muertos Estado II Condición del pavimento en las carreteras interestatales Condición del pavimento en el NHS (exceptuando interestatales) Condición de puentes en el NHS Estado III Congestión vial Emisiones de fuentes móviles en carreteras Movimiento de carga en el sistema interestatal Desempeño del sistema interestatal Desempeño del NHS (exceptuando interestatales) Además de la definición de medidas desempeño y de los datos necesarios para su obtención, el proceso de reglamentación comprende la especificación de la condición mínima aceptable en pavimentos de la red interestatal, bosquejos de los requisitos para la definición de metas y la elaboración de informes de desempeño, y definiciones sobre el cumplimiento de las metas. Todo lo anterior estará a cargo del DOT (Paniati, 2013). 2.3

Atributos de las medidas de desempeño

Para evaluar las medidas de desempeño que habrán de adoptarse se deben emplear dos atributos básicos: pertinencia de la medida y disponibilidad de los datos (Stephanos, Federal Perspective on Performance Management page 1, 2013). El primero, se evalúa a través de los factores que se describen en la Tabla 4.

Tabla 3. Calendarización de la reglamentación (Paniati, 2013).

2

Medidas / año fiscal

Seguridad

Año fiscal / trimestre 1o 2013 2º (año 1 de 3o MAP-21) 4º 1o 2014 2º (año 2 de 3o MAP-21) 4º 1o 2015 2º

Estado 1 Consulta / NPRM

Pavimentos y puentes Estado 2

Consulta / NPRM

CMAQ2, desempeño, carga Estado 3

Consulta / NPRM

Observaciones Reglamentación final

Observaciones Reglamentación final

Observaciones Reglamentación final

Programa de Mitigación de la Congestión y Mejora de la Calidad del Aire

Tabla 4. Factores relacionados con la pertinencia de las medidas de desempeño. Factor Enfoque Consenso Flexibilidad Impacto

La medida: Se concentra en un área de interés nacional Ha sido desarrollada en colaboración con los grupos de interés Se puede modificar en caso necesario Puede utilizarse en apoyo a la toma de decisiones relacionadas con inversiones, formulación de políticas y definición de metas. Seguimiento Se puede utilizar para analizar tendencias en el desempeño Factibilidad Se obtiene a partir de datos cuya obtención, almacenamiento y comunicación son factibles y pueden hacerse de manera práctica En cuanto a la disponibilidad de la información, se toman en cuenta factores como la organización que proveerá los datos (si es una entidad federal, estatal/local o un tercero), la existencia de procedimientos para la recopilación, almacenamiento y acceso a la información y aspectos relativos a la calidad de los datos (oportunidad, consistencia, precisión, accesibilidad e integración de datos). 2.4

Requisitos adicionales de gestión del desempeño

La implementación de MAP-21 obliga a los estados y a los MPO tomar en cuenta los siguientes requisitos adicionales relacionados con la gestión del desempeño (Paniati, 2013): 

Regulaciones sobre planeación. o Enfoque basado en el desempeño. o Informes sobre el desempeño del sistema. o Discusión sobre el cumplimiento de las metas. o Periodo de transición.



Plan de gestión de activos en el marco del NHPP.

3



Plan de mejoramiento de la seguridad vial en el marco del Programa Estratégico de Seguridad Vial (Strategic Highway Safety Plan, SHSP).



Programa de Mitigación de la Congestión y Mejora de la Calidad del Aire (Congestion Mitigation and Air Quality Improvement Program, CMAQ), a cargo de los MPO.

EVALUACIÓN DE LA RED DE CARRETERAS DE LOS EUA

Con antelación a la promulgación de MAP-21 la FHWA emprendió, a través de un consultor privado, un estudio orientado a mejorar sus habilidades para evaluar el estado de la infraestructura carretera de los EUA (Simpson, Rada, Visintine, & Groeger, 2013). El estudio consistió básicamente en analizar una serie de indicadores o medidas de desempeño, utilizando como referencia un enfoque de la AASHTO basado en “niveles” (NCHRP, 2011). En este enfoque, los niveles se refieren al grado de desarrollo del indicador y no a su importancia o prioridad relativa. Se definen tres niveles: 

 

Nivel 1. Alude a las medidas con un desarrollo completo o casi completo y que pueden implementarse de inmediato a nivel nacional. Cumplen con los siguientes criterios: o Consenso generalizado respecto a la definición de la medida. o Existencia de un procedimiento común o centralizado para el levantamiento de datos. o Garantía sobre la disponibilidad de datos coherentes. Nivel 2. Medidas que cumplen con uno o dos de los criterios anteriores pero requieren trabajo adicional para su implementación. Nivel 3. Medidas que se encuentran todavía en la etapa de propuesta y requieren trabajo adicional para su implementación.

Tomando en cuenta lo anterior, los principales objetivos del estudio fueron:    

Desarrollar un procedimiento para clasificar el estado de los pavimentos y puentes como bueno/regular/malo, que pueda utilizarse de manera consistente en todo el país. Validar al Índice de Regularidad Internacional (IRI) como una medida de nivel 1. Avanzar en la definición de medidas potenciales de nivel 2 y 3. Abordar algunas cuestiones clave como si es posible obtener las mismas conclusiones a partir de diferentes fuentes de información o si el uso de indicadores distintos ayuda a una mejor caracterización del estado del pavimento.

El estudio comprendió la evaluación de los siguientes indicadores: a) Irregularidad del pavimento, en términos del IRI. b) Deterioros superficiales, de acuerdo con el Índice de Condición del Pavimento (Pavement Condition Index, PCI).

c) Combinación de la irregularidad y deterioros superficiales seleccionados. En este caso, se desarrolló el prototipo de un índice de estado funcional (FCI por sus siglas en inglés) que combina IRI, profundidad de roderas y agrietamiento en el caso de pavimentos asfálticos; IRI, escalonamiento y agrietamiento para pavimentos de concreto tipo JPCP, e IRI y escalonamiento para pavimentos de concreto tipo CRCP. d) Capacidad estructural del pavimento, a partir de mediciones con el Rolling Weight Deflectometer (RWD) de la FHWA. Como medida de capacidad estructural se utiliza la deflexión normalizada (D0), que corresponde a la máxima deflexión del pavimento bajo la carga aplicada. e) Uso combinado de la irregularidad, deterioros seleccionados y capacidad estructural basada en el RWD. Cabe mencionar que para esta opción no se desarrolló un nuevo índice, sino que el FCI y la deflexión D0 se emplearon separadamente como medidas de la capacidad funcional y estructural, asignando al pavimento la calificación más baja entre las obtenidas para cada indicador. f) Vida remanente, con base en la herramienta de análisis PHT (Pavement Health Track) de la FHWA. Esta herramienta utiliza versiones simplificadas de los modelos de la guía de diseño mecanicista-empírica de la AASHTO, y permite calcular valores terminales de los diferentes deterioros (IRI, roderas, agrietamiento por fatiga y agrietamiento térmico). PHT sólo puede usarse para pavimentos asfálticos y mixtos (pavimentos JPCP rehabilitados con una sobrecarpeta asfáltica). Como parte del trabajo se realizó un estudio piloto en el que se utilizaron las opciones anteriores para clasificar como bueno/regular/malo el estado del pavimento de tramos carreteros. Para ello se seleccionó un corredor de la red interestatal con una longitud de 1,407 km, que cruza los estados de Dakota del Sur, Minnesota y Wisconsin. En el estudio piloto se utilizaron las siguientes fuentes de información:  



Sistema de seguimiento del desempeño de carreteras (Highway Performance Monitoring System, HPMS) de la FHWA. Comprende IRI, roderas, escalonamiento y agrietamiento. Datos diversos de los organismos de carreteras de los estados, que pueden agruparse como: documentación, inventario e información de sistemas de gestión de pavimentos. Cabe mencionar que ninguno de los estados pudo proporcionar datos de deflexiones a nivel de red obtenidas con deflectómetro de impacto (FWD). Información recopilada en 2011 como parte del mismo estudio, incluyendo imágenes del derecho de vía, IRI, roderas, escalonamiento y agrietamiento. Para este levantamiento se utilizó un vehículo multifuncional, y los datos fueron almacenados siguiendo los estándares del HPMS. Asimismo, se hicieron recorridos con el equipo RWD, a fin de reunir información sobre la capacidad estructural de los pavimentos.

Para cada indicador considerado en el estudio se identificaron las correspondientes ventajas y desventajas, las cuales se resumen en la Tabla 5. Como se aprecia en esta tabla, sólo en el caso del IRI pudieron enumerarse más ventajas que desventajas. Sin embargo, la única desventaja identificada en este caso, referente al hecho de que el IRI no proporciona información sobre la capacidad estructural, es precisamente la que ha llevado a la búsqueda de otros indicadores.

Tabla 5. Ventajas y desventajas de los indicadores evaluados por la FHWA. Indicador IRI

PCI

Ventajas  Existencia de estándares  Repetibilidad y reproducibilidad  Aceptación y comprensión generalizadas  Incluido en el programa HPMS, por lo que no se requieren levantamientos adicionales  Aceptación y comprensión generalizadas

FCI

 Considera más de un aspecto del estado del pavimento  Proporciona una descripción completa de la capacidad funcional  Los datos están incluidos en el programa HPMS

D0

 Proporciona información sobre la capacidad estructural del pavimento

FCI y D0

 Representa la evaluación más completa del pavimento  Considera los diferentes tipos de deterioro, tanto los funcionales como los estructurales

Vida remanente con PHT

3

Sistemas de Gestión de Pavimentos

Desventajas  No proporciona información sobre la condición estructural

 Requiere datos de 19 tipos de deterioro para su cálculo  Imposibilidad de levantar información precisa sin afectar al tránsito  Los datos recopilados con equipo automático deben interpretarse manualmente  Actualmente no existe un índice reconocido que considere los deterioros medidos en el HPMS  Falta de normalización de los procedimientos para la medición del agrietamiento y el escalonamiento.  El FCI es un ejemplo inicial que no ha sido sujeto de una revisión y evaluación completas  No se han desarrollado para el RWD estándares de calibración, levantamiento y análisis de los datos  No existen estándares para utilizar datos del RWD en la calificación del estado del pavimento  Los métodos de análisis actuales requieren de los espesores de las capas, que son difíciles de obtener a partir de datos a nivel de red de los SGP3  La deflexión no da una indicación de la adecuación estructural si no se la relaciona con el tránsito  Mismas de los indicadores individuales FCI y D0  En este momento arroja resultados poco realistas, con predicciones de 0 para muchos tramos  Requiere investigación adicional respecto a los valores terminales de los deterioros, así como en lo que se refiere al manejo de información sobre el historial de reparaciones y la edad del pavimento  Requiere calibración local de los modelos.

En términos generales, las desventajas de las medidas diferentes al IRI se refieren a aspectos como la complejidad del método para la obtención del indicador, la falta de estándares para los procedimientos de medición y de cálculo y la necesidad de emprender trabajos de investigación adicionales. En el caso del FCI, se menciona que se observó una marcada falta de correlación entre los datos de agrietamiento del HPMS y los obtenidos en campo, lo cual, junto con la ausencia de un método aceptado para convertir la información sobre deterioros existente en el HPMS en un índice que permita clasificar el estado de los pavimentos como bueno/regular/malo, se consideran obstáculos significativos que deben resolverse para avanzar en el desarrollo de un enfoque basado en deterioros. Respecto a la vida remanente, se hace notar que la herramienta PHT genera un gran número de valores de cero para este indicador, lo cual se recomienda revisar con un conjunto mayor de datos para determinar si los valores terminales de los deterioros deben modificarse, a fin de producir estimaciones más realistas de la vida remanente. También se señala que en este ejercicio se encontraron algunos datos con inconsistencias importantes que es necesario resolver antes de que el método pueda considerarse viable. El estudio arroja dos conclusiones principales: 



Aunque existen ventajas al considerar indicadores cada vez más complejos, los cuales proporcionan más información sobre el estado del pavimento, el estudio mostró que la adopción de estos indicadores requiere esfuerzos adicionales de investigación y desarrollo, ya que actualmente no proporcionan una imagen coherente de la condición del pavimento. En este momento, la única medida que se juzga viable para ser empleada como un indicador robusto del estado del pavimento a nivel de red es el IRI, el cual posee los siguientes atributos: facilidad de medición, repetibilidad y nivel de desarrollo.

Considerando los resultados y conclusiones del estudio descrito en el contexto de la promulgación de MAP-21, puede observarse que los grupos de interés vinculados al sistema carretero de los EUA tienen grandes retos por delante en lo que se refiere a la definición e implementación de las medidas de desempeño previstas en esta ley. 4

ASPECTOS RELEVANTES PARA MÉXICO

La promulgación de la Ley MAP-21 en los Estados Unidos de América y el correspondiente proceso de implementación que actualmente se encuentra en marcha, conllevan los siguientes aspectos que conviene tomar en cuenta a la luz de las prácticas actuales vinculadas a la preservación y desarrollo del sistema carretero en nuestro país: a) Las medidas de desempeño constituyen un medio objetivo para evaluar la eficacia de los programas de conservación y operación de redes de carreteras. b) La gestión del desempeño sólo es posible si se aborda en el marco del proceso más amplio de gestión de infraestructura carretera, preferentemente cuando éste se basa

en el enfoque moderno de gestión de activos carreteros. Este enfoque contempla la verificación del cumplimiento de los objetivos de mediano y largo plazo que se establecen como parte del proceso y, además, asegura la disponibilidad de la información necesaria para la medición del desempeño. c) La gestión del desempeño constituye una alternativa viable para responder a las exigencias de los organismos de fiscalización y del público usuario con respecto a la rendición de cuentas de los recursos destinados a los programas carreteros. Asimismo, eventualmente podría servir como un medio para justificar la asignación de mayores recursos a esos programas. d) Para que un esquema basado en el desempeño sean exitoso, requiere del liderazgo de la máxima autoridad del sistema carretero, la cual debe definir los objetivos estratégicos de los programas y establecer las bases técnicas para la especificación de los indicadores de desempeño y las correspondientes metas. e) El liderazgo al que se refiere el punto anterior requiere que la autoridad cuente con capacidades técnicas adecuadas, por lo que es necesario promover la capacitación y actualización de su personal en todos los niveles. f) Se debe involucrar a los grupos de interés vinculados a los programas carreteros (entidades públicas, organismos de fiscalización, contratistas, empresas de consultoría, universidades, centros de investigación e incluso al público usuario) en el proceso de adopción de un esquema basado en el desempeño. g) Las medidas de desempeño utilizadas como base del proceso deben estar enfocadas a medir el progreso en el logro de los objetivos y ser claras, sencillas y directas. h) Además de indicadores de índole técnica, es recomendable utilizar indicadores para evaluar la eficiencia económica de las inversiones consideradas en los programas carreteros. i) Es necesario y urgente iniciar un importante esfuerzo a nivel nacional para el desarrollo de normas vinculadas a la recopilación, almacenamiento, análisis y acceso a información de indicadores relacionados con el estado de los pavimentos. En este esfuerzo debe hacerse una clara distinción entre los datos para aplicaciones a nivel de proyecto y de red. j) Como lo demuestra la experiencia estadunidense, la definición e implementación de medidas de desempeño llevan aparejados importantes retos de índole técnica, por lo que deben abordarse como procesos de mediano plazo sujetos a una planeación cuidadosa. 5

CONCLUSIÓN

La promulgación de MAP-21 constituye un hecho de gran significación en EUA al obligar por primera vez a los estados de ese país a sujetar sus programas carreteros a criterios de

desempeño. Con ello, el gobierno federal pretende dar respuesta a las demandas del congreso y del público usuario en el sentido de conocer el grado de eficacia y eficiencia con los que se ejercen los recursos destinados a la conservación y operación de la red de carreteras. De manera implícita, la ley asume que los estados cuentan o están en vías de contar con sistemas de gestión de carreteras, ya que de otra manera no es posible contar con la información necesaria para dar sustento al proceso de gestión del desempeño. Adicionalmente, el requisito puntual relativo al desarrollo de un plan de gestión de activos basado en el desempeño y basado en riesgos sólo podrá cumplirse si los sistemas de gestión existentes se modifican para adoptar un enfoque moderno de gestión de activos carreteros. El papel de la FHWA en la implementación de MAP-21 es crucial, ya que, en consulta con los estados y los órganos de planeación metropolitana (MPO), tiene a su cargo la especificación de las medidas de desempeño que habrán de gobernar el proceso. Asimismo, debe asesorar a los estados en temas como la definición de sus metas para cada medida y la elaboración de informes. Como se vio en la sección 3, la identificación y especificación de medidas de desempeño es un proceso extremadamente complejo. En las últimas décadas las tecnologías vinculadas a la medición de datos relacionados con el estado de pavimentos han experimentado avances muy importantes, sin embargo, estos avances han encontrado su principal ámbito de aplicación en la evaluación de pavimentos en el nivel de proyecto, quedando mucho trecho por recorrer en lo que se refiere al nivel de red, que es el que corresponde a un proceso de evaluación del desempeño como el previsto en MAP-21. Así, con el IRI identificado hasta el momento como único indicador viable para caracterizar aspectos de la condición del pavimento a nivel de red, la FHWA tiene ante sí un reto mayúsculo en lo que se refiere al proceso de definición de las medidas de desempeño que constituye el núcleo de la reglamentación de la ley. La promulgación de MAP-21 es un hecho del que nuestro país puede obtener importantes enseñanzas en lo que respecta a la gestión de infraestructura vial y al uso de indicadores de desempeño para medir la eficacia de los programas carreteros. Por lo pronto, resulta urgente emprender un gran esfuerzo en el país para normalizar los procedimientos de recopilación y análisis de información sobre la condición de los pavimentos, no sólo como preparación para eventual adopción de esquemas basados en el desempeño sino aun para conferir mayor solidez técnica a los procesos de evaluación y gestión de pavimentos actualmente en uso. 6

REFERENCIAS

FHWA. (2012). Moving Ahead for Progress in the 21st Century Act (MAP-21): A Summary of Highway Provisions. US Department of Transportation, Office of Policy and Governmental Affairs. Washington, DC, EUA: Federal Highway Administration.

FHWA. (2013). MAP-21 | Federal Highway Administration. Recuperado el 8 de junio de 2013, de MAP-21 | Federal Highway Administration: http://www.fhwa.dot.gov/map21/ NCHRP. (2011). NCHRP 20-24(37)G - Technical Guidance for Deploying National Level Performance Measurements. National Cooperative Highway Research Program. Washington, DC, EUA: National Cooperative Highway Research Program. Paniati, J. F. (2013). Policy Discussion on MAP-21 and Performance Management page 1. Recuperado el 11 de junio de 2013, de Transportation Research Board Compendium of Papers Online Portal Home: http://amonline.trb.org/39fl4p/1 Simpson, A. L., Rada, G., Visintine, B., & Groeger, J. L. (2013). Evaluating Pavement Condition on the National Highway System. TRB 2013 Annual Meeting Technical Papers. Washington, DC, EUA: Omnipress. Stephanos, P. (2013). Federal Perspective on Performance Management page 1. Recuperado el 11 de junio de 2013, de Transportation Research Board Compendium of Papers Online Portal Home: http://amonline.trb.org/39g3uf/1 Stephanos, P. (2013). Implementation Discusion on MAP-21 and Performance Measures page 1. Recuperado el 11 de junio de 2013, de Transportation Research Board Compendium of Papers Online Portal Home: http://amonline.trb.org/39ftfl/1

VIII Congreso Mexicano del Asfalto

Catálogo de secciones estructurales para pavimentos de la República Mexicana

M. en I. Víctor Alberto Sotelo Cornejo

Agosto de 2013

Qué es? • El catálogo de secciones es una guía de pavimentos convencionales que pretende servir de referencia a proyectistas y en general a las personas que están involucradas en el diseño o revisión de estructuras de pavimentos • Tiene un carácter general, aunque se pretende que se aplica a casos particulares

Estructuras tipo consideradas

En qué se basa? • En el diseño de pavimentos rígidos y flexibles bajo métodos conocidos y frecuentemente utilizados en México – Instituto de Ingeniería de la UNAM (flexibles) – AASHTO 1993 (rígidos)

• Con la EVALUACIÓN de materiales de toda la República (de banco y de carreteras existentes)

Esquema del proyecto Análisis de datos del terreno natural

Análisis de datos climáticos

Análisis multifactores

Regionalización Proceso de datos de tránsito Diseño de estructuras

Muestreo Ensayos de laboratorio

Regionalización • Instituto de Geografía de la UNAM • Sistema de Información Geográfica de Carreteras (SIGCI) • Factores que se tomaron en cuenta para la regionalización del país en 5 zonas (tienen influencia en el comportamiento estructural del pavimento) – – – –

Temperaturas máximas Temperaturas mínimas Precipitación máxima Terreno natural

Temperaturas máximas • Información oficial del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) • Datos de las temperaturas máximas de los últimos 5 años registrados • Rango es de 10.7° a 47.4°

Temperatura máxima

Temperatura mínima • Información oficial del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) • Datos de las temperaturas mínimas de los últimos 5 años registrados • Rango es de -14.0° a 27.0°

Temperaturas mínimas

Precipitación máxima • Información oficial del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) • Datos de la precipitación máxima de los últimos 5 años registrados • Rango es de 0.00 mm a 546.9 mm

Precipitación máxima

Terreno natural • Clasificación de los suelos mediante el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), así como los tipos de rocas • En base a la clasificación se determinó una “aptitud” del terreno natural, es decir, entre más alta es la aptitud, el terreno natural tiene mayor capacidad estructural y se reduce la necesidad de refuerzo del terreno.

Terreno natural

Aptitud del terreno natural No.

SUCS

Descripción

Aptitud

1

OH

Limos o arcillas orgánicas de alta plasticidad

Muy baja

2

OL

Limos o arcillas orgánicas de baja plasticidad

Muy baja

3

CH

Arcilla de alta plasticidad

Baja

4

CL

Arcilla de baja plasticidad

Media

5

MH

Limo de alta plasticidad

Baja

6

ML

Limo de baja plasticidad

Media

7

SC

Arena arcillosa

Alta

8

SM

Arena limosa

Muy Alta

9

SP

Arena mal graduada

Alta

10

GC

Grava arcillosa

Muy Alta

11

GM

Grava Limosa

Muy Alta

12

GP

Grava mal graduada

Muy Alta

13

Fmg

Rocas

Muy Alta

Criterio de integración de pavimentos Se definió en base a la experiencia el impacto que tiene cada parámetro en el comportamiento estructural de los pavimentos mexicanos • • • •

Temperatura máxima Temperatura mínima Precipitación Terreno natural

30% 15% 20% 35%

Regionalización por factores considerados

Explotación y muestreo por regiones • El objetivo fue obtener materiales de todas las regiones de la República Mexicana para evaluarlos en laboratorio • Análisis probabilístico del tamaño de la muestra – Red 48,319 km y 2,714 bancos – Nivel de confianza 90% – Tamaño de la muestra 271 km, distribuidos en 88 tramos y 66 bancos de materiales

Total de muestras • En cada km se establecieron 3 estaciones con la obtención de 3 núcleos por estación • En cada km se realizó un PCA hasta una profundidad aprox. de 90 cm • En cada banco de material se muestrearon todos los materiales disponibles

Distribución de los tramos de muestreo

Actividades de sondeos • Pozo a Cielo Abierto (PCA) • Extracción de núcleos de 10 cm (4”) de diámetro

Pruebas de laboratorio y obtención de resultados geotécnicos • Módulo resiliente de mezclas asfálticas y capas granulares (base, subbase y subrasante) • Resistencia a la compresión simple del concreto • Contenido de agua • Equivalente de arena • Límite líquido • Límite plástico • Composición granulométrica • Valor de Soporte de California (CBR)

Módulo resiliente Mezclas asfálticas y bases estabilizadas con asfalto ASTM D 4123

Capas granulares AASHTO T 307

Módulo resiliente en capas granulares • Es un modelo de comportamiento del suelo y no un número. • Dependiente de su función (Bases o subrasante) tiene los factores: – Presión de confinamiento – Esfuerzo desviador

Módulos en capas granulares Módulo Resiliente

Módulo Resiliente para subrasante 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0

Series1 Polinómica (Series1) 0

10

20

30

40

50

60

70

Esfuerzo desviador

Módulo Resiliente

Módulo Resiliente para una Base/Subbase 2500000 2000000 1500000 1000000

Series1

500000

Polinómica (Series1)

0 0

50

100

150 Esfuerzo desviador

200

250

300

Esfuerzo a compresión simple Base estabilizada con cemento

Concreto hidráulico

Valor Soporte de California (CBR)

Calidades de los suelos • • • • •

Composición granulométrica Contenido de agua Equivalente de arena Límite líquido Límite plástico

Número total de ensayos • En términos generales se realizó el siguiente número de ensayos: – 747 módulos resilientes en mezcla asfáltica – 50 f´c en concreto – 200 módulos resilientes en suelos – 270 caracterizaciones de materiales

Tránsito • Datos de los aforos de los últimos 5 años registrados por DGST • Ejes equivales a 8.2 t • Tasa de crecimiento • Factor de incremento – Pavimentos flexibles a 15 años – Pavimentos rígidos a 20 años

Tránsito • Coeficientes de daño (superficiales y a una profundidad) Método Inst. Ing. UNAM • Pesos y dimensiones máximas permitidas NOM-012-SCT-2-2008 • Metodología de cálculo determinada por el Instituto de Ingeniería de la UNAM

Categorización de variantes • Estudios estadísticos con un nivel de confianza de 90% • Categorización del tránsito Categoría de tránsito

Ejes equivalentes (ΣEE)

SEE1

< 10,000,000

SEE2

SEE3

SEE4

10,000,000 -

20,000,000 -

40,000,000 -

20,000,000

40,000,000

80,000,000

SEE5

> 80,000,000

• Categorización de mezclas asfálticas Módulos Resiliente para Carpetas Asfálticas (kg/cm2) CA-3

CA-4

30,000 - 40,000

> 40,000

La nomenclatura CA significa Concreto Asfáltico y el número define el rango de valor de Mr que posee la mezcla. Para su fabricación las mezclas CA-3 y CA-4 pueden requerir el uso de asfaltos modificados, agregados de elevada y el diseño de granulometrías no convencionales.

• Categorización de capas granulares Módulos Resiliente para capas granulares(kg/cm2) BH-2

BH-3

BEA

SB

SR

>2,000

>3,000

>7,000

>1,000

>600

La nomenclatura BH significa Base Hidráulica, BEA significa Base Estabilizada con Asfalto, SB significa Subbase, SRAS significa Subrasante y el número define el valor mínimo de Mr que debe poseer el material.

Diseño de pavimentos • Pavimentos flexibles – Método del Instituto de Ingenierías de la UNAM (Empírico)

• Pavimentos rígidos – Método AASHTO 93 (Empírico-Mecanicista)

Método UNAM para pavimentos flexibles • Determinación de espesores por medio del DISPAV-5 • Nivel de confianza – 95% en carreteras de altas especificaciones – 85% en carreteras normales

Método AASHTO 93 para pavimentos rígidos • Esfuerzo a la compresión f’c = 350 kg/cm2 • Módulo de Ruptura Mr = 48 kg/cm2 • Índice de serviciabilidad – ISA inicial = 4.5 – ISAfinal = 2.5 (Normales) y 3.0 (Altas especificaciones)

• Módulo de reacción de la subrasante Módulo de Reacción k (pci) SB

BEA

BEC

190

400

1100

• Desviación estándar de la predicción del tráfico usada fue de 0.35 • Coeficiente de transferencia de cargas – Con pasajuntas J=2.8

• Coeficiente de drenaje Tipo de región

R1

R2

R3

R4

R5

Cd

0.7

0.8

1

1.15

1.2

SECCIONES DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS NORMALES SEE1 T1 111-BE

CA-4 BH-2 SB

R1

112-BE

15 20 30

113-BE

CA-4 5 BEC 10 SB

SEE2 T2

20

CH BEA

SUBR 30 SUBR

114-BE

25 20 30

CH BEC

SUBR

211-BE

22

BEA

15

SB

15

SUBR

30

213-BE

CA-4 10 BEC 10 SB

15

SUBR

30

214-BE

311-BE

26

CH

28

BEA

20

BEC

20

SUBR

30

SUBR

30

CH

SUBR 30

121-BE

122-BE

CA-4

15

BH-2

18

CA-4

312-BE

20

BEA

15

SB

15

313-BE

314-BE

CA-4 10 CH

BEA

20

BEC

20

SUBR

30

SUBR

30

10

CH

SB

17

SUBR 30

29

31

BEC

SUBR 30

123-BE

CA-4 5 BEA 10

CH

SUBR 30

SB

124-BE

24

CH

20

BEC

221-BE

20 20

SUBR

R2

30

SUBR

222-BE

CA-4

17

BH-2

15

SB

SUBR 30

223-BE

CA-4 5 BEC 10 SB

15

15

30 SUBR 30

SUBR

30

CH SB SUBR

224-BE

27 20 30

CH BEC SUBR

321-BE

322-BE

23

CA-4

18

20

BEA

17

SB

15

30

CA-4

323-BE

324-BE

5 13

CH

30

SUBR 30

SB

20

BEA

20

SUBR

30

SUBR

20

BEC

CH

29

SUBR 30

131-BE

CA-3 BH-2

132-BE

16 33

133-BE

CA-3 15 BEA

19

SUBR 30

R3

17

20 30

212-BE

CA-4

SEE3 T3

SUBR

30

5 BEC 10

134-BE

231-BE

CA-3

SUBR 30

CH SB SUBR

21 20 30

CA-4 BH-2

232-BE

19 27

SUBR 30

233-BE

CA-4

15

BEA

23

SUBR

234-BE

CA-3 BEC

5 11

SUBR

30

CH SB

30 SUBR

331-BE

24 20 30

CA-3 BH-2

SUBR

332-BE

21

333-BE

334-BE

CA-3

5

25

BEA

12

SUBR 30

SUBR

30

CA-3 16 BEA

33

30

CH

26

BEC

20

SUBR

30

131-BE

CA-3 BH-2

132-BE

16 33

133-BE

CA-3 15 BEA

19

CA-3

BEC

5 10

SUBR 30

SUBR 30

R3

SUBR

BH-2

142-BE

16 32

143-BE

CA-3 15 BEA

CA-3 BEC

SUBR

19 SUBR

30

30

151-BE

CA-3 BH-2

20

SUBR

30

152-BE

153-BE

16

CA-3 16

30

18

30

CH

CA-4 BH-2

BEA

CA-3 BEC

232-BE

19 27

241-BE

19

CA-2

BEA

20

SUBR

30

154-BE

15

BEA

23

SUBR

25

23

252-BE

19

CA-3

19

30

SB

20

BH-2

23

BEA

SUBR

30

SUBR

22

SUBR 30

24

BH-2

20 30

SUBR

244-BE

CH

22

SUBR

30

SB

20

BH-2

SUBR

30 SUBR

254-BE

CH

21

CA-3

SUBR 30

SB

20

BH-2

30

SUBR

333-BE

334-BE

CA-3

5

25

BEA

12

SUBR 30

SUBR

30

CA-3 16 BEA

33

30

342-BE

21

343-BE

5

25

BEA

13

SUBR 30

SUBR

30

33

30

352-BE

21

353-BE

26

BEC

20

SUBR

30

CH

26

SB

20

SUBR

30

354-BE

CA-3 15

CA-3

5

26

BEC

12

SUBR 30

SUBR

30

BEA

CH

344-BE

CA-3

CA-3 16 BEA

351-BE

CA-3 5 BEC 10

SUBR

332-BE

21

341-BE

CA-3

253-BE

CH

30

SB

CA-3

5 11

30

251-BE

CH

331-BE

CA-3 BEC

SUBR 30

CA-3 15

R5

30

243-BE

CA-3 15

19

234-BE

5 11

SUBR

5 10

SUBR 30

CA-3 BEC

30

242-BE

BEA BH-2

233-BE

CA-4

SUBR

SUBR 30

SUBR

SUBR SUBR

SB

144-BE

5 10

SUBR 30

R4

CH

231-BE

21

30

141-BE

CA-3

134-BE

28

30

CH

24

SB

20

SUBR

30

Espesores minimos en Cm.

CA

SUBR

Carpeta Asfaltica.

Subrasante

BH

Base Hidraulica.

BEA

Base Estabilizada Asfaltica.

BEC

Base Estabilizada Cemento.

CH

Concreto Hidraulico.

SB

Subbase

SECCIONES DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS DE ALTAS ESPECIFICACIONES SEE4 T4

SEE3 T3 311-AE

CA-4

BH-3

R1

312-AE

21

313-AE

CA-4 15 CH BEC

15

SB

30

40

314-AE

35

CH

411-AE

33

CA-4

412-AE

25

20

BEA

20

BH-3

CH

SUBR

40

40

SUBR

39

CH

511-AE

37

CA-4

512-AE

24

20

BEC

20

BEA

SB SUBR

40

SUBR

40

SB

514-AE

CH

42

CH

40

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

22

39

40

40

513-AE

CA-4 15 BEC

BEA

40 SB

414-AE

19

40 SB

SB

413-AE

CA-4 15 BEC

BEA

SEE5 T5

40

40

SUBR 60 SUBR 49

SUBR 50 SUBR 40

321-AE

CA-4 BH-3

R2

SB

322-AE

20 34

323-AE

CA-4 17 BEA

30

SB

15

CH BEA

324-AE

32 20

CH BEA

20 SUBR

40

SUBR

421-AE

30 20

40

CA-4 BEA

422-AE

15 35

423-AE

CA-4 10 BEC 13 SB

331-AE

CA-4 BH-3

SB

BEA SB

20

332-AE

333-AE

CA-3 17

30

30

40

CH

20

BEC

SUBR 40 SUBR

BEA

SUBR 40

334-AE

431-AE

CA-4 CH

30

CH

29

34

40

SUBR

SB

20

BEC

20 SB

SUBR

40

SUBR

432-AE

15 35

CA-4

SB

SUBR

40

BEA

36

SB

15

20

40

433-AE

10 13 25

CH

434-AE

32

CH

531-AE

30

40

CA-4 BEA

BEA

20

BEC

20

15

40

CA-4

522-AE

16

523-AE

CA-4 10 BEC 14 SB

524-AE

CH

39

CH

37

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

26

SUBR 40

SUBR 40

BEC BEA

SUBR SUBR

36

521-AE

SUBR 40

20

30

CH

424-AE

25

SUBR 40 SUBR 40

R3

SUBR 40

SUBR 40

SUBR

40

SUBR

532-AE

17 36

SB

15

SUBR

40

40

CA-4

533-AE

BEC

10 14

SB

30

SUBR

40

534-AE

CH

35

CH

33

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

331-AE

CA-4 BH-3

R3

SB

332-AE

20 30

30

333-AE

CA-3 17

CH

30

CH

29

20

BEC

20 SB

SUBR

40

SUBR

BH-3

R4

342-AE

20 30

SB

30

SUBR

40

351-AE

CA-4 BH-3

SB

343-AE

CA-3 16

CH

30

BEA

344-AE

SB

25

SUBR

40

32

CH

531-AE

CA-4

30

BEA BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

532-AE

17 36

SB

15

SUBR

40

CA-4

533-AE

BEC

10 14

SB

30

SUBR

40

28

CH

26

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

CA-4

40

SB

20

SUBR

40

352-AE

353-AE

CA-3 16

30

BEA

354-AE

CH

27

CH

SB

20

BEC

SUBR

40

SUBR

30

451-AE

443-AE

CA-3 16

22

BH-3

SUBR 40

23

442-AE

BEA

34

SB

35

CH

444-AE

30

CH

541-AE

CA-4

28

BEA BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

SUBR 40

452-AE

453-AE

26

CA-4

23

CA-3 15

20

BH-3

27

BEA

30

SB

38

40

534-AE

CH

35

CH

33

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

454-AE

CH

30

SB

20

SUBR

40

542-AE

17 34

SB

40

SUBR

40

551-AE

543-AE

544-AE

CA-3 10 BEC

15

SB

15

CH

32

CH

30

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

SUBR 40

552-AE

553-AE

CH

29

CA-4

24

CA-3 17

BEA

20

BH-3

28

BEA

SUBR

40

SB

25

SB

554-AE

CH

32

BEA

20

SUBR

40

34

CH

30

BEC

20

SUBR

40

15

30

40

SB

30

SUBR 40 SUBR

CH

434-AE

15

441-AE

SB

30

SB

SB

R5

35

433-AE

10 13

40

341-AE

CA-4

CA-4

40 SUBR

SUBR

432-AE

15

BEC BEA

SB

SUBR 40

431-AE

CA-4

30

BEA

334-AE

40

SUBR

40

SUBR

SUBR 40

35

40 SUBR 40

Espesores minimos en Cm.

CA

SUBR

Carpeta Asfaltica.

Subrasante

BH

Base Hidraulica.

BEA

Base Estabilizada Asfaltica.

BEC

Base Estabilizada Cemento.

CH

Concreto Hidraulico.

SB

Subbase

Uso del catálogo • Para el uso del catálogo se requiere realizar las siguientes actividades: 1. Definir la temperatura máxima, temperatura mínima, precipitación máxima de la estación climatológica más cercana al proyecto 2. Determinar el tipo de terreno natural presente en la zona del proyecto (si no se puede englobar en un tipo de terreno predominante, se requerirá más de una sección) 3. Determinación de la región donde se ubica el proyecto 4. Cálculo del tránsito proyectado (estimado) 5. Selección de las secciones adecuadas estructuralmente 6. Elegir la sección que brinda el costo-beneficio más elevado

Definición de las variables climáticas • Se debe contactar al personal de la estación climatológica o consultar los datos vía Internet: www.smn.cna.gob.mx.

Tmáx: 40.5° C

Calificación de variables climáticas y del terreno natural • De acuerdo a los valores de temperatura máxima, temperatura mínima, precipitación máxima y tipo de terreno natural, se debe asignar una calificación individual para cada parámetro, según la tabla 4 del catálogo de secciones Tmáx: 40.5° C

Calificación de variables climáticas y del terreno natural • Posteriormente se obtiene la calificación ponderada de acuerdo a los factores establecidos en la tabla 6 y se calcula la Calificación Global Calificación

Factor de

Calificación

individual

ponderación

ponderada

Temperatura máxima

0

0.30

0

Temperatura mínima

0

0.15

0

Precipitación

0

0.20

0

Aptitud del suelo

50

0.35

17.5

Calificación global

17.5

Parámetro

Determinación de la zona • De acuerdo a lo establecido en la Tabla 7 del catálogo de secciones estructurales se define cuál es la región donde se ubica el proyecto Calificación Global

Clasificación de la región

0 a 19.9

R1

20 a 39.9

R2

40 a 59.9

R3

60 a 79.9

R4

80 a 100

R5

El proyecto ejemplo pertenece a la R1 (región 1)

Cálculo del tránsito de proyecto • De acuerdo a los estudios de tránsito se determina el tránsito de proyecto en ejes equivalentes de 8.2 t, de acuerdo al procedimiento establecido por el Instituto de Ingeniería de la UNAM y se define el rango de tránsito de acuerdo a la tabla 2 del catálogo Rangos de tránsito

Sumatoria de ejes equivalentes

SEE1 < 10,000,000

SEE2

SEE3

SEE4

10,000,000 -

20,000,000 -

40,000,000 -

20,000,000

40,000,000

80,000,000

SEE5 > 80,000,000

Definición de secciones • Del catálogo se selecciona el apartado que define las secciones candidato en función de la región y SEE estimados para el proyecto, de acuerdo al tipo de carretera que se requiera (normal o de altas especificaciones) SECCIONES DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS DE ALTAS ESPECIFICACIONES T3 311-AE

CA-4

312-AE

21

CA-4 BEC

BH-3

R1

313-AE

15

314-AE

SEE3 CH

411-AE

33

CH

35

BEA

20

BEA

20

SUBR

40

SUBR

40

CA-4

412-AE

25

15

40 SB

T4

30

BH-3

40 SUBR

SB

40

SUBR

40

CA-4

322-AE

20

BH-3

34

SB

20

SUBR

40

CA-4 BEA

R2

CH

331-AE

324-AE

421-AE

32

CH

30

20

BEA

20

SUBR

40

30

332-AE

40

333-AE

CA-4

512-AE

24

CA-4

20

BEC

20

BEA

40

SUBR

40

513-AE

SB

40

SUBR

40

514-AE

15 CH

42

CH

40

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

22

39 SB

SUBR

50

422-AE

15

CA-4

SUBR

423-AE

BEC

10 13

BEA

35

SB

25

SB

20

SUBR

40

SUBR

40

CH BEA

SUBR

CA-3

BH-3

30

BEA

SB

30

SUBR 40

334-AE

431-AE

CA-4

17

20

CH

30

CH

29

SB

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

BEA

30

SB

SUBR

40

SEE5 CA-4

40

40

CA-4

SUBR

511-AE

37

40

424-AE

36 20

CH BEC

521-AE

34

CA-4

522-AE

16

BEA

36

SB

15

SUBR

40

20

49

CA-4

523-AE

BEC

10 14

SB

26

SUBR

40

15 SUBR

SUBR

R3

323-AE

17

BEA SB

CH

60

40

321-AE

414-AE

39

BEC BEA

SUBR SUBR

CH

19

40 SB

SB

413-AE

CA-4 SEE4 15 BEC

T5

432-AE

15 35

CA-4

40

433-AE

BEC

10 13

SB

25

SUBR

40

CH

SUBR

40

434-AE

32

531-AE

CH

30

BEC

20

SUBR

40

BEA BEA

20

15 40

CA-4

SUBR

40

532-AE

17 36

SB

15

SUBR

40

CA-4

CH

CH

37

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

533-AE

BEC

10 14

SB

30

SUBR

524-AE

39

40

534-AE

CH

35

CH

33

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

Selección de estructura

• Después de seleccionar las secciones candidatas, se realiza un análisis costo-beneficio y viabilidad de aplicación de cada una de ellas para definir la MENTOS PARA CARRETERAS DE ALTAS estructura por utilizar T4 411-AE

33

CA-4

412-AE

25

CA-4 BEC

20

BH-3

40

SUBR

CA-4

CH

39

CH

37

BEA

20

BEC

20

SUBR

BEA

40

SUBR

40

SB

50

SUB

422-AE

15

CA

40

40

421-AE

30

511-A

19

40 SUBR

414-AE

15

40 SB

SB

413-AE

CA-4 BEC

423-AE

10 13

424-AE

521-A

34

CA

Rehabilitación de pavimentos • Se plantean 3 opciones: – Emular una estructura existente de pavimento nuevo – Colocación de sobrecarpeta de catálogo cuando se cumplan condiciones – Proyecto específico con similitud a la capacidad estructural del catálogo de sobrecarpetas (grado equivalente)

Rehabilitación con sobrecarpetas • Diseño mediante el método del Instituto del Asfalto • Módulo resiliente de la sobrecarpeta Mr = 35,000 kg/cm2 SEE1

SEE2

SEE3

VIII Congreso Mexicano del Asfalto

Gracias por su Atención

M. en I. Víctor Alberto Sotelo Cornejo

Agosto de 2013

VIII Congreso Mexicano del Asfalto

Espacio de discusión…

Catálogo de secciones estructurales de pavimentos para la República Mexicana M. en I. Víctor Alberto Sotelo Cornejo Director de Estudios de la DGST-SCT [email protected] Dr. Mauricio Centeno Ortiz Soluciones e Ingeniería en Vías Terrestres, S.A. de C. V. [email protected]

Introducción En México se está realizando una fuerte inversión en carreteras. Cada administración asigna una mayor cantidad de recursos económicos a la construcción de nuevas carreteras y la conservación de las actuales. Esta tendencia parte del reconocimiento de que la infraestructura (en particular las carreteras), es necesaria para detonar el desarrollo económico del país. Dada esta tendencia es necesario hacer un alto y reconocer que no solo se necesitan más recursos económicos para mejorar la infraestructura, sino que se debe utilizar de una manera más racional buscando obtener el máximo beneficio de la inversión. Ante esta necesidad la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), como responsable de brindar apoyo técnico integral y multidisciplinario para la planeación, estudio, diseño, proyecto, construcción, conservación y operación de la red nacional de carreteras, se ha planteado diferentes tareas en las que utilizando tecnología de punta, se provean soluciones que permitan optimizar los recursos y se maximice la inversión que se realiza en el sector. Una de las tareas planteadas fue el desarrollo de una metodología para la revisión y diseño de pavimentos para carreteras, ya que la Dirección General de Servicios Técnicos, en sus tareas cotidianas, diseña y revisa proyectos para la construcción, rehabilitación y modernización de carreteras, por lo que planteó la realización de un “Catálogo de secciones estructurales de pavimentos”, que contribuya a que las carreteras de nueva construcción y las existentes rehabilitadas, cuenten con una estructura mínima de pavimento que asegure un buen comportamiento ante las cargas de tránsito, durante su horizonte de proyecto. En dicho “Catálogo de Secciones Estructurales de pavimentos para la República Mexicana” se incluyen pavimentos flexibles, rígidos y mixtos, para carreteras normales y de altas especificaciones.

Objetivo del proyecto La Dirección General de Servicios Técnicos llevó a cabo durante el año 2012, un proyecto para el desarrollo de un “Catálogo de secciones estructurales de pavimentos para la República Mexicana”. El objetivo principal del trabajo fue el desarrollo de una herramienta que permitiera verificar de manera rápida que los proyectos de espesores de pavimentos que se ejecutarán en el futuro en México tengan una estructuración mínima que asegure alcanzar la vida de proyecto definida. Los catálogos de secciones estructurales para pavimentos no representan una idea nueva. En otros países con pavimentos con elevados niveles de servicio, se ha venido utilizando esta herramienta de manera regular. Los catálogos han servido como referencia para determinar los espesores mínimos y las propiedades mecánicas de los materiales que se utilizan en la integración de pavimentos. Cabe hacer la aclaración que todos los catálogos parten de la integración de una gran cantidad de variables en un número reducido de ellas, buscando que el catálogo sea práctico y aplicable a la mayoría de las situaciones. Es por ello que existen casos particulares que no están considerados y para los cuales es mandatorio un diseño de pavimentos específico. Incluso, se debe considerar obligado cualquier diseño de pavimento desarrollado ex profeso para un proyecto en particular sobre lo indicado en el catálogo, el cual debe concebirse como una guía de los espesores mínimos que debe tener una estructura de pavimento.

Desarrollo del proyecto Para el desarrollo del Catálogo se definieron con toda precisión los diferentes tópicos relacionados con el diseño de las estructuras de pavimentos, como son: las variables que influyen en el comportamiento mecánico de los pavimentos, los procedimientos de evaluación de materiales (incluido el plan de muestreo), el tránsito y los métodos de diseño de espesores de pavimentos utilizados en México. Para la planeación del proyecto se determinaron las siguientes actividades: 1. 2. 3. 4. 5.

Regionalización de la República Mexicana por tipo de terreno natural y factores climáticos Definición de rangos de tránsito en función del análisis de datos viales del país Muestreo y evaluación de materiales Diseño de estructuras de pavimentos Integración del documento final

A continuación se describe de manera breve la metodología seguida para el desarrollo de cada una de las etapas del proyecto.

1. Regionalización de la República Mexicana La regionalización del país se realizó considerando las variables que tienen mayor influencia en el comportamiento estructural de los pavimentos, esto es, el terreno natural, las temperaturas máximas y mínimas y la precipitación pluvial máxima. Estas variables distribuidas en el territorio nacional abarcan una gran diversidad de valores, por lo que para facilitar su manejo se utilizó un Sistema de Información Geográfica (SIG) mediante el software ArcMap versión 9.3. Así, esa gran cantidad de datos se pudo distribuir espacialmente por variable, para posteriormente definir zonas (por rangos) que compartían valores para cada indicador, cada una de las cuales se denominó región. De esta manera fue posible establecer para cada región un valor crítico para cada una de las variables (terreno natural, temperaturas y precipitación) para realizar el diseño de los espesores de pavimentos con los materiales definidos. Terreno natural Para el análisis del terreno natural se estableció como base el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) como el parámetro para catalogar la diversidad de suelos del país. Se utilizó el SUCS ya que es ampliamente conocido en el medio y con aplicación universal en el campo de la mecánica de suelos. La DGST a través de las Unidades Generales de Servicios Técnicos (UGST) obtuvo la información de los diferentes tipos de suelos que conforman el territorio nacional, utilizando la clasificación SUCS, y el CBR para los diferentes tipos de terreno natural que existen en cada estado de la República. Esta información surgió de los registros de los estudios (dictámenes) realizados durante varios años en las carreteras de cada estado. La DGST concentró esta información, la que sirvió de base para determinar las características de los suelos que se tienen en el país. Esta información se clasificó y se integró al SIG antes mencionado. En el SIG se realizaron una serie de aproximaciones gráficas de los datos puntuales de tipo de terreno natural para generar regiones con los diferentes tipos de suelos. El resultado de esas operaciones gráficas se muestra a continuación.

Figura 1. Regionalización del terreno natural por tipos de suelos (SUCS) y rocas

Temperaturas máximas y mínimas, y precipitación máxima por región Para la información geográfica se recurrió a la base de datos del Sistema Meteorológico Nacional. Se consideró la información diaria del 2007 al 2011 para cada estación hidrométrica en cuanto a temperaturas y precipitación. Con la información de las estaciones hidrométricas se llevó a cabo un procedimiento similar al llevado a cabo con los datos del terreno natural. En el cual se elaboró una serie de operaciones gráficas en el SIG para determinar regiones con temperatura máxima, temperatura mínima y precipitación máxima dentro de los rangos establecidos. Estos rangos se definieron en función de los valores máximos y mínimos para cada variable, buscando que el número de estaciones que hubiera en cada rango fuera el mismo. El resultado de esta zonificación para cada variable se muestra en las siguientes figuras.

Figura 2. Zonificación de la República Mexicana por rangos de temperatura máxima

Figura 3. Zonificación de la República Mexicana por rangos de temperatura mínima

Figura 4. Zonificación de la República Mexicana por rangos de precipitación máxima

Integración de variables Una vez definidas las variables climáticas (temperatura y precipitación) y sus zonas por rangos, se realizó la integración de toda la información (superposición de los mapas de las figuras 2 a 4). Este proceso también se realizó mediante operaciones gráficas que dieron como resultado el mapa que se muestra a continuación.

Figura 5. Regionalización de la República Mexicana con la integración de variables climáticas (temperatura y precipitación) con tipos suelos en el terreno natural

Esta regionalización es meramente referencial. Dentro del catálogo se muestra el procedimiento que hay que seguir para determinar para un proyecto específico cuál es la región a la que pertenece. La selección de la región (R) donde se encuentra el proyecto es de suma importancia, ya que junto con el tránsito se hace la elección de las secciones estructurales adecuadas para el pavimento analizado. 2. Definición de rangos de tránsito Para la evaluación y clasificación del tránsito se determinó llevar a cabo el análisis mediante la conversión del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 t, siguiendo el procedimiento establecido por el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Se eligió este procedimiento ya que es de uso común entre los proyectistas del país desde hace muchos años. Los tramos que se consideraron para el cálculo del tránsito para un periodo de proyecto de 20 años fueron los mismos que se tomaron para el muestreo de materiales, además de otros adicionales. Este muestreo de los tránsitos del país engloba desde autopistas hasta carreteras pavimentadas de bajo tránsito. Se calcularon los tránsitos, los cuales iban desde un millón de ejes equivalentes en el horizonte de proyecto hasta casi 100 millones de ejes equivalentes para el mismo proyecto. Analizando los datos se determinó que la EE (suma de ejes equivalentes) para un periodo de proyecto de 20 años, se podría agrupar en 5 rangos de acuerdo a la tabla que se muestra a continuación. Rangos de tránsito

EE1

EE2

EE3

EE4

EE5

Suma de ejes sencillos equivalentes

< 10,000,000

10,000,000 20,000,000

20,000,000 40,000,000

40,000,000 80,000,000

> 80,000,000

Tabla 1. Rangos de tránsito definidos para el Catálogo de Secciones

Estos rangos de tránsito pretenden agrupar todos los niveles de tránsito que se presentan en el país. Adicionalmente y con base en la experiencia con que se cuenta en el medio, se establecieron estos rangos con el propósito de agrupar tránsitos que requieren estructuras similares y separar aquellos tránsitos que requieren de estructuras más robustas. 3. Muestreo y evaluación de materiales El muestreo y evaluación de materiales utilizados en carreteras en México se realizó de dos maneras. La primera fuente fue el material proveniente de sondeos realizados en carreteras existentes. En estos sondeos se extraía material representativo de cada capa y se llevaba al laboratorio para su evaluación. La segunda fuente de materiales fue el proveniente de diferentes bancos. El muestreo de materiales siguió un plan que entre otros objetivos buscó ser incluyente de todos los materiales que se utilizan en carreteras en el país. Para ello geográficamente se realizó la selección de los sitios donde se iban a extraer las muestras.

Los sondeos se realizaron en las carreteras que se muestran en el siguiente mapa.

Figura 6. Distribución de los sondeos en la República Mexicana

Una vez realizados los sondeos, el material se envió al laboratorio para su evaluación. La evaluación de los materiales consistió en realizar los ensayos indicados en la Normativa para la Infraestructura del Transporte para cada uno de los materiales según correspondía. A los materiales granulares se le realizaron ensayos geotécnicos (de caracterización), CBR y módulo resiliente (según la norma AASHTO T307). Para el caso de las mezclas asfálticas se realizó el ensayo de módulo resiliente (de acuerdo a la norma ASTM D4123) y para el caso del concreto hidráulico se realizó el ensayo de resistencia a compresión simple para obtener su f’c. Con la gran cantidad de ensayos practicados se realizó un análisis de la información y se determinaron valores mínimos de módulo Resiliente y f’c, según corresponda, que deberán cumplir los materiales que son utilizados en la construcción o rehabilitación de carreteras. Los valores encontrados son parte del catálogo, ya que definen las restricciones a las propiedades mecánicas para los materiales por utilizar. Estos valores se muestran en la siguiente tabla. Módulos Resilientes, kg/cm

2

CA

BH

BEA

SB

SR

≥ 35,000

≥ 3,000

≥ 30,000

≥ 2,000

≥ 1,200

CA = Carpeta Asfáltica, BH = Base Hidráulica, BEA = Base con Asfalto, SB = Subbase, SR = Subrasante

Tabla 2. Características mecánicas mínimas para los materiales

Para el concreto hidráulico se considera un f’c mínimo a los 28 días de 350 kg/cm2 y un módulo de reacción de la subrasante (k) de 17 kg/cm3.

4. Diseño de estructuras de pavimentos El diseño de estructuras de pavimentos se llevó a cabo utilizando dos métodos que han sido utilizados por mucho tiempo en nuestro país. Estos son: Método de diseño para pavimentos flexibles del Instituto de Ingeniería de la UNAM (en su versión computarizada, DISPAV) y para pavimentos rígidos y mixtos el método de AASHTO en su versión del año 1993. Las estructuras de pavimentos diseñadas consideraron los valores más críticos tanto para la resistencia de materiales como para las temperaturas, terreno natural, precipitación y tránsito para el rango correspondiente. De esta manera se puede asegurar que las estructuras propuestas son adecuadas para cualquier condición considerada en ese rango de valores. 5. Integración del documento final En el documento final se agruparon todos los resultados que se han mostrado en este artículo. Esta integración buscó proveer al usuario del Catálogo de una guía de fácil utilización para poder seleccionar entre las alternativas propuestas (para las condiciones particulares del proyecto), aquella que resulte económicamente más conveniente. Y no solo eso, sino que, como se mencionó al principio de este documento, se pudiera utilizar el Catálogo para comparar las estructuras propuestas con los diseños de pavimentos que se encuentren en revisión. El documento final se integró por diferentes apartados, donde se explica la metodología de utilización del mismo, definición de región del proyecto, el ámbito de aplicación, los objetivos, definiciones, ejemplo, anexos y las secciones de pavimentos. A continuación se muestra una parte del Catálogo, con la cual se pretende ejemplificar la manera en la cual se organizaron las secciones estructurales.

Figura 7. Ejemplo de organización de opciones de estructuras para una región y tránsito dados

Tal como se observa en la figura 7 para cada par de valores de rango de tránsito (EE) y región (R), se tienen un conjunto de secciones estructurales, normalmente se encuentran al menos las opciones de pavimento flexible y rígido. Estas secciones estructurales son equivalentes entre sí, es decir, están proyectadas para un mismo horizonte de proyecto de 20 años. El diseñador deberá seleccionar la sección que más le convenga desde el punto de vista de inversión, disponibilidad de materiales, facilidad de construcción, prestaciones funcionales, etc. Por lo tanto, para la utilización del catálogo, el último paso consiste en realizar un estudio costobeneficio entre las diferentes alternativas, a fin de seleccionar la mejor para las condiciones particulares del proyecto. En el Catálogo de secciones se incorporó un ejemplo de utilización para facilitar al usuario la aplicación del documento.

Conclusiones El Catálogo de secciones estructurales para pavimentos para la República Mexicana es una aportación de la DGST-SCT a las personas involucradas en desarrollo de proyectos de estructuras de pavimentos. En su constitución el catálogo utiliza tanto técnicas de diseño bien conocidas como innovadores métodos de ensayo de materiales. Así, la DGST-SCT ha logrado incorporar una herramienta vanguardista para el diseño de pavimentos, sin perder la referencia respecto a lo que se puede aplicar y lo que no se puede aplicar en México. La siguiente etapa de este proyecto consiste en la difusión y aplicación del catálogo, buscando la retroalimentación de los usuarios del documento, para sus posteriores mejoras.

Bibliografía

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First Steps for the perpetual pavement design: through the analysis of the fatigue life. Noé Hernández SemMaterials México, Puebla, México

Jonathan Hernández & Rosita Martínez SemMaterials Mexico, Puebla, Mexico

ABSTRACT: The main structural distress modes in Mexico for asphalt pavements is the bottom-up fatigue cracking, due largely to thin pavement structures unable to withstand the damage caused by heavy loads and increased traffic volume. This article analyzes the fatigue life of two asphalt mixtures designed in a laboratory to be part of a Perpetual Pavement, fatigue tests were performed on beams to four-point bending. Through the laws of fatigue limit is estimated to Fatigue Endurance Limit, and later compare it with the value of 120 proposed in pavement design. The test results demonstrate the two mixtures exceed the design parameters, guaranteeing the performance of the Perpetual Pavement.

1 INTRODUCTION In Mexico, asphalt pavements exhibit premature failure in a short period of time after their construction. Among the possible causes of this behavior may be mentioned the following: Poorly designed pavements, use of inappropriate materials, excessive loads on vehicles, poor construction procedures, little or no quality control, etc. Because of the importance of the highway network in Mexico, it’s necessary to eliminate the premature failure of asphalt pavements for which they must correct the causes listed above, it is necessary to implement a new structure proposed for pavements with a better performance. An alternative that has been popular in other countries, is the structure known as "Perpetual Pavement", defined as follows: “an asphalt pavement designed and built to last longer than 50 years without requiring major structural rehabilitation or reconstruction, and needing only periodic surface renewal in response to distresses confined to the top of the pavement” (APA, 2002). In classical pavement design, as design load applications increase, pavement thickness also must increase. There is a growing belief that bottom-up fatigue cracking does not occur for thick pavements, limiting it only to top-down cracking on the surface resulting easier and less expensive to repair. The concept of the HMA Fatigue Endurance Limit (FEL)—a level of strain below which there is no cumulative damage over an indefinite number of load cycles—is proposed to explain this occurrence. Therefore, additional pavement thickness, greater than that required to keep strain levels at the bottom of the HMA layer below the endurance limit, would not provide additional life. This concept has significant design and economic implications. This is the main parameter used in the design of perpetual pavements. The objective of this paper is to describe the procedure and the tools used to design a perpetual pavement, focusing on the evaluation of the fatigue strength in the rich asphalt bottom. Two types of asphalt mixtures are designed and analyzed in the study; each one has to meet different parameters according to the function that has to play in the pavement. To accomplish

these parameters, are used with different types of asphalt binders classified according to their level of performance such as PG 76-22 and PG 82-22 (according to AASHTO T315-06). The resistance to fatigue of two mixtures was analyzed and the FEL was obtained of each one for comparison with the design proposed in the pavement. 2 STRUCTURAL DESING OF THE PAVEMENT 2.1 Design concepts The perpetual pavement concept is derived from the mechanistic principles, where the design of the structure consists of asphalt layers, each with different characteristics, using appropriate materials, if properly constructed, will structurally outlive traditional design lives while simultaneously sustaining high traffic volumes/loads. According to Walubita and Scullion (2010), the philosophy of perpetual pavement design is such that the structure must meet the following principles:  Have enough structural strength to resist structural distresses such as bottom-up fatigue cracking, permanent deformation, and/or rutting; and  Be durable enough to resist damage due to traffic forces (abrasion) and environmental effects (e.g., moisture damage). The perpetual pavement mechanistic design principle thus consists of providing enough stiffness in the upper pavement layers to prevent rutting and enough total pavement thickness and flexibility in the lowest HMA layer to avoid bottom-up fatigue cracking (figure 1). Like any other pavement structure, extended performance relies on a solid/stable foundation to provide long-term support to the pavement structure/traffic loading and to reduce seasonal support variation due to environmental effects (e.g., freeze-thaw and moisture changes).

Figure 1. Perpetual Pavement Design Concept (Newcomb et al, 2000)

2.2 Pavement design The study was conducted to design a pavement in the state of Nuevo Leon, Mexico. The road is identified as MEX-054, the design speed is 110 km / h, roadway (traveled way) of 7.0 m and shoulder of 5.0 m. The total length is 11 km. The proposed structure is described below.  The bottom layer called Fatigue Resistant Layer (FRL), its function is to mitigate fatigue cracking.  The intermediate layer or High Modulus (HM) should combine the features of stability and durability.  The surface or wearing layer, protect the pavement from the elements, mainly the introduction of surface water and aging, good friction and functional road user. Due to its thickness (30 mm) it´s not considered within the structural design. The main factors associated with pavement design were traffic data, the environmental conditions of the area and the characteristics of the materials. Traffic information was obtained from data published annually for this road by the Directorate General of Technical Services

(DGST, for its acronym in Spanish). Annual Average Daily Traffic was obtained from 7022 to 2009 and the growth rate of 3.8%. Information on environmental conditions in the area was obtained according to the average monthly temperature and rainfall monthly average (table 1). The data used in the study were obtained from the weather station UDEM Prepa Founders, located in Escobedo, Nuevo Leon, with coordinates Lat: N 25 ° 46 '23'' Lon: W 100 ° 17' 42'' Elevation: 496.82 m. Table 1. Average monthly temperature and rainfall Average temperature Average rainfall Month (ºC) (mm) January 13.0 17.8 February 13.7 14.0 March 19.3 17.5 April 22.8 129.0 June 26.1 25.9 May 28.4 62.0 July 26.0 283.0 August 27.9 11.2 September 25.6 257.0 October 3.7 1.5 November 19.3 0.3 December 12.8 0.3

The characteristics of the materials used the main parameter is the modulus of the materials forming each of the layers, because an input parameter in the design procedures. The modules were proposed according to the requirements of the regulations in Mexico for the case of nonstabilized layers. For modules asphalt layers were proposed according to the role each has to fulfill, Table 2 shows the proposed values. To ensure pavement performance during the design of asphalt mixtures in laboratory must comply with this modulus. Table 2. Proposed modulus for the layers of the pavement Mr |E*| Layer (MPa) (MPa) High Modulus 10,000a Fatigue Resistant 4,000a Subgrade 120 a

Reference Standard AASHTO TP 62-07 AASHTO TP 62-07 N·CMT·1·03/02

Notes: Dynamic modulus specified at 20 ºC and 10 Hz.

Currently Mechanistic - Empirical methodologies (ME) are the most suitable for the design of perpetual pavements. For Von Quintius (2006) Mechanistic-Empirical (M-E) based procedures are used to design flexible pavement to limit load related cracking. All M-E based design procedures can be grouped into three types relative to load-induced cracking, which are listed below. 1. Design procedures that use the equivalent axle load and equivalent temperature concepts. The equivalent temperature is determined based on an annual or monthly basis. These procedures typically use the cumulative damage concept to determine the amount of fracture damage over the design period for each structure. The Asphalt Institute’s DAMA program falls within this category. 2. Design procedures that use the equivalent temperature concept and axle load distribution for each axle type. These procedures also use the cumulative damage concept to determine the amount of fracture damage for each pavement structure. The PerRoad program falls within this category. 3. Design procedures that use the axle load distribution and pavement temperature distributions at specific depths over some time interval, generally less than a month. These procedures

typically use the incremental damage concept to determine the amount of fracture damage within specific time and axle load intervals at specific depths within the pavement structure. The Mechanistic- Empirical Pavement Design Guide (M-E PDG) falls within this category. For pavement design used the first two methods described above: Asphalt Institute (DAMA) and PerRoad 3.5. Was also used DISPAV-5, which is based on the principles M-E and is commonly used in Mexico for pavement design. The load configuration used in the design calculations depends on the method. DAMA uses the tire contact pressure, wheel load and space between wheels for duals along with the number of repetitions per month to characterize the load configuration. PerRoad uses the philosophy of characterizing traffic by load spectra; in this case, traffic is separated by axle type (percent single, percent tandem, percent tridem, and percent steer). After determining the percentage each axle is of the total traffic, traffic is then subdivided into weight classes on 2 kip intervals. DISPAV-5 uses the concept of equivalent single axle (ESAL´s) of 80 kN load configuration design, To perform the analysis of bottom-up fatigue damage were used 67 x 106 ESAL's. Table 3 shows the results obtained with each of the procedures used. Table 3. Thickness obtained for the design structure DAMA

PerRoad 3.5

DISPAV-5

Layer Thickness (mm) High Modulus fatigue resistant Subgrade

180 100 -

200 100 -

210 100 -

The thickness obtained with the three design procedures are very similar, however, the pavement structure selected was obtained with DAMA. In figure 2 shows the final structure for the pavement.

Figure 2. Pavement structure for the bypass

3 ASPHALT MIX DESIGN Currently in Mexico has implemented a methodology for the design of asphalt mixtures, where different levels are set depending on the characteristics of the project as determined by the level of traffic expected in the design lane, this methodology is called AMAAC Protocol. Within the protocol include dynamic modulus tests and four-point bending test, this methodology was used for the design of mixtures for the study. To ensure that the asphalt mixes comply with the parameters proposed in pavement design and adequate performance has been specified the following points, which must be met in the mix design. 1. For FRL comply with a fatigue law at 20° C, 10 Hz @ 120  ≥ 9.0E+07 and 2. For HM comply with dynamic modulus |E*| at 20° C, 10 Hz ≥ 10000 MPa.

3.1 Aggregates For the mix design was used 100% crushed limestone aggregate, characteristic of the region, we used three fractions added two thick (gravel # 2, seal ½) and fine (sand # 4). The properties of the aggregates are summarized in Table 3 and 4 for the coarse and fine aggregate, respectively. Table 3. Coarse aggregate properties Test Standard Los Angeles

ASTM C 131

Abrasion in the MicroDeval Apparatus

ASTM D 6928

Fractured Particles Flat and Elongated Particles

ASTM D 5821 ASTM D4791

Table 4. Fine aggregate properties Test Sand Equivalent Uncompacted void content Methylene Blue Bulk Specific Gravity

Standard ASTM D 2419 AASHTO T-304 RA-05/2008 ASTM C-128

Aggregate Gravel #2 Seal ½ Gravel #2 Seal ½ Gravel #2 Seal ½ Gravel #2 Seal ½

Results 29% 24% 8.1% 11.5% 79% 78% 23.4% 27.4%

Results 67.1% 43.0% 3.0% 2.6 g/cm3

To After obtaining the properties of aggregates different gradations were evaluated obtained from the combination of aggregates, according to recommended by AMAAC protocol. The final gradation of design is shown in Figure 3. Was agreed to use the same size for the design of two asphalts (FRL and HM), changing only the type of binder to achieve the desired properties of each mixture.

Figure 3. Aggregate gradation for mixes

3.2 Asphalt binders Because the fatigue resistant layer has the function of mitigate fatigue cracking has to use a binder more flexible, so it was decided to use 76 -22 asphalt modified with polymer SBS, due to the experience you have with the aggregates limestone to be used, the binder additive with an anti-stripping. Their characteristics are shown in Table 5. The asphalt binder used in the high modulus layer had to comply with special characteristics, different from the asphalt produced in Mexico. So, the laboratory Research and Development of liquid SemMaterials Mexico had to develop the binder to the mix to help meet the criterion of high modulus. Table 6 shows the characteristics of the binder developed.

Table 5. Fatigue Resistant binder properties Test Standard Viscosity Rotational @ 135ºC AASHTO T 316-10 Penetration @ 25º C ASTM D5-18572 Softening Point AASHTO T53-06 Complex modulus (G*/sin δ @ 76ºC) AASHTO T315-06 Phase angle (@ 76ºC) AASHTO T315-06

Table 6. High modulus binder properties Test Viscosity Rotational @ 135ºC Penetration @ 25º C Softening Point Complex modulus (G*/sin δ @ 82ºC) Phase angle (@ 82ºC)

Standard AASHTO T 316-10 ASTM D5-18572 AASHTO T53-06 AASHTO T315-06 AASHTO T315-06

Results 1423 c.P 54 dmm 62.6 ºC 1.25 kPa 73.8º

Results 2055 c.P 18 dmm 66 ºC 1.7 kPa 82.3º

3.3 Characteristics of asphalt mixtures The desired properties in mixtures designed seem contradictory, because while the FRL must be flexible to mitigate fatigue cracking HM has to be rigid enough to distribute properly the efforts in the pavement structure. Table 7 shows a summary of the properties of asphalt mixtures designed. Table 7. Properties of asphalt mixtures designed Asphalt content Mixtures Asphalt type (%) High Modulus PG 82-22 4.0 Fatigue resistant PG 76-22 4.3

Void content (%) 4.0 3.0

4 TESTS RESULTS The modulus and fatigue tests were carried in the Universal Test System (UTM) developed by the company James Cox and Sons, Inc. The machine is a versatile, fully automated, single axis, closed-loop hydraulic testing system specifically designed to perform tests on soils and asphalt concrete mixtures over a wide range of stresses and frequencies. The equipment is controlled by a computer using the ATS soft-ware to provide feedback closed-loop control to the servo-hydraulic system, as well as to test temperature and to acquire data The tests devices was placed in a climatic oven that maintained the test temperature by circulating air.

Figure 4. CS4300 Universal Testing System for Soils and Asphalt

4.1 Dynamic Modulus Dynamic modulus of asphalt mixtures were evaluated according to AASHTO TP 62-07, at a frequency of 10 Hz and 20º C, placing a dummy specimen in the chamber temperature to identify the time required for the test specimen acquired 20° C. The specimens were fabricated in the gyratory compactor to a diameter of 150 mm and a height of 180 mm and then are saw to a diameter of 100 mm and 150 mm height. Table 8 shows the results obtained in testing dynamic modulus, as can be seen these values exceed the design proposed in the pavement, as well as to meet the criteria of high modulus in the mixture designed (≥ 10.000 MPa). Table 8. Dynamic modulus and phase angle Mixture

Strain ()

HM_1 HM_2 HM_3 FRL_1 FRL_2 FRL_3

78 94 81 125 99 115

|E*| (MPa) 13210 14673 13188 4320 4202 4822

|E*| average (MPa) 13690

4450

Phase angle (degrees) 9.5 11.7 9.6 21.9 22.3 22.1

Phase angle average 10.3

22.1

4.2 Fatigue The fatigue resistance evaluated in the mixtures was carried out in controlled strain mode in four-point bending test. The tests were performed according to ASTM D 7460-10 (Determining Fatigue Failure of Compacted Asphalt Concrete Subjected to Repeated Flexural Bending). ASTM D 7460-10 provides that the loading device shall be capable of (1) providing cyclic haversine (= SIN2 (degrees/2)) loading at a frequency range of 5 to 10 Hz, (2) subjecting specimens to 4-point bending with free rotation and horizontal translation at all load and reaction points, and (3) forcing the specimen back to its original position (that is, zero deflection) at the end of each loading cycle. The test device used in the study complies with the characteristics specified in ASTM D7460-10; Figure 5 shows the loading points and free rotation device for CS7600 manufactured by James Cox & Sons.

Figure 5. Cox fatigue testing apparatus and load and freedom characteristics

Tests were conducted in laboratory beams made of slabs and cut to the following dimensions 380 mm (length) x 63 mm (width) x 50 mm (height). To determine the failure of the specimen was observed decrease its stiffness, determining the point of failure to reduce by 50% its initial stiffness. The tests were run at a controlled temperature of 20°C and 10 Hz for each mixture, three strain levels were selected (700, 500, 300) according to the recommendations of NCHRP Report 646 (Validation of Endurance Limit of Fatigue for Hot Mix Asphalt).

Table 9 shows the characteristics of the beams tested, including the results of fatigue tests for the two mixtures designed in the laboratory. In Figure 6 shows the fatigue laws obtained with the mixtures analyzed. Table 9. Bending Beam Fatigue Results Initial stiffness Mixture Va (%) Cycles to failure strain () (MPa) FRL_01B 4.1 4151.6 714 6000 FRL_01A 4.3 4176.8 738 4000 FRL_02A 4.3 5485.7 742 7000 FRL_05A 4.2 5232.2 508 120000 FRL_04B 4.5 6456.4 479 540000 FRL_05B 4.3 7971.5 395 3900000 FRL_03A 3.9 5189.5 296 17894429a FRL_03B 4.1 5604.0 309 5600000 HM_01A 5.6 14600.6 640 300 HM_02B 5.3 10676.3 666 300 HM_03A 5.3 6315.1 494 965 HM_05B 5.1 4923.4 472 4000 HM_04B 5.1 7710.1 530 2000 HM_05A 4.9 6301.9 299 100000 HM_06A 5.2 12514.6 262 60000 HM_06B 5.1 7004.18 299 120000 ªNotes: predicted fatigue life with the Weibull function (ASTM D7460-10)

Figure 6. Fatigue laws obtained in the study

Using the procedure developed in the NCHRP report 646 (Prowell et al., 2010), was estimated to Fatigue Endurance Limit (FEL) for each of the mixtures designed using Equation 1, based on a 95 percent lower prediction limit of a linear relationship between the log-log transformation of the strain levels of the beams tested and cycles to failure. All calculations were conducted using a spreadsheet developed under NCHRP report 646.



x x 1 0 FEL  yˆ  t s 1   0  n S xx

2

(1)

where: y0 = log of the predicted strain level (microstrain); t  = value of t distribution for n-2 degrees of freedom = 1.9432 for n = 8 with  = 0.05; s = standard error from the regression analysis; n = number of samples = 6; Sxx =  x  x  (Note: log fatigue lives); x0 = log (50,000,000) = 7.69897; x = log average of the fatigue life results. 2

n

i 1

i

Table 10 shows the 95 percent one-sided lower prediction of endurance limit for each of the two mixes tested in this study based on the number of cycles to failure determined at the 50% decrease of its initial stiffness. Table 10. Predicted Endurance Limits Va average FEL Mixer (%) (microstrain) High Modulus 5.2 120 Fatigue Resistant 4.2 269

Finally to verify that there is a fatigue endurance limit the mixture in a test beam to 10,000,000 of loading cycles. The NCHRP report 646 recommends that for the strain level calculated in table 10 (269), however, in our case was performed at the level of deformation proposed pavement design (120). In Figure 7, show the results of fatigue tests in terms of the double natural logarithm ln of the stiffness ratio (SR) versus the number of repetitions of the tensile strain in the test. Stiffness ratio is defined as the stiffness at a specific number of repetitions divided by the initial stiffness. According to Tsai et al. (2006), when plotted as a double log of SR versus log of repetitions, the fatigue damage curve for a beam fatigue test typically consists of three, namely: 1. Stage I, an initial or warm-up stage during which the temperature of the beam increases with energy dissipation until it reaches a fairly stable temperature; 2. Stage II, crack initiation, during which there is a steady rate of stiffness reduction versus repetitions; and 3. Stage III, crack propagation, during which the rate of stiffness reduction versus repetitions is greater than in Stage II. Figure 7 shows each of the scenarios described above, Stage I reaching of temperature equilibrium under the initial repetitions; Stage II, the crack initiation stage and Stage III is designated as the crack propagation stage, although mixes with modified binders often do not exhibit much crack propagation due to a very slow rate of fatigue damage and in this case for the strain low level (120 ms). As can be seen flattening of slope near limit is an indicative of the endurance limit in the mix. 2

Ln (Ln(Stiffness Ratio))

0

SR = 0.5 -2 -4 -6 -8

Stage I

Stage II

Stage III

-10 7

9

11

13

15

17

Ln (cycles)

Figure 7. Plot Ln(–Ln(SR)) versus Ln(N)

5 CONCLUSIONS For perpetual pavement design were used empirical-mechanistic methodologies, where specified parameters (layers modulus) that had to be met in the mix design laboratory. The results of the tests indicate that dynamic modulus are designed mixes meet and even exceed the proposed modulus in the design for the two mixes studied.

For all levels of strain (700, 500 and 300) the fatigue life in the mixture of fatigue resistant is 100% higher fatigue life of the mix of high modulus. This was expected by the type of binder used in each mixture and the difference of 1% less air voids in the fatigue resistant. Endurance Limit of Fatigue to the estimated according to the methodology proposed by NCHRP Report 646 proves to be greater for the fatigue resistant mix (269) compared with the value proposed in the design and the mixture obtained the high modulus (120), which is 56% higher. To verify that the proposed level of strain in pavement design to Endurance Limit of Fatigue in fatigue resistant mix, we performed a beam test to fatigue scheduled to apply 10, 000, 000 load cycles. The test result confirms that for this level of deformation does not show the failure of the specimen, using the criterion of 50% reduction of the stiffness ratio, since the tendency of the plot in double log of SR versus log of repetitions flattening of slope near limit. Indicating an infinite fatigue life. 6 REFERENCES Asphalt Pavement Alliance. 2002. “Perpetual Pavements: A Synthesis,” APA 101, Asphalt Pavement Alliance. L. Fontes, G. Trichês, J.C. Pais & P.A.A. Pereira. 2009. Fatigue Laws for Brazilians Asphalt Rubber Mixtures Obtained in 4 Point Bending Tests. Four Point Bending proceedings of the second workshop. University of Minho. 24-25 September 2009. Portugal. Newcomb, D.E., M. Buncher, and I.J. Huddleston. 2000. Concepts of Perpetual Pavements. Transportation Research Circular No. 503. Perpetual Bituminous Pavements. Transportation Research Board. Washington, DC. pp. 4-11. Prowell, B.D., E.R. Brown, R.M. Anderson, J. Sias-Daniel, H. Von Quintus, S. Shen, S.H. Carpenter, S. Bhattacharjee and S. Maghsoodloo. 2010. Validating the Fatigue Endurance Limit for Hot Mix Asphalt. NCHRP Report 646, Transportation Research Board, Washington, D.C. Timm, D. H., M. M. Robbins, J. R. Willis, N. H. Tran, and A. J. Taylor. 2011. Evaluation of Mixture Performance and Structural Capacity of Pavements Utilizing Shell Thiopave - Phase II: Construction, Laboratory Evaluation and Full-Scale Testing of Thiopave Test Sections - One Year Report. Draft Final Report, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, AL. Von Quintus, H. 2006. Application of the Endurance Limit Premise in Mechanistic-Empirical Based Pavement Design Procedures. International Conference on Perpetual Pavements. Columbus, Ohio. Walubita, L. & Scullion, T. 2010. Texas perpetual pavement – New Design Guidelines. Transportation Researcher. Texas Transportation Institute. The Texas A&M University System College Station, Texas. Tsai, B.W., Jones, D., Harvey, J., and Monismith, C. 2006. Reflective Cracking Study: First level Report on Laboratory Fatigue Testing. Davis and Berkeley, CA: University of California Pavement Research Center. (UCPRC-RR-2006-08).

VIII CONGRESO DE MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACIÓN EN MOVIMIENTO

PAVIMENTOS DE ALTO MÓDULO, PRÁCTICA INCIPIENTE EN LA INGENIERÍA MEXICANA Rafael Soto-Espitia1., Víctor Cincire2 y José R. Vázquez. 1 Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos, Calzada de los Reyes 24, Col Tetela del Monte, Cuernavaca, Morelos, México. CP. 62130 2 SemMaterials México, Privada Universidad No. 3 Km. 8.5 carretera Federal Puebla-Atlixco San Bernardino, Tlaxcalancingo, Puebla, C.P. 72820 [email protected]

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RESUMEN Los pavimentos convencionales han sido ampliamente estudiados en la ingeniería Mexicana, tanto los pavimentos rígidos como flexibles, de igual forma se han construido ambas alternativas a lo largo del país, sin embargo el uso de pavimento de alto módulo combinado con los pavimentos de larga duración son una práctica incipiente en la Ingeniería Mexicana, ya que la experiencia internacional data desde los años 60´s en la construcción de pavimentos perpetuos o de larga duración. El futuro desempeño de todo pavimento está determinado por procesos principales como diseño, construcción, control de calidad y mantenimiento. En la actualidad Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos (CAPUFE) viene aprovechando noveles tecnologías para el diseño y construcción de pavimentos. En este sentido el presente artículo documenta el diseño, consideraciones y criterios empleados para el primer pavimento de larga duración con mezclas de alto modulo en la red operada por CAPUFE.

Palabras Claves: pavimento flexible, pavimento de larga duración, alto módulo, rehabilitación y autopista.

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I.

INTRODUCCIÓN

La red carretera de todos los países desarrollados y en vías de desarrollo constituye un elemento fundamental para el desarrollo económico y social de su población, por lo cual se invierte un monto bastante importante de sus presupuestos en la construcción, ampliación y mantenimiento de sus carreteras con la finalidad de proporcionar una red con condiciones de servicios que implique una superficie cómoda y segura para la circulación de los vehículos. El objetivo perseguido es el impactar positivamente en los costos sociales y económicos por concepto de tiempos de viaje de personas y mercancías de un determinado país. Sin embargo, las malas condiciones de una estructura de pavimento se traducen en un bajo nivel de servicio al usuario, incidiendo negativamente en los costos de operación del transporte, índices de accidentabilidad, mermas en el valor de la carga transportada e incomodidad al usuario, entre muchas otras consecuencias. En un camino la parte más costosa de la estructura es el pavimento al cual se le exige la mayor durabilidad y está formado por capas de mezclas bituminosas o hidráulicas, si estos son flexibles o rígidos. Las estructura debe ser capaz de durar un determinado tiempo para el cual fue diseñada, cumpliendo las solicitaciones técnicas con el fin de brindar las condiciones funcionales y estructurales que se le exigen para un determinado uso, en un determinado lugar, bajo las condiciones ambientales imperantes. Sin embargo, la inversión en conservación y rehabilitación de los pavimentos por concepto de mantenimiento pueden llegar a ser muy elevados, sobretodo si estas actuaciones no se realizan en el tiempo oportuno o no se han diseñado adecuadamente.

CAPUFE es un Organismo descentralizado de la Administración Pública Federal con personalidad jurídica y patrimonio propio, que tiene una experiencia de más de 50 años y cuyas funciones básicas son las siguientes: 1) Conservar, reconstruir, mejorar, administrar y explotar por sí o a través de terceros los caminos y puentes a su cargo. 2) Administrar caminos y puentes federales concesionados mediante la celebración de los convenios correspondientes.

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3) Coadyuvar a solicitud de la SCT en la inspección de carreteras y puentes federales concesionados y, en su caso, en la operación de estos últimos, así como en la ejecución y operación del programa de caminos y puentes concesionados. 4) Participar en los proyectos de inversión y coinversión con los particulares, para la construcción y explotación de vías generales de comunicación bajo el régimen de concesión. Al 30 de abril de 2012, la infraestructura propia de CAPUFE la conforman tres caminos directos con una longitud de 76.7 kilómetros y 30 puentes (14 de ellos internacionales). Adicionalmente, el Organismo opera por contrato 3,733.2 kilómetros de autopistas y 5 puentes, incluidos 3,425.4 kilómetros de caminos y 3 puentes de la Red del Fondo Nacional de Infraestructura (FNI, antes FARAC). En su conjunto, la infraestructura que opera CAPUFE se traduce en una presencia institucional de alrededor del 53% de la Red Federal de Autopistas de Cuota, en 42 caminos con una longitud de 3,809.9 kilómetros y [1], que se integra de la siguiente manera: Tabla 1.- Infraestructura de caminos y puentes operados por CAPUFE (abril 2012) Red Operada Red

Caminos

Longitud (km)

Puentes Nacionales

Inter.

Autopistas

Puentes

Plazas

de cobro

de cobro

Propia

2

16

14

76.7

8.6

34

Contratada

5

1

1

307.8

0.6

10

FNI

35

1

2

3,425.4

7.3

89

Total

42

18

18

3,809.9

16.5

134

El rápido crecimiento de la red de caminos y respondiendo a las necesidades crecientes de los usuarios en cuanto a la rapidez y seguridad en los desplazamientos, así como a la expansión del transporte por carretera, hace que esta superficie haya adquirido una importancia fundamental en la funcionalidad de la calzada, siendo responsable de la comodidad, seguridad y costo del usuario. Tramo en estudio

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El tramo en estudio está ubicado en la Autopista México – Puebla, entre el Km 17+500 y el Km 31+800. En la figura 1 se muestra el croquis de ubicación del tramo. Como parte del proyecto entre el Km 29+500 y el Km 31+800, se alojara una franja de 12 m centrales.

Figura 1.- Tramo en estudio [2] La autopista México – Puebla se inauguró el 5 de mayo de 1962, considerando inicialmente una longitud de 102.475 km, con cuatro carriles de circulación de 3.5 m de ancho cada uno, ancho de camellón de 1.8 m y 3.0 m de acotamiento, para un ancho de corona de 21.8 m. Actualmente se ha eliminado el camellón y ha sido sustituido por una barrera central de 0.8 m de ancho, formando acotamientos interiores de 0.5 m de ancho a ambos lados de la barrera. Debido al incremento del tránsito experimentado en esta autopista, se han efectuado ampliaciones a un tercer carril, en algunos tramos de la autopista. El pavimento original ha sufrido también importantes modificaciones por el incremento del tránsito a lo largo de 50 años de vida de esta autopista, con objeto de adecuarlo a las nuevas condiciones de operación, con mayor número de vehículos pesados. El pavimento original consistía de 5 cm de concreto asfáltico, y 15 cm de espesor para bases y subbases granulares. En la parte inicial de la autopista, debido a la alta compresibilidad de los suelos de los ex-lagos de Texcoco y de Chalco, se difirió 4 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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la construcción de la carpeta asfáltica, aplicándose provisionalmente una carpeta de un riego, en espera de que ocurrieran las deformaciones previstas en el pavimento de este tramo. Posteriormente, después de unos tres años de observación, se construyó una carpeta asfáltica, al verificar que las deformaciones del terreno de cimentación no eran significativas. Actualmente las capas asfálticas tienen espesores que fluctúan entre 30 y 40 cm, bien sea porque se han aplicado varias sobrecarpetas sucesivas o bien porque los proyectos de rehabilitación contemplan la construcción de una carpeta de concreto asfáltico de 10 cm de espesor, una base asfáltica de 20 cm y bases granulares, en las cuales en ocasiones se utilizan materiales producto del fresado de las capas asfálticas existentes, alcanzando espesores totales de pavimento de más de 50 cm. Este último criterio se ha visto aplicado en la construcción del tercer carril que se está llevando a cabo, en el cual se han utilizado también bases estabilizadas con cemento Portland. Pavimentos de larga duración El concepto de pavimentos asfálticos de larga duración no es nuevo. También son conocidos como: full-depth o deep-strengh mismos que se han construido desde la década de 1960 en Estados Unidos [3]. La diferencia entre ambos es la siguiente: Los full-depth son construidos directamente sobre la capa subrasante y los deep-strengh son relativamente mas delgados y son construidos sobre bases granulares (de 4 a 6 pulgadas) [4]. De acuerdo al APA (Asphalt pavement Alliance) un pavimento perpetuo es un pavimento asfáltico diseñado y construido para durar más de 50 años sin requerir mayor rehabilitación estructural o reconstrucción y que solo necesitan reconstrucción de la superficie de rodadura de manera periódica, debido a que los deterioros se presentan únicamente en la parte superior de la estructura [5].

Una de las principales ventajas de estos pavimentos es que su sección es más delgada que las que emplean gruesas capas de bases granulares. También tienen la ventaja añadida de reducir de manera significativa el potencial de agrietamiento por fatiga al minimizar las deformaciones por tensión en la parte inferior de las capas asfálticas. Por otra parte, un estudio realizado por el Centro Nacional de Tecnología de asfalto sugiere que cuando se produce formación de roderas en los pavimentos de espesor considerable, es muy probable que las roderas sean confinadas a la parte superior en los primeros 50 mm de la estructura [6]. Cuando esto ocurre, una solución económica seria fresar la parte superior de la capa y remplazarla con mezcla asfáltica de la misma calidad. 5 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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En distintas partes del mundo se ha llevado al desarrollo de diferentes programas de investigación que apunten a la idea de pavimentos de larga duración, es decir, pavimentos que no presenten deterioros significativos en la estructura a lo largo de su vida en útil, necesitando únicamente acciones menores de conservación, minimizando así los costos de mantenimiento. Como ejemplo de lo descrito se puede citar el programa LTPP (Long-Term Pavement Performance), desarrollado en el marco del programa SHRP (Strategic Highway Research Program) iniciado a mediados de la década de los 80´s en Estados Unidos, como también el programa ELLPAG (European Long-Life Pavement Group) iniciado recientemente en Europa [7]. Ambos programas señalados comparten el objetivo del desarrollo de nuevas ideas en el ámbito de los pavimentos de larga duración, en su diseño, evaluación y mantenimiento, de forma económica y sostenible. En Estados Unidos, las mezclas de alto módulo se utilizan como parte integral de la estructura de los pavimentos de larga duración, o también llamados, pavimentos perpetuos. Su definición apunta a la construcción de estructuras de pavimentos que no requieran rehabilitaciones mayores que una conservación de la capa de rodadura en el tiempo, permitiendo que el pavimento tenga una duración mayor de 50 años. En la Figura 2 se ilustran las características de este tipo de estructuras, en la cual se observa sobre las capas inferiores o granulares, una primera capa asfáltica resistente a la fatiga denominada en este documento como capa absorbente de tensión, luego una mezcla de alto módulo como capa intermedia, finalizando con una capa de rodadura que aporta a la estructura una superficie de rodamiento cómoda y segura.

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Figura 2.- Estructura de pavimento perpetuo o de larga duración “tipo” [5]. 2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Geotecnia Se realizo la caracterización de los materiales mediante pozos a cielo abierto empleado los Métodos de Muestreo “muestreo para material de terracerías” [8]. Estudio de tránsito Se determino en campo el aforo vehicular manual y automático, se ingresaron datos socioeconómicos, de desarrollo regional, población económicamente activa, datos de población, empleo y parque vehicular para determinar el modelo de pronóstico y así determinar un TDPA, y su respectiva tasa de crecimiento. Diseño de pavimentos Los diseños se realizaron por distintos métodos, a fin de contar con más de una alternativa y metodologías de diseño, entre ellos: Diseño de pavimentos de la UNAM (DISPAV-5-Versión 2.0), Diseño de pavimentos de AASHTO y diseño de pavimentos de la APA en conjunto con la Universidad de Alburn (PerRoad 3.5) para el NCAT, siguiendo teorías empírico – mecanicistas, para una vida de diseño de 15 años.

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Información para el diseño Para que el diseño de la estructura propuesta sea confiable es necesario obtener cierto tipo de información asociada al proyecto que servirá de datos de entrada dentro de los métodos de diseño de pavimentos, a continuación se menciona la información recopilada. Geotecnia Se realizó exploración mediante 38 pozos a cielo abierto (PCA), para obtener muestras alteradas e inalteradas del terreno natural y caracterizar los materiales. Esto se llevó a cabo, en ambos sentidos del tramo en que se desarrollará la nueva estructura carretera. En la mayoría de la caracterización predominaron los suelos arcillosos y limosos, tal cual se muestra en la figura 3, donde se identificó una arena limosa con grava, color café poco compacta (SM).

Figura 3.- Pozo a Cielo abierto, donde se aprecian materiales poco competentesy presencia de nivel freatico. Es importante mencionar que la zona en estudio ha sufrido continuos asentamientos regionales y locales debido a la sobreexplotación de sus mantos acuíferos y la baja capacidad del terreno de desplante.

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Estudio de tránsito El análisis del tránsito indica que en el tramo más crítico se tiene un TDPA de 76,267 vehículos por sentido con la siguiente composición 85.0, 4.3 y 10.64 % de vehículos A, B y C respectivamente. En él se presenta una combinación de tráfico de largo itinerario con vehículos locales en la que predominan los vehículos ligeros, sin embargo, debido al alto volumen de tráfico los vehículos pesados constituyen un volumen de 11,436 vehículos en el tramo crítico. En la figura 4 se muestra el comportamiento del TDPA a lo largo del tramo en estudio.

Figura 4.- Comportamiento del TDPA a lo largo del tramo en estudio Diseño estructural del pavimento Como se aprecia en la figura número 4, las características del tránsito obligaron a separar el diseño de pavimento en 4 tramos con estructuras diferentes, en este artículo solamente se documenta la estructura más crítica. Si bien cuando existe una composición considerable de vehículos pesados y alto TDPA, las carpetas de concreto hidráulico son una alternativa muy eficiente, en nuestro caso se descartó debido a la mala calidad del terreno existente (desplante) que presenta hundimientos regionales importantes, por lo que adicional al diseño de pavimento se tuvo que considerar la sobrecarga que tendría sobre el terreno, el ampliar la vía y adicionar peso al camino. Por lo que el empleo de la capa de grava-tezontle fue con la intención de que el terreno trabajara como una sección compensada. Con el objeto de que en el transcurso del tiempo

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se conserve la pendiente transversal, se propone la construcción de franjas laterales pesadas (grava). Una vez analizadas las alternativas de los tres diseños, la que resuelve de manera más contundente las necesidades del tramo en estudio, es una estructura formada por un pavimento de larga duración con una capa de rodadura del tipo SMA (Stone Mastic Asphalt), capa de alto módulo de 20 cm, capa absorbente de tensión de 10 cm, base granular de 16 cm, subbase de 16 cm, capa subrasante de 30 cm y 50 cm de grava y tezontle (figura 5). Dentro de los principales factores que se consideraron para la selección del pavimento de larga duración en el tramo en estudio, se tienen los siguientes:  Presenta un mayor sustento teórico - técnico y mejores perspectivas para disminuir los costos asociados a las actividades de mantenimiento y rehabilitación, así como los costos de operación de los usuarios y los retrasos por estas actividades, proporcionando un mayor costo-beneficio. Este tipo de pavimentos está diseñado para que las intervenciones de conservación sean mínimas y únicamente se esté renovando la capa de rodadura.  Los deterioros estructurales profundos, tales como el agrietamiento por fatiga de abajo hacia arriba y/o deformación permanente en las capas inferiores se minimizan. Se proporciona suficiente rigidez en las capas superiores del pavimento para disminuir el espesor total de la estructura y prevenir la formación de roderas o deformación permanente, también se cuenta con una adecuada flexibilidad en la capa inferior para evitar el agrietamiento por fatiga de abajo hacia arriba.  El uso de una capa de rodadura de alta calidad funcional, permite que los usuarios transiten en todo tiempo, con excelentes condiciones de confort y seguridad, por la regularidad y nivel de ruido que aporta esta capa.  Actualmente ya se existe en el mercado mexicano los equipos (laboratorios y construcción), materiales tecnológicos y para hacer realidad esta alternativa, existiendo obras en nuestro país en donde ya se ha aplicado con buenos resultados.  Se estima que para una obra de la importancia que nos ocupa, es necesario aplicar tecnologías y materiales de alto desempeño, que permitan asegurar un elevado servicio a los usuarios, siendo esta alternativa una solución conveniente para atender esta necesidad.

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 Se utiliza el protocolo AMAAC de mezclas densas de alto desempeño, que actualmente tiene una amplia difusión en medio carretero mexicano, realizando el diseño hasta el nivel 4 que incluye indicadores de desempeño para susceptibilidad a la humedad, deformación permanente, módulos dinámicos y fatiga  El costo de construcción inicial no es significativamente mayor sobre una solución con pavimento asfáltico convencional u otra solución. Al igual que cualquier otra estructura de pavimento, la extensión del desempeño se basa en un terreno de soporte sólido/estable para proporcionar sustento a largo plazo a la estructura del pavimento y cargas del tráfico, además de reducir la variación estacional del terreno debido a los efectos ambientales (por ejemplo, ciclos de hielo-deshielo y los cambios de humedad).

APOYO DE PASO PEATONAL DE PROYECTO

LIMITE DE DERECHO DE VIA 350

320

100

150

350

350

350

350

50

600

3.5

CALLE MUNICIPAL

142

20

CARPETA DE ALTO MODULO

10

CARPETA ABSORBENTE DE TENSIÓN

16 16

BASE HIDRAULICA SUBBASE

30

CAPA SUBRASANTE

50

GRAVA

TEZONTLE

GRAVA

GEOTEXTIL 600

900

900

ESC. HOR. 1: 100 VER. 1: 20

Figura 5.- Sección transversal del camino y de la estructura del pavimento, de un solo sentido Características de las capas asfálticas constitutivas del pavimento La estructura de pavimento propuesta en la modernización conocida como “Pavimento de Larga Duración”, consiste en un pavimento asfáltico diseñado y construido para durar más tiempo que un pavimento convencional, sin necesidad de rehabilitación o reconstrucción estructural importante y sólo requerir la renovación periódica de la superficie en respuesta a los 11 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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deterioros limitados a la parte superior del pavimento. Para cumplir con este objetivo la estructura está constituida por diferentes capas asfálticas, donde cada una de estas cumple una función específica dentro del comportamiento del pavimento ante los efectos producidos por las cargas del tráfico y las condiciones climáticas. La estructura propuesta está conformada por las siguientes capas. Capa Absorbente de Tensión (CAT). Colocada sobre la subrasante o sobre una capa de transición, su función es la de mitigar el agrietamiento por fatiga. Se considera que este deterioro inicia de abajo hacia arriba y se presenta en las capas asfálticas; para cumplir con este objetivo la capa asfáltica tendrá una granulometría que permita un alto contenido de asfalto, tal que genere un bajo porcentaje de vacíos en la mezcla colocada. Capa de Alto Módulo (CAM). Conocida como la capa intermedia, debido a que estará colocada entre la capa absorbente de tensión y la capa de rodadura, tiene que combinar dos funciones muy importantes de las mezclas asfálticas, estabilidad y durabilidad. Estas dos características son esenciales ya que estará sometida a esfuerzos importantes generados por las cargas del tráfico, por lo que, tiene que prevenir la formación de roderas producidas a través de los esfuerzos de corte. Los beneficios de utilizar una capa de alto módulo se hacen evidentes al disminuir el espesor del pavimento hasta en un 30 %, por lo que, se reduce el costo al utilizar menor cantidad de material, otro aspecto relevante a tomar en cuenta es que con el uso de esta capa se garantiza de forma más adecuada que los esfuerzos que llegan a la subrasante se reduzcan de forma importante. Capa de rodadura o desgaste (SMA). Los requisitos de desempeño incluyen la resistencia a la deformación permanente y al agrietamiento de la superficie, una adecuada fricción, además de reducir el ruido provocado por el contacto neumático-pavimento. Es importante mencionar que debido a su espesor (40 mm) no se considera dentro del diseño estructural. Diseño de las mezclas asfálticas Para incrementar la confiabilidad del desempeño de las mezclas asfálticas utilizadas en las diferentes capas del pavimento, se realiza el diseño correspondiente y su verificación durante las etapas de producción y colocación de la mezcla, considerando las metodologías del Protocolo AMAAC de mezclas densas de alto desempeño vigente.

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Para este tipo de pavimentos, el diseño y verificación de las mezclas contempla los 4 niveles de diseño propuestos en el protocolo antes mencionado que incluyen pruebas de desempeño relativas a susceptibilidad a la humedad, deformación permanente, módulos dinámicos y resistencia a la fatiga. En la tabla 2 se indican los módulos elásticos considerados para el diseño de espesores del pavimento y los resultados obtenidos del diseño de las mezclas con los agregados de uno de los bancos propuestos y los ligantes asfálticos disponibles para la ejecución de la obra. Los módulos dinámicos utilizados para el cálculo de espesores, de las mezclas de alto módulo y de la base asfáltica absorbente de tensión, son menores a los que se obtuvieron en los diseños de estas mezclas, con lo que se garantiza que en la construcción de la obra se pueden cumplir los módulos propuestos en el cálculo de espesores del pavimento. Tabla 2.- Módulos elásticos de las diferentes capas de la estructura.

Capa

Espesor (cm)

Rodadura (SMA) Alto Módulo Absorbente de tensión Base granular Subbase Subrasante

3.5 20.0 10.0 16.0 16.0 30.0

Módulos elásticos utilizados en el diseño de espesores (MPa) Md Mr N.A. N.A. 10 000 4 000

Módulos elásticos obtenidos en el diseño de las mezclas (MPa) N.A. 11 073 6414

291 242 120

N.D. N.D. N.D.

Md: módulo dinámico Mr: módulo resiliente N.A.: no aplica

El diseño y construcción de las mezclas de alto módulo y absorbente de tensión, se apegan al protocolo AMAAC vigente y se describen en las especificaciones particulares correspondientes, no descritas en este documento. En las tablas 3 y 4 se indican los requerimientos de diseño de ambas mezclas. Tabla 3.- Requerimientos de la mezcla asfáltica para la capa absorbente de tensión Característica Vacíos en la mezcla, % Susceptibilidad al daño inducido por humedad (TSR), %

Valor 3 ≥80

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Susceptibilidad a la deformación permanente en Rueda cargada de Hamburgo, mm Módulo Dinámico |E*|, 20 ° C, 10 Hz, MPa -6 ).

10 máx. ≥ 4,000 ≥ ESAL´s

Tabla 4 – Requerimientos de la mezcla asfáltica para la capa de alto módulo Característica Vacíos en la mezcla, % Susceptibilidad al daño inducido por humedad (TSR), % Susceptibilidad a la deformación permanente en Rueda cargada de Hamburgo, 30,000 pasadas, mm Módulo Dinámico |E*|, 20 ° C, 10 Hz, MPa

Valor ≤4 ≥80 7.5 máx. ≥ 10,000

4. CONCLUSIONES Debido a la complejidad de trabajar en entornos urbanos, y con altos volúmenes de transito, la sección transversal propuesta y la sección estructural del pavimento, atiende de manera eficaz, el mejorar las condiciones de operación de la autopista. Se logró una sección transversal que atiende los movimientos direccionales del tráfico local y el de largo itinerario. La estructura de las terracerías presenta una solución a la problemática del hundimiento regional que afecta a la autopista actualmente, además se conservará el bombeo y se minimizaran las deformaciones puntuales. El diseño del pavimento de larga duración, garantizará en condiciones aceptables el buen comportamiento de la superficie de rodamiento y disminuirá las intervenciones de conservación durante la vida útil de la autopista. Es una opción innovadora en nuestro país que se utilizada con éxito en otros países de mayor desarrollo y experiencia en estos pavimentos, para lograr pavimentos de alto desempeño y larga duración, a los que se les ha denominado “pavimentos perpetuos”.

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5. AGRADECIMIENTOS Los autores externan su agradecimiento al Licenciado Benito Neme Sastre, Director General de Caminos y Puentes Federales de Servicios e Ingresos Conexos. Un agradecimiento especial al Ingeniero Manuel Zarate Aquino y a la empresa GeoSol S.A. de C.V. y Noé Hernández Fernández de la empresa SemMaterials México por su apoyo técnico.

6. REFERENCIAS [1] www.capufe.gob.mx [2] www.google.com.mx intl es earth [3] Newcomb D., Buncher M y I. Huddleston (2001) “Concepts perpetual pavement” Transport Research Circular Number 503 [4] CTC y Asociados LLC. (2004) “Deep-Strength and Full-Depth Asphalt” WisDOT DR&T Program, Transportation Synthesis Report [5] Newcomb D. (2002) “Perpetual Pavement – a Synthesis, Asphalt Pavement Alliance”, USA, [6] Brown E. R., y Cross S. A. (1992) “A National Study of Rutting in Hot Mix Asphalt (HMA) Pavements” Report No. 92-5, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, Ala. [7] Buil M. (2010) “Diseño y caracterización mecánica de mezclas recicladas de alto modulo” Tesina de Especialidad Universidad Politécnica de Cataluña [8] Secretaría de Comunicaciones y Transportes (2001) “M-MMP-1-01/03 Muestreo de Materiales para Terracerías” Normativa para la Infraestructura del Transporte.

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Pavimentos Rígidos vs Flexibles: ¿Cuál es mejor? José de Jesús Espinosa Arreola Jorge Alarcón Ibarra Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Ingeniería Civil, Maestría en Infraestructura del Transporte en la Rama de las Vías Terrestres, Morelia, Michoacán, México Julio-2012 Resumen El objetivo de este trabajo es analizar algunas variables de los pavimentos rígidos y flexibles que se deben de tomar en cuenta en la elección de la estructura del pavimento, en función de lo que el proyecto a ejecutar requiera, mismas que proporcionen al público en general un panorama más amplio para su concepción; suministrando ventajas y desventajas que tiene uno frente a otro para evitar caer en la premisa de señalar a alguno como mejor pavimento, de manera generalizada. Palabras clave: pavimento flexible, pavimento rígido, costos de operación, impacto ambiental, ruido.

Abstract The aim of this paper is to analyze some variables of flexible and rigid pavements which should be taken into account in the choice of the pavement structure, depending on what the project to run required them to provide to the public in general a broader picture to its conception; providing advantages and disadvantages has one over another to avoid falling into the premise of draw one as better paving, widely. Keywords: flexible pavement, rigid pavement, cost of operation, environmental impact, noise.

Introducción

construcción, sin evaluar una serie de alternativas como las que en parte se presentan en este trabajo.

En la infraestructura carretera es común que surja la pregunta de cuál opción es la mejor entre un pavimento rígido y uno asfáltico. A decir verdad no existe, de una manera generalizada, una respuesta a esta interrogante, pues es claro que se deben de tener en cuenta las variables que intervienen en la elección del tipo de estructura, para las cuales una alternativa puede resultar mejor que otra bajo las mismas circunstancias. Y es que, en la práctica común, no es raro ver que se opte por la solución de menor costo, pero únicamente considerando la variable de

De acuerdo con el Atlas de la Red Carretera de México, entre los años 2007 y 2008 se tenía una red asfaltada de 136,780 km mientras que la longitud carretera pavimentada con concreto hidráulico limitadamente llegaba a los 3,097 km, representando el 2.3% de las carreteras revestidas con asfalto. Es claro el uso común de los pavimentos asfálticos en México; de la misma forma que ocurre en casi todo el mundo.

Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

En México, se cree que los pavimentos rígidos duran más que los asfálticos, y es que si se le pregunta a casi cualquier ciudadano que no tenga un conocimiento amplio del tema, cuál de los dos prefiere, seguramente contestarán que uno rígido debido a que aparentemente duran mucho más. Y en realidad no es que duren más, sino que las circunstancias en que se construyen en la práctica común, los rígidos presentan una ventaja ante los asfálticos. Las carpetas asfálticas son nobles, en el sentido que permiten la construcción en espesores menores que los rígidos, lo cual lleva a los constructores a abusar de esa nobleza para abaratar los costos de construcción y que la obra resulte “económica” dejando de lado los costos que se van a generar por conservación y por operación. En el caso de las losas de concreto, los espesores de construcción mínimos son mayores que los de las carpetas asfálticas, debido a esto es que llevan una ventaja por si mismos sobre las vialidades construidas con asfalto.

Desarrollo Es racional pensar en que las empresas dedicadas a la venta de cemento y asfalto, o convenientemente dicho, de concreto y de mezcla asfáltica, aseguran que cada uno aporta la mejor solución para la construcción de vías carreteras. Los productos que cada uno ofrece aparentemente satisfacen las necesidades que se tienen en la construcción de vialidades, pero en realidad se deben tomar una serie de variables que intervienen en proyectos con características particulares.

Costos Los costos de los pavimentos se pueden englobar en costos de construcción, de mantenimiento y rehabilitación. Estos costos quedan en función de otras variables principales como son:

UMSNH

• • • •

El espesor de la losa de concreto o de la carpeta asfáltica. El intervalo entre acciones de mantenimiento. El TDPA El IRI promedio.

Una diversidad de resultados pueden obtenerse del análisis del costo de un pavimento durante su vida útil si se varía cualquiera de los puntos anteriores. El IMT realizó un estudio en 1998 considerando los aspectos anteriormente señalados (incluyendo costos de operación) del cual se desprenden una serie de conclusiones. Encontraron que el pavimento rígido resulta preferente en tránsitos elevados (mayores a 20 mil vehículos diarios), que en general el costo de construcción inicial y de conservación en un periodo de 30 años es mayor en los pavimentos rígidos que en los flexibles, aunque si bien, para tránsitos elevados el rígido tiene una reducción en los costos de operación lo cual da como resultado un mejor desempeño que el flexible en el balance general. Además se debe tomar en cuenta el precio del petróleo, resultando en cada caso más conveniente uno y otro, y evitar que el IRI sea muy alto antes de realizar acciones de conservación; pues resultaría muy costoso bajarlo a niveles aceptables (Rico Rodríguez, Mendoza Díaz, Téllez Gutiérrez, & Mayoral Grajeda, 1998)

Impacto ambiental Esta parte es compleja puesto que queda determinada principalmente desde el enfoque que tenga el análisis. La cantidad de variables que intervienen, y muchas de ellas en unidades que no son equivalentes, hacen que el análisis se haga complejo y que no se pueda determinar en términos generales cuál contamina más. Actualmente es imperante la consideración del impacto ambiental que genera cualquier construcción, a causa del calentamiento global que como planeta estamos generando y enfrentando. La EUPAVE (European Concrete Paving Association) realizó un estudio en Julio de 2011, donde se simuló el impacto ambiental que genera 1 km de autopista en un

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

periodo de 30 años. Los puntos considerados en este análisis fueron por concepto de construcción, uso y mantenimiento de la autopista en el periodo ya señalado. Adicionalmente se incluyó el impacto ambiental generado por el tránsito esperado en una autopista de este tipo. Los indicadores de impacto ambiental evaluados fueron los siguientes: GWP: Potencial de calentamiento global.

Figura 2 Sección de estudio para pavimento rígido (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011)

ODP: Potencial de Reducción de Ozono. POCP: Potencial de creación de ozono fotoquímico. AP: Potencial de acidificación. EP= Potencial de eutrofización. El estudio contempla dos secciones de pavimento flexible; superficie porosa de asfalto (PA) y una microcarpeta de mástico asfáltico (MA) y dos de pavimento rígido; uno con superficie texturizada (tC) y otro con agregado expuesto (EAC) como se muestran en la Figura 1 y Figura 2.

Figura 1 Sección de estudio para pavimento asfáltico (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011)

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Se evaluaron distintos escenarios los cuales comprendían el uso de material reciclado, así como el uso de diferente tipo de cemento. Los resultados de los indicadores se muestran en la Tabla 1 y Tabla 2. Se asumió un tránsito vehicular de 42,000 ligeros y 10,000 pesados diarios, resultando que el impacto ambiental que genera el paso de los vehículos es superior a 5000 veces el impacto por conservación de los pavimentos. Todos los indicadores de impacto ambiental por mantenimiento de un camino con asfalto son superiores que con concreto, debido prácticamente a la movilización de la maquinaria. También el impacto ambiental generado por el paso de vehículos es aproximadamente 100 veces mayor que el generado por la construcción y mantenimiento juntos. Por lo tanto la reducción en el impacto ambiental se encuentra mayormente en la que generan los vehículos (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011). Una de las variables de más impacto y mayormente analizada por los investigadores es la cantidad de emisiones de CO2 equivalente, que en este caso corresponde a la variable WGP. En términos de esta variable se observó en este estudio que en la construcción con concreto las emisiones son 166% más que con asfalto, principalmente por el proceso de producción del cemento portland.

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

Tabla 1 Indicadores de impacto ambiental para la construcción de 1 km de autopista (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011).

Tabla 2 Indicadores de impacto ambiental por mantenimiento y por uso del tránsito de 1 km de autopista (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011)

Los resultados fueron contundentes al mostrar el impacto generado por la construcción, uso y mantenimiento de la autopista en relación con el generado por el tránsito vehicular. La diferencia es sustancial, y es que en este sentido los estudios más agudos deberán dirigirse hacia la reducción y optimización del uso de combustibles fósiles, así como la moderación en el uso del transporte privado sustituido por un medio de transporte público más eficiente, como el tren de pasajeros en grandes distancias y en lo urbano el metro.

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En otro estudio realizado en 2009, se examinó la huella de carbono de pavimentos asfálticos y de concreto para pavimentos residenciales, vías colectoras y de carreteras construidas en Ontario, Canadá. Los resultados de las emisiones de CO2 se muestran en la Tabla 3. En este estudio se utilizaron materiales vírgenes tanto para pavimento asfáltico como de concreto, además de que se analizó únicamente la opción con mezcla asfáltica en caliente, no tomando en

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? cuenta el reciclado y las mezclas tibias; cuyo valor de emisiones hubiesen sido menores. Se observa como son alrededor de 10 veces mayores las emisiones con un pavimento de concreto, que con uno asfáltico, que como ya se mencionó, es principalmente debido a la elaboración del cemento; en los procesos que ocurren en la producción del cemento Portland por cada 1,000 kg de cemento, aproximadamente se producen 730 kg de bióxido de carbono. Actualmente las tendencias de investigación en mezclas asfálticas son principalmente en el reciclado de pavimentos, la incorporación de hule

molido y la utilización de mezclas tibias. Todo esto contribuye en gran medida a la reducción del impacto ambiental generado por la elaboración de mezclas asfálticas. Por ejemplo, la temperatura de elaboración, colocación y compactado de las mezclas tibias es alrededor de 10 a 40°C menos que las elaboradas en caliente; cuya temperatura de fabricación es alrededor de los 155°C. Esto de acuerdo con Agnusdei (2010), permite una reducción en el CO2 entre el 30 y 40% y una reducción en el consumo de energía entre el 20 y 35%.

Tabla 3 Valores de conversión de CO2 equivalente (Asphalt Pavement Alliance, 2010) Material

Emisiones de CO2 eq (Toneladas/Toneladas)

Pavimento asfáltico 0.0103 (al 5.0% de cemento asfáltico) Estructura granular A 0.00080 (Agregado, molido, cernido y lavado) Estructura granular B 0.0053 (agregado, cernido y lavado) Pavimento de concreto 0.1073 (a 32 MPa [4640 lb/pulg2]) OGDL* 0.0090 *Carpeta drenante de graduación abierta de asfalto estabilizado en 1.8% de cemento asfáltico

Ruido El ruido ocasionado por el tráfico de los vehículos ha sido motivo de estudios en muchos países que han decidido tomar medidas para reducirlo, con el fin de englobar las carreteras en el ámbito sustentable. Son tres fuentes principales las que causan el ruido producido por el tráfico vehicular: el contacto entre llanta y superficie de rodamiento, el motor del vehículo y el ducto de evacuación de gases (escape) del mismo. Caltrans (2003) ha establecido una participación entre el 70 y 90% de la energía sonora global cuando el vehículo transita a una velocidad de 80 km/h o mayor. Existen varios factores que determinan la frecuencia e intensidad del ruido generado por la interacción llanta-pavimento, los cuales son: la dureza de la superficie de rodamiento (rígido o

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flexible), el tamaño de las llantas, los vacíos en la superficie de rodamiento, la velocidad a la cual transitan los vehículos, las juntas (en pavimentos rígidos). Algunas mezclas asfálticas ayudan a la reducción del ruido de rodadura, especialmente las mezclas de granulometría abierta, tipo SMA (Stone Mastic Asphalt) y las mezclas asfálticas denominadas BBTM B en la normativa europea (microaglomerados de granulometría fuertemente discontinua), que además ofrecen una drenabilidad superficial y por consiguiente una resistencia al deslizamiento mayor, teniendo una reducción del ruido de rodadura del orden de 3 db (Del Val, 2010). Respecto a este punto, y debido a que la escala de decibeles es una función logarítmica, cuando se duplica la fuente generadora del ruido, el nivel de ruido se incrementa en 3 dBA (en términos de escala “A” de mejor respuesta al oído humano) (Martínez &

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? Torregroza, 2010). Esto quiere decir que el paso de dos vehículos sobre la superficie de rodamiento de una mezcla discontinua se equipara con el ruido generado por el paso de un vehículo en una superficie de graduación continua ((Figura 3).

En las losas de concreto, la profundidad y el ancho de la ranura influyen en el nivel de ruido, teniendo que las losas de concreto con ranura transversal (la más común) es la que genera niveles de ruido mayores (Martínez & Torregroza, 2010).

Figura 3 Esquema del ruido generado con distintas superficies de rodadura

Operación Esta variable está dirig dirigida al usuario de las autovías, principalmente en lo referente al confort y la mejora en el transitar de los vehículos. Con las mezclas asfálticas se tienen algunas ventajas sobre el concreto las cuales se mencionan a continuación: Confort: La sensación de confort que experimentan los pasajeros a bordo del vehículo es mayor sobre pavimentos asfálticos asfá que sobre rígidos, debido a la naturaleza misma del pavimento asfáltico, su flexibilidad y a que las mezclass asfálticas se disponen en varias capas y no solo en una, como en el concreto (Del Val, 2010). Además de que aumenta umenta la comodidad en la circulación, también aumenta la seguridad, puesto que ell conductor experimenta una tensión menor al volante a causa del amortiguamiento proporcionado por la carpeta asfáltica, no así para

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una losa de concreto la cual transmite directamente al vehículo cualquier solicitación que se presente a causa de irregularidades, inclusive de las mismas juntas transversales entre losa y losa de concreto (escalonamiento). Visibilidad: El color claro del concreto dificulta la visibilidad del alineamiento horizontal y vertical, debido a la luz del día reflejada hacia el conductor condu sobre todo cuando se transita en dirección de la puesta del sol, incluso cuando se transita en presencia de lluvia es mucho mayor el reflejo de la luz del sol, puesto que ue la superficie de concreto conc no tiene una macrotextura que permita el desalojo del agua debajo de ella y prácticamente el desalojo se hace por la superficie creando un espejo que refleja la luz del sol.. Este factor es desfavorable pues el conductor al no tener una visibilidad suficiente para manejar con seguridad, segur reduce la velocidad. Aunque no todo es desfavorable debido al color claro del concreto, puesto que Mora (2006) hace mención a los estudios realizado por

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? el Ing. Richard Stark (Presidente del TRBVC TRBVCTransportation Research Board’s Visibility Committee) quien indica que se puede ahorrar más de US$ 24,000/milla por requerir menos instalaciones eléctricas para la iluminación de la carretera.

Mantenimiento La calidad superficial del pavimento, a través del tiempo, será el indicador que determine las acciones nes de conservación necesarias para mantener el pavimento en las mejores condiciones posibles. Se deben considerar las acciones de

conservación rutinaria, periódica y los trabajos de reconstrucción. La Figura 4 muestra el deterioro que sufre el pavimento a través del tiempo y el incremento de los costos cuando se aplazan las acciones accio de mantenimiento que aumentan aumenta la calidad superficial. Es una curva típica del deterioro de un pavimento, en la cual se puede observar cómo el 40% del deterioro se presenta cuando su vida útil es del 75%; en cuyo valor se deben realizar las acciones preventivas que permitan conservar la estructura en las mejores res condiciones posibles; de no ser así se creará la necesidad de rehabilitar o reconstruir el pavimento, con una inversión mucho mayor, como se muestra en la Figura 5.

Figura 4 Curva de deterioro de un pavimento (Salomón, 2009).

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? Figura 5 Costos relativos de mantenimiento preventivo, rehabilitación y reconstrucción en pavimentos (Salomón, 2009).

En la Figura 6 se presenta un esquema también de los ahorros que se obtendrían en los costos de operación vehicular realizando distintas acciones de mantenimiento. Se puede observar que los costos de operación pueden disminuir de manera sustancial cuando se realizan trabajos de

conservación en los periodos necesarios. En caso de no hacer nada, dichos costos son excesivos, además de crear la necesidad de una reconstrucción que seguramente resultará más costosa que haber realizado las acciones de mantenimiento requeridas en tiempo y forma.

Figura 6 Ahorros en los costos de operación en un pavimento flexible (Ávila Correa & Alarcón Ibarra, 2006).

Ventajas adicionales Pavimento flexible: Pavimento rígido: El comportamiento del concreto ante el ataque del agua es mejor que el que presentan las mezclas asfálticas, por lo cual es una buena opción utilizarlo en zonas donde estará en contacto continuo con el agua, como por ejemplo en zonas bajas o de frecuente inundación. También su uso es conveniente en cruces vehiculares, en donde se tiene un TDPA elevado y el tiempo de concentración de las cargas de los vehículos pesados es prolongado. También su periodo de mantenimiento es más espaciado, por lo que se evitan los problemas generados como el congestionamiento de tránsito, costos de operación y contaminación.

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Mayor drenabilidad: Las mezclas asfálticas de granulometría abierta proporcionan una drenabilidad mayor al permitir el desalojo del agua transversalmente sobre la macrotextura superficial que presentan, reduciendo el hidroplaneo y la proyección de agua (Figura 7). Aunque si bien las mezclas asfálticas de graduación abierta son muy recomendables en camino abierto y con condiciones de lluvia frecuente, en Europa se ha prohibido, como práctica común, el empleo de mezclas asfálticas drenantes en los túneles, debido a que permiten que los combustibles o líquidos flamables vertidos se desplacen por su interior facilitando la propagación del fuego en caso de incendio (Del Val, 2010).

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

Figura 7 Carril externo con mezcla de graduación abierta (OGFC) vs carriles centrales con mezcla convencional Fuente: Rubber Pavement Association.

Deterioros frecuentes

Pavimento Rígido: Escalonamiento: Debido a la erosión de la base por flujo de agua en la proximidad de las juntas o grietas. También puede ocasionarlo un asentamiento diferencial en la capa subrasante. Agrietamiento de esquina: Se origina por la erosión de la base, lo que ocasiona una falta fal de apoyo de la losa, así como por sobrecargas en las esquinas o una deficiente transmisión de carga entre juntas.

Escalonamiento

Agrietamiento transversal y longitudinal: En el sentido transversal es debido a una longitud excesiva en la losa y en la longitudinal un ancho a excesivo; además de que carezca de una junta longitudinal. También es debido en ambos casos a un diseño deficiente (menor espesor del requerido). Otro aspecto a considerar es la recuperación de la rugosidad; obtener btener la rugosidad inicial de la losa de concreto después de un periodo de puesta en servicio se torna más difícil y costoso, por lo que implica el rayado de las losas con discos de diamante.

Agrietamiento en esquina

Agrietamiento transversal y longitudinal

Figura 8 Deterioro en pavimentos rígidos.

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

Pavimento Flexible: Agrietamientos: Resultado de una superficie de rodadura fatigada, que en muchas ocasiones puede deberse a deformaciones permanentes en las capas inferiores de la estructura del pavimento, que reducen su capacidad portante, llevando a la superficie de rodadura a fatigarse prematuramente. Así como también al uso de ligante asfáltico muy duro. Deformaciones permanentes: Se presentan las llamadas “roderas” que dificultan la

Agrietamientos

transitabilidad y permiten la acumulación de agua, que al igual que en el punto anterior, puede deberse a las capas inferiores (mala compactación de la base) o únicamente a la carpeta asfáltica (asfalto en exceso o uso de asfaltos blandos en zonas de temperatura alta). Desprendimiento de agregados: Provocado por varios factores como la mala adherencia entre el pétreo y el asfalto, un ligante asfáltico inadecuado, agregado con polvo adherido o presencia de lluvia durante el tendido de la mezcla asfáltica; que posteriormente se reflejan como baches.

Roderas

Desprendimientos

Figura 9 Deterioro ro en pavimentos flexibles (Consejo de directores de carreteras de Iberia e Iberoamérica, 2002)

Conclusiones Ell impacto ambiental queda a disposición del analista de cada caso, y depende de los escenarios que se tomen en cuenta, las condiciones y variables en el proceso de construcción, mantenimiento y operación de un pavimento. Algo que queda bien claro en la etapa de construcción del pavimento es la cantidad superior de CO2 emitida por la elaboración de cemento to Portland, para el caso del pavimento rígido. No se puede decir con exactitud cuál contamina más aunque la variable que rige la mayoría de las investigaciones acerca del tema en cuestión son las emisiones de CO CO2 equivalentes.

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Referente al mantenimiento, en este sentido es muy común recurrir a los pavimentos rígidos para evitar las acciones de mantenimiento a corto plazo, aunque este hecho de ninguna manera justifica que se “abandone” el pavimento una vez puesto en servicio, ya que también se pueden presentar tar diversos deterioros que de no ser atendidos de manera pronta y acertada, la estructura del pavimento quedará condenada a una vida útil menor y a una reconstrucción en un tiempo más corto de lo previsto. Como conclusión general se puede decir que la determinación del mejor pavimento no puede ser juzgada a priori, es necesario realizar toda una evaluación de las condiciones y características de la obra, para poder elegir la opción más idónea. Es decir, se debe evaluar desde los costos de

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? construcción, mantenimiento y operación (el generado a los usuarios por consumo de combustible y mantenimiento del vehículo) así como el impacto ambiental generado; el que resulte más económico será el más adecuado, incluyendo el costo social que implica el impacto ambiental. Además de tener en cuenta ventajas que ofrece uno frente al otro en igualdad de circunstancias, así como los problemas que presentan, para poder tomar la decisión técnica más conveniente.

Referencias

Agnusdei, J. O. (2010). Nuevas tecnologías sustentables aplicadas a la pavimentación asfáltica. XII Congreso Nacional del Asfalto y III Congreso Nacional de Concreto, (págs. 1-48). Lima, Perú. Asphalt Pavement Alliance. (2010). Huella de carbono: ¿en qué posición se encuentra el asfalto? Asfáltica #24, 6-9. Ávila Correa, R., & Alarcón Ibarra, J. (2006). Cálculo de los costos de operación vehicular en la carretera Cuitzeo – Puruándiro – Zináparo y su impacto en los usuarios. Ciencia Nicolaita. Consejo de directores de carreteras de Iberia e Iberoamérica. (Abril de 2002). Catálogo de deterioros de pavimentos flexibles. Viña del mar, Chile.

Un caso práctico: la pavimentación de la autopista de circunvalación M30 de Madrid. Asfáltica, 5-10. Martínez, G., & Torregroza, L. M. (2010). XV CILA. El rol de los pavimentos en la mitigación del ruido llantapavimento, (págs. 1-10). Lisboa. Milachowski, C., Stengel, T., & Gehlen, C. (Julio de 2011). EUPAVE. Life cycle assessment for road construction and use. München: Centre for building materials, Technische Universität. Mora Q., S. (2006). Pavimentos de concreto hidráulico. III Seminario nacional de gestión y normatividad vial. Mukherjee, A., & Cass, D. (Mayo de 2011). Carbon footprint for HMA and PCC pavements. Michigan Technological University. Rico Rodríguez, A., Mendoza Díaz, A., Téllez Gutiérrez, R., & Mayoral Grajeda, E. (1998). Algunos aspectos comparativos entre pavimentos flexibles y rígidos. Publicación Técnica No. 103. San Fandila, Querétaro, México: IMT. Salomón, D. (2009). Conservación de pavimentos: Metodología y estrategias. Boise. Secretaría de Comunicaciones y Transportes. (2011). Atlas de la red carretera de México. México.

Del Val, M. (2010). Pavimentación asfáltica frente a pavimentación en concreto.

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

UN NUEVO MODELO DE CONSERVACIÓN DE CARRETERAS EXPERIENCIAS E INNOVACIONES TECNOLÓGICAS Ing. Javier Fernández Almanza Gerente de Proyecto COCONAL, SA de CV [email protected] RESUMEN La infraestructura carretera del país es fundamental para el crecimiento económico y el desarrollo social, por lo que es necesario preservar el patrimonio vial manteniendo la red en buenas condiciones de operación. Una red carretera en buen estado permite costos de operación vehicular bajos que a su vez disminuyen los costos

asociados

de

traslado

de

personas,

bienes

y

servicios,

impactando

favorablemente la economía y el bienestar social. En este contexto la Dirección General de Conservación de Carreteras (DGCC) de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT) ha desarrollado diferentes formas de contratación en el tiempo para la conservación de los tramos prioritarios de Carreteras Federales Libres de Peaje, buscando la calidad, el confort, la seguridad y el servicio al usuario, perfeccionando estos esquemas en el Contrato

Plurianual de

Conservación de Carreteras (CPCC) que permitan a la Dependencia ser más efectiva en el uso de los recursos y mejorar sustancialmente el servicio a los usuarios y al privado asuma la responsabilidad en los estudios, proyecto ejecutivo y su ejecución en la reestructuración y conservación de pavimentos, evaluados a través de sistemas ingenieriles. En el presente documento se muestra como se ha mejorado la calidad funcional y estructural del pavimento para beneficio de los usuarios, en los 754 km que constituyen el primer CPCC contratado en México, en el Estado de San Luis Potosí, a cargo de la empresa COCONAL. La medición de la calidad se hace a través de indicadores de desempeño funcional y estructural del pavimento y para cumplir con estos indicadores se utilizan capas de rodadura de alta calidad funcional, mezclas asfálticas de alto desempeño y

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO recuperación de pavimentos con emulsión y espuma asfáltica que presentan resultados muy efectivos. También

se

describen

la

evolución

con

tecnologías

y

procedimientos

constructivos modernos y con maquinaria de última generación. INTRODUCCION Las principal infraestructura vial y servicios que están a cargo del Contratista son los siguientes: I. Conservación periódica y rutinaria de la superficie de rodamiento y de los puentes II. Conservación de las señales y elementos de seguridad en las carreteras III. Servicios de vialidad para propiciar el uso seguro, cómodo y eficiente de las carreteras IV. Reconstrucción del pavimento y de puentes El primer CPCC convocado a licitación por la SCT fue en el estado de San Luis Potosí, contratado a COCONAL, empresa mexicana con una amplia experiencia en la operación, construcción, modernización y conservación de carreteras. 

En septiembre del 2010, se contrató el paquete carretero de conservación de carreteras de San Luis Potosí.



La longitud de esta red es de 754.51 km. con 3 carreteras Federales; carretera 57 México, carretera 80 Guadalajara y carretera 49 Zacatecas. El modelo de contrato del CPCC es adecuado, distribuye muy bien los riesgos,

la calificación y pago de los trabajos es en base a 17 indicadores de servicio, siempre orientado a los usuarios de las vías. Se han tenido excelentes resultados, elevando a un nivel óptimo tanto en conservación como en la atención a los usuarios de las vías.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO Por

estas

carreteras

transitan

en

promedio al año 37,000 vehículos diarios: entre autos, autobuses y camiones de carga; anualmente se da servicio a más de 13.5 millones de vehículos que considerando 3 pasajeros por vehículo, se da servicio a más de

40.5

millones

de

personas,

más el

traslado de mercancías correspondientes en los camiones de carga, de ahí la importancia de conservar las carreteras en óptimas condiciones de transitabilidad y seguridad al usuario, así como ofrecer servicios de atención y emergencias las 24 horas con cobertura en todo el CPCC.

ESTUDIOS Y PROYECTOS Todos los estudios y proyectos se realizan previendo el cumplimiento de los Estándares de Desempeño, cubriendo los siguientes aspectos en el paquete carretero. 

Estudios

de

evaluación

de

pavimentos y proyectos ejecutivos para la conservación. 

Proyecto de señalización y



dispositivos de seguridad.



Estudio y proyecto ejecutivo de entronques.



Estudios y proyectos de reconstrucción y rehabilitación de Puentes y Estructuras.



Estudios y proyectos de reconstrucción y rehabilitación de Obras de Drenaje y Complementarias.



Solución de puntos de conflicto.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO AUTOEVALUACIÓN DEL CONTRATO La empresa implementó los instrumentos de verificación siguientes para la autoevaluación de

los

trabajos

ejecutados

en

los

tramos

carreteros. Cumplimiento de los trabajos por PUM. 

Unidad de Auto-Control



Recorridos de inspección (diarios)



Inspecciones Programadas mensualmente entre COCONAL y S.C.T. de San Luis Potosí.



Inspecciones no Programadas por la S.C.T. de San Luis Potosí.

Cumplimiento de los trabajos por PUOT. 

Sistema de Gestión de Calidad durante la ejecución de los trabajos.



Inspecciones Programadas y No Programadas durante la ejecución de los trabajos.



Supervisión permanente de la S.C.T. de San Luis Potosí.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

SERVICIOS DE VIALIDAD Estas

actividades

involucran

los

siguientes servicios: 

Comunicación con el usuario y las instituciones

correspondientes,

incluyendo a la S.C.T. en primer lugar, a fin de requerir información y dar asistencia en caso de incidentes, 

Coordinar

acciones

conjuntas

de

emergencia. 

Atención de incidencias, para resolver eventos que hayan producido alguna alteración a las operaciones normales del Paquete Carretero CPCC - San Luis Potosí.

ATENCIÓN DE EMERGENCIAS Las actividades para atender emergencias, tienen por objeto solucionar aquellos daños a la infraestructura del CPCC causados por Fenómenos Naturales. Los Fenómenos Naturales más frecuentes son: • Precipitaciones y vientos de una intensidad y/o duración extraordinarias. • Deslizamientos o deslaves menores y mayores, los cuales tienen origen dentro o fuera del Derecho de Vía de la carretera.

• Inundaciones o crecientes en que los niveles de agua suban por arriba de un máximo. • Terremotos, etc. ATENCIÓN AL USUARIO En las carreteras que integran el CPCC se dispuso de un Centro de Atención Telefónica (CAT) que brinda apoyo e información a los usuarios en tránsito y a

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO usuarios potenciales las 24 horas del día los 365 días del año. Entre las funciones del CAT, destacan: 

Información General: Servicios disponibles, distancias, tiempos de recorrido y lugares de interés.



Apoyo Vial: Asistencia en el camino a vehículos con falla mecánica con cargo al usuario.



Apoyo en Emergencias: Canaliza y notifica a autoridades o instancias competentes.

BASES DE MANTENIMIENTO Para

cumplir

con

los

requerimientos

contractuales, COCONAL construyó siete bases de mantenimiento

ubicadas

en

los

tres

tramos

carreteros, estos están coordinados por la Oficina Central de San Luis Potosí, S.L.P., en donde se encuentra el CAT, las oficinas administrativas de la empresa y base de mantenimiento central. Cada base de mantenimiento cuenta con oficinas, almacén, taller de mantenimiento y patio de resguardo para vehículos y maquinaria. Por requerimientos del proyecto la ubicación de las bases guarda una distancia no mayor a 70 km entre ellas, de tal manera que la atención a incidencias y emergencias no sea superior a 30 minutos a partir del reporte.

MAQUINARIA MAYOR, MENOR Y VEHÍCULOS Para realizar los trabajos de las Etapas de Desarrollo y Conservación se cuenta con 37 máquinas mayores entre trituradoras, tractores,

recuperadoras,

motoconformadoras,

barredoras, compactadores,

cargadores y excavadoras, etc., así como 68 máquinas

menores

entre

torres

de

iluminación, reglas vibratorias, revolvedoras manuales, apisonadoras, equipos de lubricación, lavadoras de presión, rompedoras de

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO pavimento, soldadoras de combustión, tractores agrícolas, etc., y 54 vehículos entre autobuses de pasajeros, tractocamiones, camionetas estacas, camionetas pick-up, remolques oficina, camiones de volteo, camiones pipa de agua, etc.

CAPITAL HUMANO El personal dispuesto para el CPCC S.L.P.

por

COCONAL

lo

integran

450

personas, preferentemente originarios de la zona, está compuesto por Ingenieros Civiles, Licenciados en Administración de Empresas, Contadores

Públicos,

Licenciados

en

Sistemas, Superintendentes, Jefes de Frente, Sobrestantes carpinteros,

y

obreros

fierreros,

(albañiles,

operadores

de

maquinaria, choferes, etc.) entre otros. El efecto multiplicador de empleo en la Construcción y Conservación de Carreteras es de 7 y la derrama económica del 50% de los ingresos del contrato, por lo que las comunidades se ven beneficiadas en gran medida por proyectos plurianuales como éste.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO VENTAJAS PARA EL USUARIO 1.-Centro de Atención Telefónica Las 24 hrs. 365 días del año, con un número

gratuito

proporcionando

(01-800-camino9)

información

turística,

reporte de accidentes y asistencia vial, así también a través del número 074. 2.-Auxilio

Vial,

las

brigadas

trabajan permanentemente durante todo el año, atendiendo emergencias, fallas mecánicas, siniestros, resguardando el lugar de los accidentes. Se tienen centros de conservación cada 50 km para atender cualquier evento en menos de 30 minutos del reporte de la eventualidad. 3.- Calzada y derecho de vía limpio y libre de obstáculos. Tramos carreteros en óptimas condiciones y permanente conservación 4.-

Disminución de accidentes y auxilio

vial permanente. 5.- Señalamiento horizontal y vertical en perfecto estado. 6.- Confort y seguridad. 7.- Carreteras Libres de peaje. VENTAJAS PARA LA SCT 1.- Contrato plurianual por 7 años. 2.- Reducción de costos en los sistemas de conservación correctivo y preventivo de las carreteras y puentes, seguimiento constante a los sistemas de administración de infraestructura carretera como son: el HDM-4, SIPUMEX y SAIC. (Atención oportuna a los trabajos de conservación y mayor eficacia en la programación de recursos) 3.- Atención permanente contingencia.

para emergencias e incidencias en caso de

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO 4.- Actualización constante del banco de estudios y proyectos ejecutivos de reestructuración y evaluaciones de pavimentos. 5.- Se cuenta con dos empresas MYPIME, una de Ingeniería que tiene todo el desarrollo de estudios y proyectos ejecutivos en la conservación de manera integral y otra para la evaluación técnica de las acciones implementadas: se evalúan pavimentos, se hacen dictámenes de construcción y conservación, favoreciendo a la Dependencia y economizando el costo. 6.- Se ha logrado la identificación y explotación de bancos de materiales de origen basáltico para asegurar la calidad de los trabajos. 7.- Se han propuesto nuevas técnicas de estructuración de pavimentos más económicos y con mejoras estructurales. VENTAJAS COCONAL 1.- El contrato tiene la particularidad de ser plurianual y así se reducen costos por la permanencia de la empresa a largo plazo, evitando la rotación de personal y el retiro y vuelta del equipo. 2.- Optimización integral de recursos por trabajos programados, y de seguimiento, ya que la empresa es propietaria de estos sistemas (HDM4, SIPUMEX Y SAIC). 3.- Programación eficiente de los recursos con inversiones de largo plazo. 4.- Comunicación y discusión constante entre la Dependencia y Coconal para soluciones técnicas programables y problemas en tiempo y forma para optimizar el desarrollo del proyecto. 5.- Nueva tecnología con equipos de última generación. 6.- Estudio y determinación de bancos de basalto con excelente calidad.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO ETAPAS DEL CONTRATO DEL CPCC El proyecto de conservación CPCC-San Luis Potosí contempla tres etapas: PREPARATORIA

2 meses

DESARROLLO

3 años

CONSERVACION

4 años 7 años + 2 meses

Actualmente el CPCC se encuentra en la etapa de desarrollo. Etapas

Actividades Esta etapa inicia con la firma del CPCC y termina cuando la SCT

Preparatoria

entrega al Contratista cada uno de los Tramos del Paquete Carretero, en un plazo máximo de dos meses. Esta etapa inicia para cada uno de los Tramos cuando el Contratista

Desarrollo

obtiene el Certificado de Inicio y concluye cuando cumple con el 100% de los Estándares de Desempeño requeridos y recibe el Certificado de Cumplimiento, en un plazo máximo de 36 meses. La etapa inicia para cada uno de los Tramos cuando el Contratista obtiene el Certificado de Cumplimiento del Tramo y concluye al término del plazo del Contrato. En esta etapa el Contratista deberá

Conservación

cumplir con los Estándares de Desempeño de cada Tramo y de todo el Paquete, con excepción de los plazos en que se lleven a cabo Trabajos de reconstrucción. En el último año el Contratista deberá efectuar trabajos

para cumplir con

los

Requerimientos

Técnicos

a la

Devolución del Paquete Carretero a la SCT

ETAPA DE DESARROLLO Las acciones y actividades que realiza el Contratista durante esta etapa por cada Segmento y Tramo, son las establecidas en los Programas de Conservación y la propuesta del Contratista, e incluyen las obras y actividades necesarias para que cada uno de los Tramos del Paquete Carretero cumpla con los Estándares de Desempeño

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO ESTANDARES DE DESEMPEÑO Los Estándares de Desempeño que se utilizan para verificar la calidad de los Trabajos del Contratista son indicadores que se agrupan conforme a los siguientes elementos:

Número de

Elemento

indicadores

Corona

4

Terracerías

1

Drenaje

2

Señalamiento y dispositivos de seguridad

3

Puentes y pasos a desnivel

3

Funcionalidad del derecho de vía

2

Servicios de vialidad

2 17

Total

ESTANDARES DE DESEMPEÑO DE LA CORONA DEL CAMINO No.

1

2

Estándar / Nivel de

Indicador

Servicio

Índice de Rugosidad Internacional (IRI). En operación Roderas

en

pavimentos

asfálticos

corredores y Red Básica y Secundaria

En

2.81 máx.

Entre 15 mm y 20 mm

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO 3

Resistencia al deslizamiento. Coeficiente de fricción (m) Bacheo en pavimentos asfálticos o de

4

concreto hidráulico Bacheo aislado superficial y profundo

Entre 0.30 min. y 0.80 máx.

No

se

admiten

baches

calaveras. (Cero baches)

ACTIVIDADES REALIZADAS PARA CUMPLIR LOS ESTANDARES DE DESEMPEÑO DE LA CORONA Buscando innovar y darle la oportunidad a nuevos procesos constructivos, las principales tecnologías que ha utilizado COCONAL para cumplir los estándares de desempeño de la corona, consisten en: 

Bases estabilizadas con espuma asfáltica



Bases estabilizadas con emulsión funcionalizada



Mezclas densas de alto desempeño con asfaltos modificados con polímero



Capas de rodadura de alta calidad funcional tipo CASAA

BASES ESTABILIZADAS CON ESPUMA ASFALTICA Es una técnica que permite elaborar mezclas asfálticas, con procesos constructivos especializados, de muy alto rendimiento y ahorro energético, pueden usarse en reciclado en frío de pavimentos asfálticos y estabilización de suelos. El asfalto espumado se logra mediante un proceso, en el cual se inyecta una pequeña cantidad de agua y aire comprimido a una masa de asfalto caliente, dentro de una cámara de expansión. Lo anterior genera una espuma de manera espontánea y puede ser realizado tanto en sitio como en una planta central

ni

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO Esta técnica tiene su origen en 1956, cuando el profesor Ladis Csani de la Universidad Estatal de Iowa comenzó con estudios y pruebas. Después en 1960, se crea la primera cámara patentada para espumar y en 1966 se ofrece esta innovación al mercado en general. A partir de entonces,

se ha utilizado en diferentes países

alrededor del mundo con excelentes resultados.

Asfalto espumado en el proyecto del CPCC de SLP. En el 2011 se utilizó en el pavimento de la carretera Zacatecas, teniendo los siguientes datos: Km. 14+000 al km. 16+000, cuerpo “A” 

Longitud: 2000 m.



Ancho: 10.50 m.



Espesor de asfalto espumado: 0.22 m.



Espesor de carpeta: 0.06 m.



Capa de rodadura tipo CASAA de 0.03 m.



Periodo de ejecución de los trabajos 25 de octubre al 20 de noviembre.

CARRETERA: SAN LUIS POTOSI – ZACATECAS KM 14+000 AL KM 16+000 COLOCACIÓN ASFALTO ESPUMADO

CARRETERA:

Procedimiento SAN LUIS POTOSI –constructivo con el asfalto espumado ZACATECAS KM 9+580 AL 20+500

Localización

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Fresado de la superficie

Planta para asfalto espumado y emulsión asfáltica

Compactación de asfalto espumado

Producción de asfalto espumado

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Riego de impregnación

Tendido de base espumada

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSION ASFALTICA FUNCIONALIZADA La estabilización de bases con emulsión, utilizando materiales recuperados de la estructura existente, para posteriormente tratarlos con emulsión no es nueva, pero es una técnica en continuo desarrollo. Actualmente se utilizan emulsiones del tipo funcionalizado que

permiten

incrementar más rápidamente la cohesión de la mezcla, utilizando menores porcentajes de humedad. Su objetivo fundamental, como en el caso del asfalto espumado, es incrementar la capacidad estructural de un pavimento deteriorado.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO Recuperación y estabilización de bases con Emulsión Asfáltica en el proyecto del CPCC de SLP Algunos de estos trabajos se realizaron en la carretera Zacatecas, del km 9+580 al 14+000 y del km 16+000 al 20+600. Teniendo espesores de 20 cm en la base, 10 cm en la carpeta y 3cm de CASAA.

Procedimiento constructivo de la recuperación en sitio con emulsión asfáltica

Fresado y recuperación del material existente, incorporación de la emulsión asfáltica y material de aporte, compactación profunda con rodillo pata de cabra.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Afine y nivelación de la superficie para

Compactación final con rodillo metálico

eliminar las huellas del rodillo pata de cabra

MEZCLAS DENSAS DE ALTO DESEMPEÑO CON ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMERO EN EL PROYECTO CPCC - SLP Se han obtenido resultados significativamente favorables en las obras donde se usan asfaltos polimerizados. Vinculados a nuevas metodologías de diseño y buenas prácticas

constructivas.

Los

principales

beneficios

que

aportan

los

asfaltos

modificados con polímero a las mezclas asfálticas consisten en incrementar su resistencia a agrietamientos por fatiga y térmicos, a deformaciones permanentes (roderas) y disminuir la susceptibilidad a la humedad.

Procedimiento constructivo de las mezclas densas de alto desempeño

Fabricación de mezcla asfáltica

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Tendido de carpeta asfáltica

Compactación de carpeta asfáltica

CAPAS DE RODADURA DE ALTA CALIDAD FUNCIONAL TIPO CASAA Hoy en día el usuario de la carretera exige superficies de rodamiento con mayor calidad funcional como es el caso de la resistencia al derrape en seco y en mojado, más silenciosas, menor pulverización (rociado) de agua durante la precipitación pluvial, mayor visibilidad, menor resistencia a la rodadura para disminuir el consumo de combustible, menor desgaste de los neumáticos, menores daños a los vehículos. Estas exigencias han impulsado el uso de las capas delgadas de rodadura de alta calidad funcional sobre las capas de mezcla densa utilizadas como capas de rodadura y sobre otros tratamientos superficiales. Las capas de rodadura de alta calidad funcional pueden ser aplicadas sobre concreto asfáltico, concreto hidráulico o sobre otros tratamientos superficiales existentes.

Capas de rodadura CASAA en el proyecto del CPCC de SLP

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO En el CPCC de SLP se han colocado capas de rodadura tipo CASAA (capa asfáltica superficial altamente adherida) sobre superficies de concreto hidráulico y de concreto asfáltico. En estos casos el CASAA se aplicó sobre superficies asfálticas, Y sobre superficie de concreto hidráulico, en la carretera SLP-Matehuala del km 107+000 AL km. 165+000

Procedimiento constructivo de las capas de rodadura CASAA

TENDIDO DE CARPETA Y COMPACTACION DE CASAA

PAVIMENTO REHABILITADO UTILIZANDO LAS TECNOLOGIAS DESCRITAS A continuación se muestran algunos resultados de los indicadores de desempeño, medidos antes y después de las aplicaciones. Así mismo, en las fotografías se pueden apreciar las condiciones, antes y después de la rehabilitación, de uno de los tramos rehabilitados en el que se utilizaron las tecnologías citadas.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO RESULTADOS DE INDICADORES DE DESEMPEÑO San Luis Potosi - Matehuala Año 2011 2012

IRI Baja 2.57 1.40

Alta 2.45 1.33

km 107+000 - 165+000 PR Baja Alta 5.14 7.79 2.89 3.74

CF Baja 0.11 0.68

Alta 0.26 0.65

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

TRABAJOS CARRETERA 49. SAN LUIS - ZACATECAS ANTES

DESPUES

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO CONLUSIONES 

El CPCC de SLP está cumpliendo satisfactoriamente los objetivos de mejorar sustancialmente el servicio a los usuarios, incrementando su seguridad y confort, permitir a la SCT ser más efectiva en el uso de los recursos, reduciendo los costos en los sistemas de conservación correctivo y preventivo de la red, con atención oportuna a los trabajos de conservación y mayor eficacia en la programación de recursos



Este tipo de contratos CPCC plurianuales y con responsabilidad directa del constructor en los estudios, diseño, proyecto ejecutivo y ejecución de los trabajos de restructuración y conservación de pavimentos, así como de la conservación periódica y programable, con orientación a resultados y mecanismos de evaluación y principalmente a la comodidad, seguridad y satisfacción al usuario, sus beneficios son tangibles y medibles, permitiendo la inversión a largo plazo y la aplicación de nuevas tecnologías y la utilización de maquinaria de última generación que redundan en calidad, durabilidad y reducción de costos

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO BIBLIOGRAFIA 

Conservación de carreteras federales libres de peaje.- Ing. Arturo M. Monforte Ocampo.



Taller informativo del CPCC de SLP.- Dirección General de Conservación de Carreteras.



Proyecto de referencia CPCC de SLP.- Dirección General de Conservación de Carreteras



Technical Guideline: Bitumen Stabilised Materials (TG2).- Asphalt Academy.



Mezclas densas de alto desempeño.- Asociación Mexicana del Asfalto.



Capas de rodadura de alto desempeño.- Asociación Mexicana del asfalto.

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO (AMAAC)

“Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México” Dr. Raúl Vicente Orozco Santoyo Perito en Geotecnia y en Vías Terrestres Académico Titular-AI Cancún, Q. Roo Ago, 2013

CUALIDADES DEL PAVIMENTO

DURABILIDAD

RUGOSIDAD

COMODIDAD

RIGIDEZ

ECONOMÍA

FLEXIBILIDAD

S E G U R I D A D

APOYO FIRME Y HOMOGÉNEO TERRENO DE CIMENTACIÓN

2

ELEMENTO DE PROCESO BÁSICO PARA EL DESARROLLO DE RED MULTICAPA

RED NEURONAL ARTIFICIAL

V A R I A B L E S

x1

x2

xn Entradas

w1

w2

S

f(S)

wn Pesos de conexión

Sumatoria

Función de transferencia

DETERMINACIÓN DE LOS MÓDULOS ELÁSTICOS EN LOS PAVIMENTOS

3

Aeropuerto Durango, Dgo.

FWD (Falling Weight Deflectometer) Dic 1992 KUAB

Placas de carga para aeropistas (45 cm) y carreteras (30 cm), KUAB

Autopista México - Querétaro

HWD (Heavy Weight Deflectometer) Jun 1998 DYNATEST

Sismómetros cercanos a la placa de carga, antes de abrir la compuerta de medición de desplazamientos verticales (KUAB)

4

Deformómetros fijos de impacto de alto rendimiento

5

Deformómetro rodante pesado de rebote elástico

6

Deformómetro rodante ligero de rebote elástico

7

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO (AMAAC)

“Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México” Dr. Raúl Vicente Orozco Santoyo Perito en Geotecnia y en Vías Terrestres Académico Titular-AI Cancún, Q. Roo Ago, 2013

IRI, m/km

2

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.0

3

Simulador Vehicular Pesado (HVS)

Equipo completo

Ruedas para simulación

Rueda en proceso

Resultado final

4

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO (AMAAC)

“Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México” Dr. Raúl Vicente Orozco Santoyo Perito en Geotecnia y en Vías Terrestres Académico Titular-AI Cancún, Q. Roo Ago, 2013

CONCRETO ZEOLÍTICO NORMAL (TABASCO)

Ago 2010

Ago 2010

Ago 2010

Ago 2010 2

CONCRETO ZEOLÍTICO NORMAL (TABASCO)

Ago 2010

SIN ZEOLITA (2007)

Ago 2010

CON ZEOLITA (2010) 3

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO (AMAAC)

“Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México” Dr. Raúl Vicente Orozco Santoyo Perito en Geotecnia y en Vías Terrestres Académico Titular-AI Cancún, Q. Roo Ago, 2013

CONCRETO ZEOLÍTICO NORMAL (TABASCO)

Oct 2011

2

CONCRETO ZEOLÍTICO NORMAL (MORELIA)

3

CONCRETO ZEOLÍTICO NORMAL (MORELIA)

4

CONCRETO ZEOLÍTICO ESPECIAL (LEÓN, GTO.)

5

CONCRETO ZEOLÍTICO ESPECIAL (LEÓN, GTO.)

6

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO (AMAAC)

“Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México” Dr. Raúl Vicente Orozco Santoyo Perito en Geotecnia y en Vías Terrestres Académico Titular-AI Cancún, Q. Roo Ago, 2013

PAVIMENTO CON SECCIÓN INVERTIDA

2

Cuencas de Desplazamiento Vertical Típicas

CONCRETO RÍGIDO CAPAS RIGIDIZADAS

h = Espesor

E = Módulo elástico

CAPAS NO RIGIDIZADAS

h 1, E 1 , m 1

h2 , E 2 , m 2

h3 , E 3 , m 3

m = Relación de Poisson CAPAS BLANDAS

d = Desplazamiento vertical (Deflexión)

d

hn , E n , m n

3

Perfiles de Desplazamientos Verticales PERFILES DE DESPLAZAMIENTOS VERTICALES Obtenidos de IMPACTO Impacto OBTENIDOScon CONel ELDeformómetro DEFORMÓMETRO DE

S = Sismómetro S1

0.2

DESPLAZAMIENTO VERTICAL (DEFLEXIÓN) milímetros

0.4

S2

S3

S4

S5

S6

S7

CONCRETO RÍGIDO HIDRÁULICO

h1 , E1 , m1

CAPAS RIGIDIZADAS

0.6

(PI)

h2 , E2 , m2

0.8 1.0 1.2

CAPAS NO RIGIDIZADAS

1.4

(PI)

h3 , E3 , m3

Punto de Inflexión

1.6

hn , En , mn

1.8 2.0

CAPAS BLANDAS 10

4

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

SEPARACIÓN (centímetros)

120

130

140

150

160

170

180

Ie

PREVENCIÓN DE LA FATIGA EN PAVIMENTOS

ni

ni

10

8

REHABILITACIÓN

CAPACIDAD DE CARGA RELATIVA Calificación Estructural (Ce )

N

0.1

(Reforzamiento)

ADMISIBLE

(Recuperación) in situ

6 0.3 INADMISIBLE

DETERIORO CRÍTICO POR FATIGA

RECONSTRUCCIÓN

4 NÚMERO DE REPETICIONES DE CARGA

I e = Índice Estructural

N = Período de proyecto

(tiempo, vida) ni = Vida residual

5

CONSERVACIÓN DE PAVIMENTOS SEGUROS Y CONFORTABLES DURABILIDAD DETERIORO EXTREMO (Reconstruir)

NIVEL DE CALIDAD (Mantener)

DETERIORO INCIPIENTE (Rehabilitar)

(Alargar)

F A T I G A (Prevenir)

CIMENTACIÓN HOMOGÉNEA

6

NIVEL DE CALIDAD (GEOMETRÍA, ACABADOS, MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS)

PAVIMENTO CONSTRUCCIÓN (ASEGURA)

OPERACIÓN (VIGILA)

PROYECTO (ESTABLECE)

CONSERVACIÓN (MANTIENE)

SUPERVISIÓN (VERIFICA)

CONTROL DE CALIDAD (CERTIFICA)

(ESTÉTICO, SEGURO Y ECONÓMICO)

ESTUDIOS (ANALIZA) PLANIFICACIÓN (DEFINE)

7

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO (AMAAC)

“Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México” Dr. Raúl Vicente Orozco Santoyo Perito en Geotecnia y en Vías Terrestres Académico Titular-AI Cancún, Q. Roo Ago, 2013

ESTRUCTURACIÓN DE PAVIMENTOS

TRATAMIENTO SUPERFICIAL (Riego de sello, Carpeta drenante, …)

SUBRASANTE SUBYACENTE T E R R A C E R Í A S

ALQUITRÁN DE HULLA

EMULSIÓN ASFÁLTICA

(CEMENTO PORTLAND, (CEMENTO AZUFRE,…) PORTLAND)

CEMENTO ASFÁLTICO

SUBBASE

P É T R E O S

F U N D I C I Ó N

(CEMENTO (CEMENTO ASFÁLTICO ASFÁLTICO) O ALQUITRÁN DE HULLA)

CAL

BASE

E S C O R I A DE

CEMENTO PORTLAND

C A P A

A G R E G A D O S

SIN TRATAR

RODAMIENTO

P A V I M E N T O

C (ASFÁLTICO) O (ASFÁLTICO) N C PORTLAND R E T (HIDRÁULICO) OTRO O

SUELO COMPACTADO SIN TRATAR

TRATADO

SUELO Y/O FRAGMENTOS DE ROCA

TERRENO NATURAL

Figura 5.3 ESTRUCTURACIÓN DE PAVIMENTOS

2

RIGIDEZ “IN SITU” DE MATERIALES 2

“ MÓDULO ELÁSTICO ” (E), kg/cm RECOMENDADO

OBTENIDO *

RELACIÓN DE POISSON ( m)

ASFÁLTICO

30,000 a 40,000

5,000 a 60,000

0.35

PORTLAND

250,000 a 400,000

150,000 a 450,000

0.15 a 0.20

COMPACTADO

70,000 a 120,000

40,000 a 100,000

0.25 a 0.35

BASES

3,000 a 5,000

1,500 a 4,000

GEOMATERIAL

CONCRETO

SUELOS GRUESOS

0.40 SUB-BASES

SUELOS FINOS

SUB-RASANTE Y CAPAS INFERIORES

2,000 a 4,000

700 a 2,000

300 a 1,500

70 a 1,000

0.45

* A partir de mediciones con el "deformómetro de impacto" (FWD y HWD)

3

ÍNDICE ESTRUCTURAL (Ie) CARRETERA VILLAHERMOSA-ESCÁRCEGA km 37

SEPARACIÓN DEL SENSOR, m DEFLEXIÓN (), mm

5

6

7

4 3 pi

2

1

pi

4

ÍNDICE ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

CALIFICACIÓN ESTRUCTURAL (Ce) 10 9 8 7 6 5

Excelente Muy buena Buena Regular Mala Pésima

ÍNDICE ESTRUCTURAL (Ie) 0 a 0.05 0.05 a 0.1 0.1 a 0.2 0.2 a 0.3 0.3 a 0.4 > 0.4

SOLUCIÓN A CONSIDERAR Tratamiento Superficial Reforzamiento Recuperación in situ

5

LAVADEROS Y “BORDILLOS” INÚTILES

6

AGUA SUPERFICIAL

TEJOCOTAL – NUEVO NECAXA

7

FLUJO DE UNA CAPA DRENANTE

REF. Seepage, Drainage and Flow Nets (Cedergren, 1967)

8

MANEJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA

TERRENO NATURAL

CL CORONA DEL CAMINO

CORTE

DIRECCIÓN DE FLUJO SIN DRENES DIRECCIÓN DE FLUJO CON DRENES

9

MANEJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA TERRENO NATURAL TERRAPLÉN

TERRAPLÉN

TERRENO NATURAL

CAPA DRENANTE RELLENO CAPA DRENANTE

RELLENO

TUBERÍA

TUBERÍA 4m

b.- Trinchera llevada hasta un estrato firme combinando drenaje y apoyo

a.- Trinchera bajo el terraplén

RELLENO TERRENO NATURAL

BERMA

TERRENO NATURAL CAPA DRENANTE

COLECTOR LONGITUDINAL CAPA DRENANTE TUBO DE DESCARGA TRANSVERSAL c.- Trinchera integrada al terraplén

10

d.- Trinchera de berma lateral, mostrando un tubo de descarga transversal

DIAGRAMA “CAS” – CURVAS ISOCARACTERÍSTICAS DEL MÓDULO DE RESILIENCIA 82

Sr =1

81

00

Sr

Mr = 3,500

=9

80

0

=8 0

COMPACIDAD ( C ), %

Sr

79

2,800 78

77

2,100

76

1,400 75

700 74

Esfuerzo desviador = 1.4 t/m2 Presión confinante = 2.1 t/m2 (1000 aplicaciones, 0.1 s , 20 rpm)

Mr = Módulo de resiliencia, kg/cm2 Sr = Grado (relación) de saturación, %

73 4

5

6

7

8

9

10

11

CONTENIDO DE AGUA ( w ), %

Figura 7.2 DIAGRAMA "CAS" – CURVAS ISOCARACTERÍSTICAS DEL MÓDULO DE RESILIENCIA (Modificado de Monismith, 1992)

11

Comparativa de mediciones de ruido generado en carreteras con carpeta de pavimento rígido vs pavimento flexible. Guadalupe LÓPEZ, [email protected]; Daniel RANGEL, [email protected]. INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE – División de Laboratorios de Infraestructura: Grupo Mecánica de Suelos y Materiales Granulares. Resumen El ruido ambiental es el resultado de la suma del ruido generado por distintas fuentes y actores, entre los cuales podemos mencionar vehículos, tránsito, velocidad de conducción, tipo y condiciones de superficie de rodamiento, la existencia o no de barreras para la propagación o disipación de ruido incluso fauna y actividades urbanas, entre varios otros. El ruido generado por el tránsito vehicular en una carretera tiene tres fuentes principales: el contacto de la llanta con la carretera, el motor del vehículo y por el sistema de emisión de gases (sistema de escape) del mismo. El entendimiento y estudio de esta interacción proporciona conocimientos precisos sobre cómo se genera y claves para la mitigación del ruido. El ruido generado entre la interacción llanta – superficie (pavimento) es aun objeto de estudio en muchos países, sobre todo en la Unión Europea, sin embargo no así en México. El presente trabajo muestra un estudio comparativo realizado en campo donde se mide la intensidad – en niveles de Leq(A) – de ruido ambiental generado a través de sonómetro, debido al tránsito en carreteras para dos condiciones distintas de superficie (pavimento flexible y pavimentos rígidos), estableciendo el efecto de esta variable en la generación del ruido y su comparación con estándares internacionales de niveles de ruido permitidos en carreteras como un Índice Ambiental de Ruido (IAR). Palabras Claves: contaminación acústica; ruido llanta – pavimento; mitigación de ruido.

I.

INTRODUCCIÓN

Desde hace años, el ruido se ha convertido en un factor contaminante constante en la mayoría de las aglomeraciones urbanas, convirtiéndose en la actualidad en un grave problema a la salud humana con efectos fisiológicos, psicológicos, así como problemas económicos y sociales. El ruido se localiza entre los principales impactos ambientales del sector transporte de acuerdo a la OCDE. El ruido en carreteras es generado en conjunto por el sistema del vehículo que transita (motor, ventilador, escape, entre otros), por su movimiento (contacto de la llanta sobre pavimento) y el ruido aerodinámico que se produce por su paso. A las velocidades límites de las carreteras (80-110 Km/h) el ruido aerodinámico es despreciable, por lo que el ruido en movimiento se atribuye principalmente al sistema del vehículo y a la interacción llanta-pavimento. Esta interacción es determinante en el tránsito por carreteras, ya que mientras el ruido debido al sistema motor es relativamente constante e independiente de la velocidad, el ruido llanta-pavimento aumenta entre 8 y 12 dB(A) cada vez que se dobla la velocidad. Esto hace que a velocidades alrededor de los 50-60 Km/h la principal fuente de ruido es la del movimiento, y causante de la totalidad del ruido generado a velocidades superiores de 70-80 Km/h.

1

El impacto sonoro de una carretera es producto de los niveles de inmisión que se originan en su entorno en función del nivel emitido y de las condiciones de propagación entre emisor y receptor. La emisión sonora de una carretera depende de varios factores, siendo los elementos de mayor contribución en la generación del ruido por tránsito vehicular el motor, la rodadura y el ruido aerodinámico, y las variables como el numero de vehículos, la forma de conducción, entre otros. El impacto más fuerte se identifica en zonas próximas a las ciudades, por ser áreas donde la probabilidad de causar efectos a los receptores de la contaminación acústica, es mayor. El análisis sobre las propiedades, ventajas o desventajas del uso del concreto hidráulico sobre el empleo de carpetas asfálticas no es objetivo de este trabajo y esta fuera del alcance del mismo. El presente, sólo muestra los resultados de la medición de la generación de ruido en carreteras en carpeta asfáltica comparado con el generado en concreto hidráulico, así como su análisis como factor en la gestión integral del impacto ambiental en la infraestructura de caminos y carreteras.

II.

MARCO TEORICO

II.1 Generalidades II.1.1 Definición de Ruido y Nivel de Presión Sonora (Leq) El ruido es un contaminante físico que consiste en una mezcla compleja de sonidos de frecuencias diferentes, que produce una sensación auditiva considerada molesta o incómoda y que con el paso del tiempo y por efecto de su reiteración puede resultar perjudicial para la salud de las personas. Refiriéndonos solamente al campo de la acústica, es cualquier sonido espectro continuo complejo y que es percibido como molesto. Las presiones acústicas a las que el oído humano es sensible, varían en un intervalo muy amplio. Así, el umbral inferior de la audición humana (la presión acústica mínima que provoca una sensación auditiva) es de 2X10-5 pascales (Pa), y el umbral máximo es de alrededor de 20 Pa. La manipulación de valores que cubren éste campo varía tanto que se recurre a una escala logarítmica, utilizando el decibelio (dB) como unidad de medida. Un oído humano es capaz de percibir y soportar sonidos correspondientes a niveles de presión sonora entre 0 y 120 dB., este último marca el denominado umbral del dolor auditivo. El oído humano no es sensible de la misma manera a las diferentes frecuencias, así que se han definido una serie de filtros de ponderación para poder reflejar un nivel sonoro representativo de la sensación del ruido que realmente se recibe. Los filtros más conocidos son denominados A, B, C y D. El filtro utilizado en el dominio del ruido del transporte es el A, y los niveles de presión sonora utilizados se miden en decibelios A [dB(A)] y se menciona como “ponderación A”. El grado de exposición de los seres vivos a niveles de ruido altos en tiempos prolongados, ha resultado ser una causa grave en las afecciones a la salud humana y del deterioro de los ecosistemas naturales. Un indicador acústico ampliamente utilizado y al que se refiere la normativa en materia de ruido es el de nivel de presión sonora continuo equivalente: Leq(t). Éste 2

índice expresa la media de la energía sonora percibida por un individuo en un intervalo de tiempo, es decir, representa el nivel de presión que habría sido producido por un ruido constante con la misma energía que el ruido realmente percibido, durante el mismo intervalo de tiempo. Y se acompaña siempre de la indicación del período de tiempo al que se refiere. Existen otros índices acústicos estadísticos, como L10 y L50, que se refieren al nivel alcanzado o sobrepasado durante el 10% y el 50% del tiempo de medición, respectivamente. El L50 también se conoce como la mediana estadística y representa el ruido medio. II.1.2 Contaminación acústica Desde hace años el ruido se ha convertido en un factor contaminante constante en la mayoría de las ciudades, suponiendo en la actualidad un grave problema con efectos fisiológicos, psicológicos, económicos y sociales. Se trata equivocadamente como un mal menor, aunque es muy difícil de caracterizar; no es constante en el tiempo ni en el espacio, no amenaza la vida de las personas a corto plazo y no degrada el medio de modo tan evidente como lo hacen otros tipos de contaminantes. El principal causante de la contaminación acústica es la actividad humana. El ruido aparece como un problema de la contaminación acústica urbana, como consecuencia de la Revolución Industrial y del desarrollo de nuevos medios de transporte con el crecimiento de las ciudades. Fue en el año de 1972 cuando la Organización Mundial de la Salud (OMS) catalogó el ruido como una forma más de contaminación. Actualmente es considerado uno de los contaminantes ambientales más molestos y que más inciden sobre el bienestar de los ciudadanos, pero sigue siendo la contaminación la menor regulada de todas las existentes. El ruido es un contaminante cuya producción es la más barata y su emisión requiere muy poca energía. Su medición y cuantificación es compleja, además de no generar residuos, no produce un efecto acumulativo en el medio amiente aunque sí puede producirlo en el hombre. Su radio de acción es inferior al de otros contaminantes, ya que no se propaga mediante los sistemas naturales como otros contaminantes del aire que se dispersan por acción del viento. Por último, es percibido únicamente por el sentido del oído, esto hace que sus efectos como contaminante sean subestimados. Estudios realizados en diferentes países han demostrado que el 80% de la contaminación acústica es causada por el tráfico vehicular en las ciudades, debido a la mala distribución funcional del territorio y el desarrollo urbano disperso, esto ha llevado a la creación de una extensa red de calles y avenidas que enlazan las distintas zonas de la ciudad por las que circulan de forma constante e ininterrumpida los diferentes medios de transporte. Para cubrir las necesidades públicas, se ha producido un aumento exponencial de los medios de transporte y de su utilización, provocando un sensible incremento de los niveles de ruido de fondo en los ambientes exteriores, principalmente en los núcleos urbanos. A lo anterior, sumamos factores como el recubrimiento de los caminos que tiene influencia en el ruido que se genera.

3

La Organización Mundial de la Salud (OMS), manifiesta algunas afectaciones sobre la contaminación acústica, como lo son daños psicológicos, disminución de la concentración, afectación de manera negativa a la efectividad y la productividad; menciona también que puede aumentar la frecuencia de accidentes de trabajo, la irritabilidad y los estados histéricos y neuróticos, así como ocasionar síntomas fisiopatológicos como aceleración de la respiración y del pulso, aumento de la presión arterial, disminución del peristaltismo digestivo, problemas neuromusculares que ocasionan dolor y falta de coordinación, disminución de la visión nocturna, aumento de la fatiga, entre otros. Puede también ocasionar lesiones irreparables como la sordera que se va desarrollando de forma crónica y permanente. La OCDE establece niveles máximos recomendados para ruido en carreteras nuevas y existentes para día y para la noche en zonas donde que puedan afectar la salud humana debido a la contaminación acústica. Tabla 1. Niveles aceptables de ruido en carreteras propuestos por la OCDE. Leq (día) Carretera nueva 60 +5 dB(A)

Leq (noche) Carretera existente 65 +5 dB(A)

Carretera nueva 50 - 55 dB(A

Carretera existente 55 - 60 dB(A)

II.2 Generación de ruido por tránsito El ruido generado por el tráfico es una secuencia temporal de la suma de niveles sonoros variables emitidos por el ruido aerodinámico de los vehículos que transitan, las características de la superficie (ruido de rodadura) y el ruido que genera el vehículo (ruido motor). Las variaciones en la generación de la intensidad en cada una de estas fuentes depende de factores como la velocidad, el tipo de motor, la fricción al contacto con el suelo, etc. Por ejemplo, con el aumento de la velocidad, se tienen incrementos en el nivel sonoro siendo a altas velocidades (120 Km/h) donde cobra relevancia, sin embargo, el impacto en este es más bien dentro del vehículo que fuera del mismo. Se describe brevemente qué es el ruido de motor, el de rodadura y el aerodinámico, siendo de mayor interés para este estudio los dos primeros. - Ruido motor: Es el ruido generado por el conjunto de la admisión, el bloque de motor y el escape del vehículo. Es la fuente más obvia de contaminación acústica y ésta relacionada a los vehículos con motor de combustión interna. El ruido predomina a bajas velocidades y depende de la carga del motor y de la velocidad de giro. Con las innovaciones tecnológicas, el diseño de nuevos motores, especialmente en los vehículos ligeros, ha hecho que el factor de carga no tenga relevancia en el aumento del ruido que se genera, sobre todo a regímenes bajos de motor (ralentí). Sin embargo, es relevante en vehículos pesados y en motocicletas, y va en aumento conforme a los años de uso. 4

- Ruido de rodadura: Es el producido por el contacto llanta – pavimento, es apreciable y se considera relevante a partir de velocidades medias (40-60 Km/h); la intensidad depende de la velocidad del vehículo y se ve influenciado por el modo de conducción como frenado, aceleración y curvas. A parte de la velocidad, este ruido es principalmente condicionado por el contacto de la llanta con la superficie (pavimento). - Ruido aerodinámico: Es generado por la turbulencia del medio (aire) por el paso del vehículo. Es de importancia a velocidades mayores (>120 Km/h) y se manifiesta principalmente al interior del vehículo. La minimización de este tipo de ruido ha sido prioridad para la industria manufacturera de vehículos con muy buenos resultados. Se tienen otras contribuciones de ruido por los sistemas auxiliares, como lo son sistemas de ventilación, enfriamiento del motor, frenado, elevadores o sistemas de apertura de puertas (v.g. transporte público), etc. Sin embargo, estas fuentes no tienen un espectro ni una velocidad predominante, y tienen un efecto muy puntual en la generación de ruido. Dentro de estos podemos considerar también bocinas, sirenas y equipos de sonido (música). Estos sistemas no suelen considerarse en el cálculo de la emisión global del ruido por vehículos, aunque no se descarta que igualmente sean fuentes de contaminación acústica y generan molestias a quienes lo perciben. La OCDE manifiesta que existe un predominio del ruido generado por los medios de transporte en relación con las demás fuentes de ruido y, que dependiendo del desarrollo país en particular, entre el 15 y el 40% de la población está sometida a niveles de ruido superiores a 65 dB(A) procedentes del tráfico vehicular. Con lo que respecta al ruido por ferrocarriles es el 1,7% y al transporte aéreo, más del 1% de la población que está expuesta a estos niveles. Los reglamentos de la Administración Federal de Carreteras (FHWA, por sus siglas en ingles) en referencia al nivel de contaminación acústica en las autopistas/carreteras, requieren la realización de estudios sobre el ruido al construir autopistas nuevas o al cambiar o ampliar las ya existentes. Los estudios sobre el ruido ayudan a identificar zonas de actividad que pueden ser afectadas por el ruido del tráfico, determinando los niveles de sonido ya existentes y generan una base para la predicción de niveles en un futuro. En base a estos, se pueden evaluar maneras de reducir el impacto del sonido.

II.2.1 Ruido llanta – pavimento El ruido de rodadura es el generado de la interacción llanta – pavimento, y se caracteriza por tener distintas contribuciones en como se genera y en la propagación, pudiendo ocurrir fenómenos de amplificación o reducción. Existen tres fenómenos involucrados en la generación de este tipo de ruido: mecánicos y aerodinámicos. II.2.1.1 Fenómenos Mecánicos 5

Las vibraciones originadas por las excitaciones mecánicas de superficie sólidas, son la principal causa de la generación de la radiación acústica (sonido). La generación mecánica del ruido tiene dos componentes: vibraciones radiales y tangenciales (Figura 1), ambas originadas por los impactos y choques resultantes del contacto del perfil de la llanta y la superficie.

Figura 1. Excitación mecánica de la llanta por contacto con el pavimento

La dureza, tanto de la llanta como de la superficie de contacto, define el contenido de frecuencias de las fuerzas de excitación generadas. Este parámetro esta condicionado por el tiempo del contacto del choque y las vibraciones que se generan al contacto. Cuanto mas rígidas sean las superficies el tiempo de contacto será menor, por lo que el rango de frecuencia de las fuerzas de excitación generará ruido con un contenido de frecuencia más ancho. Un aspecto importante es la capacidad de amortiguamiento que tiene el material que conforma la llanta, ya que a mayor amortiguamiento, menor será el movimiento que tendrán las superficies vibrantes y menor el ruido generado. Con respecto al pavimento, se ha encontrado que la textura de este (Sandberg, 1980) tiene una relación directa con el nivel de ruido emitido para bajas frecuencias y texturas entre 10 y 500 mm. Para texturas entre 0.5 y 10 mm la relación entre el nivel de ruido a altas frecuencias y la textura también guardan proporción para en manera inversa, es decir, a más textura menos ruido. II.2.1.2 Fricción Dentro de los fenómenos mecánicos están los de fricción. Los procesos de fricción tienen que ver con la adhesión entre el pavimento y la llanta. Es un proceso mecánico que presenta fenómenos donde ocurren fenómenos de adhesión y fricción debido a los movimientos en micro escala que presentan la figura o huella de la llanta al contacto con el pavimento generando ruido que contribuye al de la rodadura llamados stick-slip y stick-snap. Figura 2. El efecto stick-slip se asocian a mecanismos de fricción, por lo que las superficies con coeficientes de fricción mayores suelen tener incrementos de nivel de ruido debido a este fenómeno. Al contrario, los efectos de stick-snap están asociados a mecanismos de adhesión, por lo que

6

mayores rugosidades disminuyen la probabilidad de que ocurran estos fenómenos y por tanto el ruido generado puede ser menor.

Figura 2. Excitación mecánica de la llanta por contacto con el pavimento

II.2.1.3 Fenómenos Aerodinámicos La contribución de tipo aerodinámico se relaciona con el flujo de aire impulsado durante el movimiento de la rueda y la interacción de las cavidades en el perfil de la llanta. Figura 3.

Figura 3. Flujo de aire por la compresión de las cavidades en la llanta.

Uno de los mecanismos más importantes (Kuijpers, 2001 y Sandberg, 1980) en la generación de ruido es la compresión del aire impulsado por el movimiento de la llanta y dirigido hacia el suelo. Este fenómeno se conoce como “air pumping” y es condicionado por la resistencia del pavimento al paso del aire a través de él. La llanta, en su movimiento de avance se comporta como una bomba que comprime el aire contra la superficie plana que forma el pavimento. Cuando el pavimento es muy denso (reflectante) la presión que alcanzan estos puntos aumenta y por lo tanto el nivel de ruido generado es mayor que si el pavimento tuviera una menor resistencia al paso del aire a su interior. Esto es lo que ocurre con los asfaltos porosos, y es la razón por la que disminuyen el ruido. 7

Otra contribución al ruido aerodinámico es la resonancia del aire dentro de la llanta (resonancia de Helmholz), donde el volumen del aire que existe en el interior del neumático actúa como muelle comprimiendo la masa de aire que existe entre la cavidad interior y el aire exterior. Su contribución depende del tamaño de la llanta y de las dimensiones de la rueda. Por último, también se tienen una contribución por parte de los canales dispuestos en la huella de la llanta para el drenaje de agua. Estos canales simulan los conductos de una flauta, y producen sonido en virtud a su longitud. Generalmente, las distribuciones asimétricas de los canales y figura de la huella de la llanta hacen que la energía sonora no se concentre en una frecuencia sino que se disperse a rangos más amplios. II.2.2 Textura y regularidad superficial. El pavimento tiene dos propiedades relacionadas estrechamente con la generación de ruido, una es la textura y otra es su regularidad superficial. Sobre la textura encontramos que esta se divide en tres: la microtextura (irregularidades menores a 0.5 mm), la macrotextura (irregularidades entre 0.5 a 50 mm) y la megatextura (mayor a 0.5 m) contraste, el pavimento de asfalto de drenaje usa una mezcla de asfalto nivelado abierto, la cual elimina los aglomerados de la gradación intermedia para obtener una mayor mezcla de porosidad. Figura 4.

Figura 4. Relación del ruido con la porosidad de la superficie. La microtextura es necesaria para conseguir una buena adherencia. La macrotextura es necesaria para mantener esa adherencia a altas velocidades o con el pavimento mojado. La macrotextura mejora también la visibilidad con pavimento mojado, elimina o reduce los fenómenos de reflexión de la luz, que tienen lugar en los pavimentos lisos mojados, y mejora la percepción de las marcas viales. Por contra, los pavimentos rugosos, con fuerte macrotextura, producen un mayor desgaste de los neumáticos y suelen resultar ruidosos. La megatextura y la irregularidad superficial resultan indeseables. Inciden negativamente sobre la comodidad y aumentan el ruido de rodadura, los gastos de mantenimiento de los vehículos y los gastos de conservación de la vía. Figura 5. 8

Figura 5. Clasificación del perfil según AIPCR.

II.3 Pavimentos baja sonoridad o silenciosos El término de pavimento silencioso es referido a cualquier pavimento que produce menos ruido que algún otro debido al tránsito sobre el mismo. Los pavimentos silenciosos no se limitan a asfaltos o concretos, pero sí a la incorporación de prácticas conocidas para hacerlos más silenciosos. Tradicionalmente los pavimentos han sido diseñados y construidos para incorporar tres factores importantes: seguridad, durabilidad y costos, los factores ambientales como la generación de ruido no habían sido incluidos en este balance.

Figura 6. Rango de ruido y diferentes superficies de pavimento.

9

Lo que hace a un pavimento silencioso o ruidoso son dos componentes primordiales, la textura y la porosidad (Figura 6). La textura debe de ser aplanada o negativa con respecto a la superficie de rodamiento. Como regla, la textura que tenga cualquier pavimento presentado como silencioso debe de ser orientada negativamente (puntos abajo). El desempeño del ruido de un pavimento es medido a través de dos métodos comúnmente utilizados, uno es el On-board sound intensity (OBSI, por sus siglas en inglés) (Figura 7) y el otro es sobre el borde del camino (Figura 8). La metodología OBSI mide el ruido a centímetros de donde se produce por el contacto de la llanta con el pavimento y es más enfocado a la generación de ruido por esta interface. Y la metodología sobre el borde del camino, mide los niveles de ruido a 7.5 m hasta 15 m desde la línea central del carril exterior y los niveles que se miden son representativos de quienes son sometidos a los niveles de ruido que se generan en conjunto por el flujo de vehículos en la carretera. Ya que permite evaluar el ruido debido al contacto entre el neumático y la superficie de la carretera a una distancia lejana, de esta forma además de valorar la generación se valora la propagación acústica.

Figura 7. Sistema On-board sound intensity (OBSI).

Figura 8. Mediciones sobre el borde del camino.

10

III.

METODOLOGÍA

Se realizaron mediciones en campo sobre cinco puntos, en los cuales se realizaron monitores en ambos sentidos de la vialidad. Dos puntos corresponden a carreteras con pavimento rígido (carpeta de concreto hidráulico) y tres a carretera con pavimento flexible (carpeta asfáltica). En la Tabla 2 se muestran los puntos correspondientes y la referencia geográfica de cada estación de monitoreo. La medición se realiza de manera directa a través de sonómetro de precisión en tripié estándar a una distancia de 7,5 m del hombro de la carretera y a una altura de 1,5 m respecto al eje de la misma; se emplea una pantalla antiviento (windscreen) y se dirige el micrófono del sonómetro hacia la fuente (Figura 7). Tabla 2. Localización de los puntos de muestreo de ruido en carretera. PUNTO 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B

CARRETERA MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo A MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo B MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo B MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo A QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo B QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo A QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo B QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo A QUERÉTARO IRAPUATO Cuerpo B QUERÉTARO IRAPUATO Cuerpo A

Km Ruta 201

57

201

57

193

57

193

57

26

57

26

57

10

57

10

57

9

45

9

45

COORD. 20°34'15,26"N 100°17'22,72"O 20°34’17,79”N 100°17’23,07”O 20°33'39,76"N 100°13'59,63"O 20° 33’41,50”N 100°13’59,08”O 20° 4 7’54,92N 100°26’ 53,61O 20°47’55,5”N 100°26’55,66”O 20°40'27,19"N 100°26'02,05"O 20°47’03,78”N 100°23’48,43”O 20°32'21,04"N 100°28'23,61"O 20°32’20,08”N 100°28’24,07”O

PAVIMENTO RÍGIDO (Concreto Hidráulico) RÍGIDO (Concreto Hidráulico) RÍGIDO (Concreto Hidráulico) RÍGIDO (Concreto Hidráulico) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto)

Se tomaron lecturas del Leq de 60 s, en horario continuo desde las 09H00 hasta las 16H30, para intervalos de 1 hora y de 30 minutos en su caso. Estas lecturas se integran y conforman los Leq(total) para las 7.5 h. El equipo de medición acústica utilizado en las mediciones es un sonómetro de precisión marca Brüel & Kjaer, modelo 2238, con un rango de medición de 20 a 100 dB(A); calibrado para la norma mexicana NMX-AA-059-1978 “Sonómetros de Precisión”. Las ubicaciones de las estaciones de monitoreo se establecieron en puntos con al menos 700 m lejos de curvas, salidas o incorporaciones a la carretera y cruces con otras vialidades en ambas direcciones con respecto a la estación. También se evito tener pendientes ascendientes o 11

descendientes bruscas o fuertes en el terreno. Esto último para evitar posible variaciones en la velocidad, frenado o aceleración del tránsito y tener contribuciones por alguno de estos factores.

Figura 9. Posición de la estación del sonómetro con respecto a la carretera. Dado a que se emplea un sonómetro de precisión calibrado se considera una variación menor a + 5 dB en las mediciones registradas y se consideran como períodos continuos de 7.5 horas. La precisión sonora del sonómetro empleado es de hasta 0.5 de decibel (dB). Se evitó realizar mediciones bajo condiciones climáticas adversas como lluvia o viento fuerte (velocidad media entre 41 y 70 Km/h).

IV.

RESULTADOS

IV. 1. Mediciones Para cada punto se promedia el Leq obtenido para el periodo continuo muestreado y se promedia entre ambos sentidos para obtener un valor de Leq por punto. La Tabla 3 muestra en resumen de los promedios de Leq(total), L10, L50 en dB(A) de los valores obtenido para los cinco puntos monitoreados así como las condiciones en que se realizó el muestreo de ruido. Los puntos nombrados 1 y 2 son puntos en tramos de carretera con carpeta de rodamiento de pavimento rígido (concreto hidráulico) y los puntos 3, 4 y 5 de pavimento flexible (carpeta asfáltica). 12

Tabla 3. Condiciones de monitoreo y resultados de Leq, L10, L50 y L90. Punto 1

Numero de carriles 3

Temp. Amb. °C 24°

Velocidad del viento 19 Km/h NNE

Leq total dB(A) 81.08

L10 dB(A) 82.1

L50 dB(A) 81.1

L90 dB(A) 79.4

2

3

27.7°

23 Km/h W

78.12

79.5

78.1

76.4

3

2

26.5°

8 Km/h SE

71.36

74.1

71.2

67.8

4

2

28.4°

11 Km/h ENE

74.35

76.0

74.1

72.1

5

2

20°

14 Km/h WNW

73.30

75.6

73.3

70.3

IV. 2. Efectos del tipo de pavimento En la Tabla 4 se muestran los niveles de ruido en promedio para los tipos de pavimento. La Figura 10 presenta el gráfico de barras donde se observa la diferencia entre las carreteras de concreto hidráulico (rígido) y las de asfalto (flexible) para los puntos correspondientes. Se observa para todos los casos que los Leq en los puntos establecidos en carreteras de pavimento rígido son superiores a los registrados en carreteras en pavimento flexible, existiendo casos donde esta diferencia es de hasta 7.8 dB(A). Tabla 4. Comparación niveles de ruido entre tipos de pavimentos Tipo de Pavimento Rígido Flexible Diferencia

dB

Leq(total) 79.60 73.00 6.60

L10 80.80 75.23 5.57

L50 79.60 72.87 6.73

L90 77.90 70.07 7.83

Niveles de ruido con respecto al pavimento

82.0 80.0 78.0 76.0 74.0 72.0 70.0 68.0 66.0 Leq

L10 Rígido

L50

Flexible

Figura 10. Niveles de ruido registrados en pavimentos Flexible y Rígido. 13

IV. 3. Relación con el TDPA Dado que el flujo y la composición vehicular son factores que también influyen en los niveles de la generación de ruido, se relaciona en la Tabla 5 con el TDPA total (considerando toda la composición vehicular) y con TDPA pesado, considerando solo camiones tipo C2, C3, C4, C3R2 T2S1, T2S2, T3S2, T2S1R2, de acuerdo a la clasificación y los datos de Datos Viales para el Estado de Querétaro del 2009.

Tabla 5. Comparación niveles de ruido entre tipos de pavimentos Tipo de Pavimento Leq (total) Rígido Rígido Flexible Flexible Flexible

85.2 88.2 80.7 79.4 78.4

L10

L50

TDPA total

TDPA pesado

86.1 89.4 83.0 82.0 81.6

85.0 87.8 80.0 79.5 77.0

44 654 48 344 26 961 32 802 16 804

15 373 15 058 7 123 12 098 3 289

% TDPA pesado 31% 35% 28% 20% 23%

Niveles de ruido y TDPA total 84

Pavimentos Flexibles

Pavimentos Rígidos

82 80 78

dB

76 74

Leq

72

L10

L50

70 68

66 64 20300

26880

36660

47802

48804

TPDA

Figura 11. Niveles de ruido por tipo de pavimentos y el tránsito total de vehículos. 14

Relación Leq y TDPA pesado 100 95 y = 0.6289x + 65.195 R² = 0.8488

Leq (dB)

90 85

% TDPA pesado

80

Lineal (% TDPA pesado)

75 70 65 15

20

25

30

35

40

Porcentaje de TDPA pesado

Figura 12. Relación de niveles de ruido y la composición de vehículos pesados. El flujo del tránsito (o intensidad del tránsito), entendido como el número de vehículos que circulan por un lapso de tiempo, tiene una incidencia directa en el ruido. Para flujos no saturados (donde los vehículos circulan en forma más o menos independiente entre sí) se cumple que por cada aumento al doble del flujo hay un incremento de 3 dB en el nivel. Cuando el flujo se empieza a saturar, es más difícil maniobrar, por lo que la velocidad promedio disminuye junto con los niveles de ruido.

IV. 4. Indicador ambiental de ruido El indicar ambiental de ruido propuesto se basa en el indicador acústico Leq(total) y es referido a los niveles que la OMS recomienda para el ruido de día. Corresponde a la relación del Leq(total) con respecto al límite en carreteras existentes para el día:

IAR 

Leq(total ) 65dB( A)

Los índices ambientales de ruido son como se muestran en la Tabla 5 para pavimento flexible y para rígido.

15

Tabla 6. Índices ambientales de ruido (IAR) Tipo de Pavimento

Leq (total)

IAR

Rígido Flexible

79.6 72.2

1.2 1.1

En el caso del TDPA pesado, los coeficientes de correlación para Leq(total) son de 0.8301, L50 de 0.7892 y L10 de 0.7542. En este caso, un aumento en la composición de vehículos pesados se refleja de manera distinta en los niveles de ruido, sin embargo los hace de manera significativa. Si existiera un incremento de 5000 vehículos el Leq(total) aumentaría hasta 4dB; 3,5dB en el L50 y 2,5 dB en L10. V.

CONCLUSIONES

Los niveles de ruido registrados en carreteras con pavimentos rígidos (concreto hidráulico) presentan niveles Leq(A) hasta 7.3 dB superiores a los registrados en carreteras cuyos recubrimientos son de pavimentos flexibles (carpetas asfálticas). Esto era de esperase debido a las características y propiedades de ambos pavimentos. Sin embargo, también observamos que la composición vehicular juega un papel importante en los niveles de la generación de ruido, donde por cada 5 % que aumente la composición de vehículos pesados que circulan en cualquiera de los dos tipos de pavimentos podemos esperar un aumento de hasta 3 dB en la generación de ruido. En el caso de carreteras con pavimentos rígidos, el Índice Ambiental de Ruido (IAR) muestra que la intensidad de ruido generado es cerca de un 20% superior a los límites recomendados por la OMS para carreteras existentes, y de un 10% en pavimentos flexibles. Las prácticas más utilizadas actualmente para la mitigación de ruido en carreteras es la de construir barreras para reducir sus efectos y aislar el ruido generado de las áreas que puedan verse afectadas. Algunos casos plantean el control del tránsito, límites de velocidad, y en mucha menor medida la modificación o la construcción de carreteras alternas por los costos que esto implica. Estas prácticas son consideradas medidas de “fin de tubo” ya que tratan de mitigar con los niveles de contaminación, en este caso ruido, una vez que ya se ha generado. Los resultados obtenidos en el presente trabajo evidencian la necesidad de desarrollar pavimentos seguros, de calidad pero más confortables y menos contaminantes al medio, como una medida eficaz en la mitigación del ruido antes que este se genere. Los pavimentos silenciosos o de baja sonoridad se consiguen con estructuras de vacíos y texturas superficiales que permitan absorber el ruido. Actualmente hay mucho interés para el desarrollo de los mismos como alternativas a la construcción de barreras acústicas, que han ido aumentando en especial en las carreteras urbanas.

16

Desarrollando pavimentos silenciosos y aplicándolos en la construcción de nuevos caminos y el mantenimiento de carreteras existente podemos contribuir a reducir los impactos generados por la infraestructura carretera en el país.

VI.

REFERENCIAS

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17

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes. Juan Fernando Mendoza Sánchez – Instituto Mexicano del Transporte – [email protected] Luis Felipe Romero González – Instituto Mexicano del Transporte – [email protected] Rodolfo Téllez Gutiérrez – Instituto Mexicano del Transporte – [email protected]

Resumen

Introducción

Este artículo describe los efectos que el estado superficial de un pavimento genera como impactos al medio ambiente, particularmente el ruido y las emisiones.

La textura de los pavimentos tiene especial importancia como un elemento para describir el estado en que se encuentra una carretera, en términos de las irregularidades presentes en un pavimento.

La investigación muestra los resultados de cómo el estado superficial de una carretera, medido en términos de su índice de rugosidad internacional (IRI) y según la clasificación de estado superficial en México de los caminos contribuye a la generación de emisiones contaminantes.

Dichas condiciones superficiales definen principalmente aspectos de seguridad y confort para los usuarios de una carretera, de acuerdo a diferentes escalas y parámetros, como el IRI (ver figura 1).

Para la realización de la estimación de emisiones se desarrolló una metodología basada en la utilización de la herramienta informática HDM-4, la cual incluye las variables más importantes, derivadas del medioambiente, del camino y del vehículo. Los resultados muestran la cantidad de las emisiones que se generan un tramo tipo (emisiones de hidrocarburos, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, partículas, dióxido de carbono y óxido de azufre), y tipo de vehículo. Palabras Clave: estado impacto ambiental, vehiculares.

superficial, emisiones

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

Figura 1. Escala del índice de rugosidad internacional

1

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

En México la condición del camino se evalúa según se muestra en la tabla 1 y se correlaciona conforme al IRI. Tabla 1. Clasificación del superficial de las carreteras Condición del camino Bueno Satisfactorio (regular) No satisfactorio (malo) Fuente: DGCC, SCT.

estado

IRI (m/km) Pavimento asfáltico

<2.8 2.81-4.2 >4.2

De acuerdo a los diferentes estados del pavimento, los impactos al componente ambiental aire pueden ser más o menos significativos. En este sentido la operación del transporte al transitar por las carreteras generan impactos negativos al medio ambiente, dicha operación vehicular contribuye a la contaminación atmosférica (calidad del aire) por la generación de emisiones, así como daños a la salud pública por los efectos sonoros adversos del contacto llanta-pavimento. La investigación se centra en la influencia del estado superficial en la emisión de gases contaminantes, y como la condición del camino podría ayudar a la reducción de emisiones. Las emisiones vehiculares son una gama de contaminantes que afectan al medio ambiente; hoy existe el reto y la prioridad de disminuir las emisiones de GEI que contribuyen al cambio climático y que son acciones prioritarias dentro de los planes y programas ambientales nacionales e internacionales. Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

En las últimas décadas ha sido más evidente la importancia de medir la contribución de las emisiones de gases invernadero y su efecto al calentamiento global. En el sector transporte, las emisiones de gases invernadero tienen su fuente principal en la emisión de CO2 por la quema de combustibles, lo que se relaciona directamente con el uso de energéticos. La realización del monitoreo ambiental usualmente se apoya en los inventarios de emisiones, que son herramientas útiles para detallar e identificar las diferentes fuentes de emisión y la contribución de diferentes sectores. Los inventarios cuentan con estimaciones de emisiones confiables e información que puede utilizarse en la gestión y monitoreo de la calidad del aire, ya que puede ser trazable en el tiempo y actualizable. Existen diferentes maneras de llevar a cabo los inventarios de emisiones en carreteras, los parámetros más comúnmente empleados son: el número de vehículos y su nivel de actividad, donde se incluye el kilometraje que recorre la unidad y el consumo de combustible promedio; las velocidades de operación; patrones de arranque y longitudes de viaje; tecnología vehicular y edad de la flota vehicular; factores de emisión, los cuales se encuentran incorporados en diferentes modelos como el HDM-4, el cual además permite incorporar el IRI en los datos de entrada para la estimación de emisiones.

2

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

como obtener la información ambiental de la zona donde se ubica el camino. La etapa 2 es la alimentación del modelo HDM-4 y realizar los análisis necesarios con el modelo. Finalmente la etapa 3 considera los resultados de las emisiones derivadas del análisis del modelo. Como procesos alternativos se maneja el aseguramiento de la calidad de acuerdo a los estándares establecidos y finalmente se definen los resultados finales.

Metodología para la estimación de emisiones en carreteras La metodología planteada para la estimación de emisiones en carreteras se basa en tres etapas, conforme se muestra en la figura 2. El mayor trabajo se presenta en la primera de ellas, donde se requiere recopilar la información de los datos del tránsito, obtener la información de la geometría del camino, caracterizar la flota vehicular que circula en él, así

Datos del tránsito

Geometría del camino Datos de entrada

Datos ambientales

Caracterización del parque vehicular Modelo de emisión (HDM-4)

Estimación de emisiones

Datos de salida

Estado superficial

Emisiones (HC, NOx, SO2, CO, CO2, PM)

Aseguramiento de la calidad

Resultados Ton*Km*1000Veh veh

Figura 2. Metodología para la estimación de emisiones de vehículos automotores que circulan en carreteras. El HDM-4 es un modelo computacional que simula condiciones económicas y físicas a lo largo de un periodo, para una serie de especificaciones y escenarios definidos en la gestión de redes carreteras. El Subsistema de Efectos Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

Ambientales (SEA) es parte de unos de los tres submodelos que lo integran. Este submodelo consta a su vez de tres partes para la estimación de contaminantes ambientales: emisiones de vehículos, balance energético y ruido. 3

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

El análisis realizado en este modelo es con base en una flota de vehículos representativos, los cuales muestran características que pueden ser consideradas como representativas del total de vehículos.

Con los reportes que arroja el modelo se pueden manejar la información para presentarla en gráficas o tablas.

Los contaminantes criterio estimados dentro del modelo son seis: hidrocarburos, óxidos de nitrógeno; dióxido de azufre; monóxido de carbono; y las partículas suspendidas PM (partículas en suspensión) y dióxido de carbono.

Para aplicar la metodología y realizar la estimación de emisiones, se eligió un tramo carretero del estado de Querétaro. La información de entrada se obtuvo de diversas fuentes para la estimación de emisiones, tales como la geometría horizontal del camino, las longitudes, y especificaciones geométricas, la geometría vertical se obtuvo de planos de elevaciones con uso de herramientas de sistemas de información geográfica; la caracterización de la flota vehicular se realizó mediante encuestas aplicadas en las rutas que conforman éste estudio. En cada caso en particular se consideraron condiciones óptimas para que analizar únicamente el efecto del estado superficial del pavimento, el cual fue establecido conforme a la tabla 1.

Con el uso del módulo ambiental para estimar la cantidad de emisiones integrado en el HDM-4, se tiene la posibilidad de conocer la cantidad de emisiones generadas en una red carretera o segmento de la misma, por la operación del transporte que circula sobre ella. Además de las emisiones anuales totales y por vehículo, la variación anual neta de las emisiones como consecuencia de las distintas obras y alternativas de construcción con un caso base (sin proyecto o mínimo), que normalmente representa el estándar mínimo de conservación rutinario, puede también ser analizada con el HDM-4. Una vez realizado el análisis, el modelo permite generar tres tipos de reportes:   

Emisiones anuales por vehículo Resumen de emisiones anuales Cambio neto anual en emisiones

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

Estimación de emisiones

Los resultados se muestran en la tabla 2 para tres clasificaciones vehiculares únicamente: vehículos ligeros (A), autobuses (B) y Camiones (C). En la tabla se puede observar la cantidad emisiones emitidas a la atmósfera en gramos por kilómetro al año, conforme a los tres diferentes niveles de clasificación del estado superficial de acuerdo a la Dirección General de Conservación de Carreteras de la SCT (DGCC).

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Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

Tabla 2. Emisiones por clasificación vehicular tipo A, B y C, en gramos por kilómetro emitido anualmente de acuerdo al estado superficial VEHÍCULO ESTADO BUENO SATISFACTORIO NO SATISFACTORIO

VEHÍCULO ESTADO BUENO SATISFACTORIO NO SATISFACTORIO

VEHÍCULO ESTADO BUENO SATISFACTORIO NO SATISFACTORIO

HC 2,408.47 2,445.77 2,457.17

CO 19,303.15 19,571.18 19,657.18

HC 898.29 898.01 905.72

CO 2,329.22 2,354.22 2,362.36

HC 4,893.54 4,940.17 4,980.65

CO 32,371.58 32,675.03 32,922.61

A NOx PM 3,065.66 5.46 3,129.16 5.50 3,146.45 5.52 B NOx PM 5,188.01 245.57 5,262.72 250.24 5,272.09 250.16 C2, 3, 4 NOx PM 5,585.16 22.91 5,635.42 23.13 5,795.65 24.95

CO2 203,781.97 206,376.28 207,243.27

SO2 15.54 15.74 15.81

CO2 416,446.22 423,125.75 423,563.56

SO2 82.11 83.43 83.51

CO2 293,227.19 295,441.31 297,116.72

SO2 57.81 58.25 59.99

Fuente: Elaboración propia.

Para cada tramo se obtuvieron las emisiones de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), partículas (PM), dióxido de carbono (CO2) y dióxido de azufre (SO2). Con respecto al tipo de combustible empleado por el parque vehicular, se considera solamente los vehículos de gasolina y diesel. El tipo de pavimento considerado es asfáltico.

La gráfica 1 muestra la línea de tendencia de las emisiones de CO2, principal gas precursor del cambio climático. Tendencia de las emisiones de CO2 en vehículos tipo A 208,000.00 207,000.00 206,000.00 205,000.00 204,000.00

Interpretación de resultados Los resultados de las emisiones muestran que al verse deteriorado el estado superficial del camino, las emisiones comienzan a crecer para los tres diferentes tipos de vehículos y para los diferentes contaminantes estudiados, aunque el crecimiento depende de la aportación que tienen cada uno de ellos a la atmósfera. Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

203,000.00 202,000.00

Gráfica 1. Emisiones de CO2 para vehículos tipo A, de acuerdo al estado superficial del camino (gr/Km anuales) 5

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

La aportación de cada contaminante depende diferentes factores en la combustión automotor. La gráfica 2 muestra la contribución de cada gas para los vehículos tipo A. 250,000.00 BUENO

200,000.00 150,000.00

SATISFACTORIO

100,000.00 NO SATISFACTORIO

50,000.00

HC CO NOx PM CO2 SO2

0.00

A

Gráfica 2. Emisiones para vehículos tipo A, de acuerdo al estado superficial del camino (gr/Km anuales) En todos los casos las emisiones tienden a aumentar cuando el estado superficial del camino pasa de un nivel bueno a un satisfactorio, y aún más cuando está en un nivel no satisfactorio.

Conclusiones Desde el punto de vista ambiental el mejoramiento de las carreteras contribuye directamente a la reducción de emisiones contaminantes. El uso de importante emisiones, cuenta la software a

herramientas informáticas es para la estimación de por lo que deberá tomarse en posibilidad de adecuar el las condiciones del lugar del

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

estudio. El uso del HDM-4 es básico ya que se encuentra desarrollado para la gestión de carreteras, y no tiene consideraciones urbanas como otros modelos, de esta manera la información de entrada de la herramienta va directamente a elementos propios de una carretera. El uso potencial de la información del presente estudio se puede dar de diversas maneras:  Contar con información de la cantidad de emisiones que se generan en la red carretera de un estado o del país, con fines de elaboración de estrategias relacionadas con el cambio climático, ya sean políticas de mitigación o de adaptación.  Incluir en las estrategias de conservación la variable ambiental “emisiones generadas” al definir la acción de conservación a implementar, ya que de acuerdo a cada acción de mejora establecida en el HDM-4 se obtienen más o menos emisiones.  Reportar el ahorro de emisiones por la mejora del estado del camino que se le realice a la red de carreteras. La cual podría tener ventajas a nivel país participando en el mercado de bonos de carbono y obtener recursos para la mejora de la infraestructura vial  Identificar puntos críticos donde se generan actualmente un número significativos de emisiones, de tal manera que se pueda conocer la 6

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

causa y proponer alternativas de solución, que podría ser la mejora de la geometría del camino, el estado superficial del pavimento, la conceptualización de rutas alternas, entre otras.  Eficiencia en el consumo de energía de los vehículos, identificando las zonas de mayor consumo energético, para establecer acciones de ahorro de energía.  Establecer rutas vulnerables, donde los vehículos mayormente contaminantes no les sea posible circular en zonas de alto valor ambiental. Finalmente se espera que esta investigación influya en las políticas

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

públicas en materia de conservación vial para la reducción de gases de efecto invernadero y pueda en un futuro formar parte del programa sectorial de comunicaciones y transportes contra el cambio climático

Bibliografía Mendoza, J.F. et al. Inventario de emisiones en carreteras. Publicación Técnica No. 339 Instituto Mexicano del Transporte. Qro, México. (2010) Mendoza, J.F. et al. Reporte nacional “Mitigando el cambio climático en las carreteras” XXIV Congreso Mundial de la Carretera. México, DF (2011)

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Análisis de propiedades de desempeño de un ligante asfáltico Claudia L. Pacheco Flores* Horacio Delgado Alamilla** Paul Garnica Anguas** * Asociación Mexicana del Asfalto (AMAAC). ** Instituto Mexicano del Transporte (IMT). RESUMEN. Con el incremento en los niveles e intensidad de tránsito en las carreteras, en general, es necesario utilizar materiales asfálticos modificados. En la actualidad se cuenta con la especificación AASHTO M320 que fue desarrollada durante el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP por sus siglas en inglés), dicha especificación está basada principalmente en el estudio de ligantes asfálticos con un comportamiento termo-reológicamente simple, por lo cual no está adaptada para ligantes asfálticos modificados. Para este tipo de materiales es necesarios realizar ensayos complementarios, los cuales permitan evaluar la susceptibilidad del asfalto a propiedades de desempeño como son la deformación permanente y la fatiga. En el presente estudio presenta dos metodologías de ensayo para la determinación de propiedades de desempeño del ligante asfaltico. Ambos ensayos son realizados en el Reómetro de Corte Dinámico (DSR). El primer ensayo es el Multiple Stress Creep Recovery (MSCR), el cual se realiza en muestras asfálticas envejecidas en el horno RTFO. Este ensayo permite estimar la susceptibilidad del ligante asfáltico a la deformación permanente (roderas). La prueba MSCR se realiza a dos niveles de esfuerzo a una temperatura especificada, el ensayo es tipo impulsión (ciclo de carga seguido de ciclo de reposo). El parámetro a determinar es el Jnr Compliance Creep No Recuperable. El segundo es un ensayo a carga cíclica repetida (RCL) el cual se realiza en muestras envejecidas en el horno RTFO. Este ensayo permite determinar la resistencia de un ligante asfáltico a la fatiga mediante una solicitación repetida que simula el tránsito. La prueba MSCR se puede realizar a dos niveles de solicitación a una temperatura especificada, el ensayo es tipo continuo. El análisis es realizado mediante la Relación de Energía Disipada (DER). En el presente estudio se ejemplifican estas dos metodologías utilizando un asfalto modificado y sin modificar y se discute la pertinencia de los ensayos.

1. INTRODUCCIÓN

2. ANTECEDENTES

El asfalto es un material muy versátil que tiene muchas aplicaciones industriales. Aproximadamente 100 millones de toneladas métricas de asfalto son usadas anualmente a nivel mundial y aproximadamente el 85% de todo el asfalto es usado es usado en aplicaciones de pavimentación. En el continente Americano aproximadamente 34 toneladas métricas son las que se utilizan por año (3). De aquí la importancia de conocer el comportamiento que tiene el asfalto cuando es sometido a cambios climáticos y a niveles de tráfico. En este estudios se analiza un asfalto modificado y sin modificar por medio de la metodología del ensayo Multiple Stress Creep Recovery y la metodología “Resistencia a la fatiga de un ligante asfáltico sometido a carga cíclica repetida usando un reómetro de corte dinámico”, RCL por sus siglas en ingles. En los antecedentes se habla de la clasificación PG, de la modificación del asfalto, y lo que llevo a la investigación a realizar estas nuevas metodologías. En materiales y métodos se describe el objetivo de cada una de las metodologías y se explica las condiciones en las que se realiza cada ensayo, también se describe el procedimiento; para MSCR se explica de acuerdo a la especificación MP70 y MP19 de AASHTO y para RCL acuerdo a NCHRP 459. En los resultados exponen tablas y las gráficas de lo que se obtuvo en el ensayo de MSCR y en el ensayo de RCL. Al final de este estudio se mencionan las conclusiones.

2.1. Clasificación PG. Reconociendo las deficiencias en los sistemas de clasificación de viscosidad y penetración las agencias estatales de carreteras decidieron financiar un programa de investigación para desarrollar un nuevo sistema de la especificación del asfalto para pavimento. En 1987 el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP por sus siglas en inglés) comenzó a desarrollar nuevos ensayos relacionados con el desempeño para medir las propiedades físicas del de los ligantes asfálticos. Un resultado importante de este esfuerzo de investigación con una inversión de 50 millones de dólares fue la especificación para ligantes asfálticos con grado de desempeño. Ésta especificación fue diseñada tanto para asfaltos no modificados así como para modificados. El sistema de ligante asfáltico PG incluye los siguientes equipos de ensayos: viscosímetro rotacional (RV por sus siglas en inglés) para medir las propiedades a altas temperaturas, el reómetro de corte dinámico (DSR por sus siglas en inglés) para medir propiedades a altas e intermedias temperaturas, el reómetro de viga a flexión (BBR por sus siglas en ingles) y el ensayo de tensión directa (DTT por sus siglas en inglés) para medir propiedades a bajas temperaturas y los procedimientos de envejecimiento a corto y largo plazo. El Horno Giratorio de Película Delgada (RTFO por sus siglas en inglés) simula el endurecimiento durante la etapa constructiva, el contenedor de envejecimiento a presión (PAV por sus siglas en inglés) simula el envejecimiento durante su vida útil. La especificación de ligantes asfálticos grado PG y los métodos para caracterizar los ligantes asfálticos están

descritos en AASHTO M320 (1). En la Figura 1. Se muestran los equipos de ensayos mencionados anteriormente.

Figura1. Ensayos de asfaltos grado PG con envejecimiento.

2.2 Modificación de asfalto Un material asfáltico sin modificar no tiene los requisitos de desempeño para la construcción de caminos, los cuáles son cada vez más sometidos a cargas pesadas, tráfico pesado y a varias condiciones climáticas. La modificación ha sido utilizada como una de las alternativas para mejorar las propiedades del ligante asfáltico (2). Generalmente se piensa que todos los ligantes asfálticos modificados son producidos de varias maneras, incluyendo polimerización y modificación química, o por medio de la incorporación de un material que cambie su comportamiento. Los polímeros pueden ser clasificados en función de sus propiedades físicas. Las encuestas realizadas durante la investigación NCHRP 9-10 (llamado “Superpave Protocols for Modified Asphalt Binders”) en 1996 indican que los elastómeros, y más específicamente polímeros SBS, fueron los modificadores más comúnmente usados. En sus respuestas, la mayoría de los usuarios indicaron que ellos seleccionaban modificadores elastoméricos para ayudar a mitigar la deformación permanente o “rutting” de los pavimentos asfálticos. La mitigación de fatiga y el fisuramiento por baja temperatura fue también visto como un beneficio potencial. (3). 2.3. Grado de Desempeño del ligante asfáltico usando el ensayo Multiple Stress Creep Recovery (MSCR). El objetivo de la especificación PG para ligantes asfálticos fue el uso de grados de desempeño específico para un deterioro y relacionados con el clima y las cargas de tráfico. Por lo tanto las mediciones de las pruebas deben ser hechas a temperaturas y velocidades de carga consistentes con las condiciones existentes del pavimento. Con este enfoque, los criterios alta temperatura quedan iguales para el módulo de corte dinámico (G*/seno δ, 1.00 kiloPascal para ligantes sin envejecer y 2.20 kiloPascal para ligantes envejecidos en RTFO) sin importar la ubicación del pavimento. Sin embargo, la temperatura de

prueba en donde estos deben cumplirse se deriva de la temperatura actual del pavimento. Este concepto funcionaba muy bien para pavimentos con velocidades convencionales y volúmenes de tráfico moderado, la investigación indicó que se requería un ajuste para pavimentos velocidades bajas de carga y volúmenes altos de tráfico. No se hizo ningún cambio en los criterios y/o en las condiciones de prueba para reflejar un cambio el tiempo de carga y el volumen de tráfico, simplemente se hizo un ajuste en base a la velocidad y volumen de tráfico al hacer un “grade-bumping” o realizar los ensayos a una temperatura mayor que las indicadas por el clima (3). 2.3.1 Incremento por intensidad de tránsito y velocidad de operación (Grado Bumping) Cuando el tráfico de camiones es muy pesado o la velocidad es muy lenta, tal como en intersecciones, carriles de ascenso, áreas de estacionamiento, entre otras, grados de ligante más rígidos pueden ser justificados. El incremento del grado PG generalmente se realiza cuando el tráfico de camiones es lento o pesado. La especificación superior o la temperatura de diseño del pavimento puede ser aumentada por uno o dos grados. Por ejemplo tráfico de camiones pesado y lento pueden justificar un incremento de 2 grados, desde un PG 64-22 a un PG 76-22. Note que la temperatura de especificación más baja sigue siendo la misma. Los típicos valores del incremento podrían incluir: 1. Un grado para tráfico lento e intersecciones. 2. Dos grados para tráfico detenido y zonas de peaje. 3. Un grado para tráfico de camiones moderado. 4. Dos grados para tráfico pesado de camiones. El incremento debe ser siempre limitado a no más de dos grados independientemente de las condiciones de tráfico (4). En la Tabla1. se muestra el ajuste del grado PG por intensidad de tránsito y velocidad de operación para mejorar la resistencia a la formación de roderas en AASHTO M323. Esto quiere decir que un ligante asfáltico más rígido sería usado en condiciones de alto volumen o baja velocidad de tráfico. Tabla 1. AASHTO M323 Tabla 1.

ESALs (M) < 0.3 0.3 - < 3 3 - < 10 10 - < 30 ≥ 30

Ajuste para el grado PG a Alta-Temp Velocidad de operación de la Carga de Tráfico Detenido Lento Estándar 2 1 2 1 2 1 2 1 1

El problema del “incremento” en el sistema PG es que un asfalto PG 64-22 tendrá unas propiedades de

desempeño, determinadas a una temperatura que sería superior a la temperatura más alta que el pavimento experimentará. Esto ocasiona que los proveedores de asfaltos elaboren asfaltos que son fuertemente modificados y por lo tanto muy difíciles de manejar a temperaturas razonables. Otro objetivo del sistema PG era que las propiedades de desempeño que definen el grado PG de un ligante asfáltico no se verían afectadas por la modificación. En otras palabras, se esperaría que todos los ligantes asfálticos con el mismo grado de desempeño se comportaran de la misma manera bajo las mismas condiciones de tráfico y ambientales sin importar cómo son producidos. En teoría sería un sistema más general de clasificación ya que abarcaba diferentes tipos de modificador en una misma clasificación. El criterio de aceptación G*/seno δ captura los efectos viscosos y elástico del ligante asfáltico, sin embargo, no es capaz de determinar la influencia del modificador en el comportamiento mecánico. Uno de los grandes problemas de esta metodología es que sólo fue validada dentro del rango viscoelástico lineal. Estos problemas causaron que los investigadores continuaran buscando una mejora en el parámetro de alta temperatura, G*/seno δ, usado en AASHTO M 320. Sus esfuerzos provocaron el desarrollo de un nuevo procedimiento de prueba, la prueba Multiple Stress Creep Recovery (3). 2.4 Fenómeno de Fatiga en ligantes asfálticos La fatiga es considerada uno de los fenómenos de daño más complicados en pavimentos asfálticos. El daño por fatiga también es una de las formas de fisuramiento que resulta de la carga repetida de tráfico. Esto ocurre a temperatura baja y moderada en pavimentos envejecidos. Determinar cómo los modificadores afectan las propiedades del asfalto con respecto al daño por fatiga ha significado un reto, debido a los altos niveles de complejidad del material asfáltico modificado. Varios investigadores están de acuerdo con que las definiciones actuales de falla a la fatiga no son adecuadas y que el sistema de medición actual para las propiedades de ligantes, llamado “Superpave grading system”, está basado en suposiciones y simplificaciones que resultan en una importante falta de representación de las condiciones del pavimento, incluyendo la velocidad del tráfico, volumen del tráfico, estructura del pavimento y ciclos de enfriamiento térmico. El esfuerzo para desarrollar un nuevo ensayo se centró en simular el fenómeno de fatiga en un ensayo de fatiga al ligante-sólo tal que el comportamiento del daño podría ser directamente monitoreado. El DSR se utilizó para llevar a cabo este nuevo ensayo, el cual es llamado “time-sweep test”. El ensayo provee un método simple de aplicación de ciclos repetidos de carga de esfuerzo o deformación a temperaturas seleccionadas y frecuencias de cargas. Los

efectos de las condiciones de frecuencia, temperatura, esfuerzo y deformación pueden ser medidos con este ensayo (5-8). 3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Ensayos para ligantes Grado PG. De acuerdo a AASHTO M320 los requerimientos para ligantes asfáltico de grado PG se mencionan brevemente a continuación: Punto de inflamación.- El ensayo más común para determinar el punto de inflamación de un ligante asfáltico es el ensayo de punto de inflación de la Copa Abierta de Cleveland (COC por sus siglas en inglés). El ensayo permite determinar la temperatura mínima a la cual un ligante asfáltico produce flamas instantáneas al estar en contacto con el fuego directo, así como aquella que inicia su combustión. Viscosidad rotacional.- El ensayo de viscosidad rotacional es usado para determinar las características de flujo de un ligante asfáltico a una temperatura alta para proporcionar una cierta garantía de que puede ser fácilmente bombeado y manejado en la planta de mezcla en caliente. El viscosímetro rotacional consiste en un cilindro que mide la viscosidad mediante un torque necesario para mantener la velocidad constante en un eje. Reómetro de Corte Dinámico (DSR).- Es usado para ensayar ligantes asfalticos y medir sus propiedades reológicas, incluyendo el módulo complejo de corte (G* pronunciado como “G estrella”) y el ángulo de fase (δ letra griega “delta”) en el amplio rango de temperaturas. Para el asfalto virgen y para el residuo obtenido por el horno rotatorio de la película delgada, se utilizan para ensayar dichos asfaltos los platos paralelos de 25mm y con una separación entre ellos de 1000 micras, para el asfalto obtenido después del envejecimiento en PAV se utilizan platos paralelos de 8mm y una separación entre ellos de 2.0mm. La deformación permanente se controla limitando el valor mínimo de (G*/seno δ) a 1.00 kPa (antes del envejecimiento) y a 2.2 kPa (luego de envejecido en RTFO). El agrietamiento por fatiga es controlado limitando el valor de (G*·seno δ) del asfalto envejecido en PAV a un máximo de 5000 kPa. Envejecimiento en el horno rotatorio de la película delgada (RTFO por sus siglas en inglés).- Para comenzar el ensayo los vasos de muestra son colocados en un carrusel que gira verticalmente en un horno operando a alta temperatura. El RTFO es empleado para medir el efecto de calor y aire de una muestra virgen de asfalto, esto consiste en un envejecimiento por rotación de una película delgada de muestra de asfalto a través de inyección de aire y una temperatura de 163° C por un periodo de 85 min. Este procedimiento se realiza no sólo para producir para producir un asfalto oxidado que pueda emplearse para ensayos adicionales (DSR y material base para PAV).

Contenedor de envejecimiento a presión.- El contenedor de envejecimiento a presión (PAV por sus siglas en inglés). El PAV expone al ligante asfáltico al aire a alta presión y a temperatura por 20 horas para simular los efectos de envejecimiento a largo tiempo. Porque el asfalto que ha sido expuesto a envejecimiento a largo tiempo también ha pasado por el proceso de mezclado y construcción, el procedimiento PAV utiliza ligantes asfalticos que han sido previamente envejecidos en el RTFO. Por medio de aire presurizado a 2.1 MPa y una temperatura de 100°C por un periodo de 20 horas. La muestra obtenida se emplea para determinar la temperatura límite a la fatiga y la realización de las vigas empleadas en el reómetro de viga a flexión. El reómetro de la viga a flexión (BBR).- Es usado para determinar la rigidez o el compliance a la flexión por creep y el valor m. Es operado dentro del rango de temperatura de -36°C a 0°C.

El objetivo de este método es identificar la presencia de la respuesta elástica en un ligante y el cambio en la respuesta elástica a dos diferentes niveles de esfuerzo mientras está sujeta a 10 ciclos de esfuerzo creep-recuperación. Se ha mostrado que la compliance creep no recuperable es un indicador de la resistencia de un ligante asfáltico a la deformación permanente bajo carga repetida. En la Figura 3.2 se muestra un ciclo del ensayo MSCR.

3.2 Multiple Stress Creep Recovery (MSCR). 3.2.1 Parámetro de especificación. Una alternativa para evaluar la susceptibilidad del asfalto a la deformación permanente es un ensayo mecánico. Aunque varios modelos han sido utilizados para describir el comportamiento de los ligantes asfalticos, el modelo de Burgers de cuatro-elementos, el cual se muestra en la Figura 3.1, brinda una buena representación del comportamiento del ligante. Este modelo es la combinación de un modelo Kelvin en paralelo y un modelo Maxwell en serie (ver Figura 3.1). La siguiente ecuación representa el compliance creep J(t), en términos de su componente elástica J(e), componente elástica retardada (Jde), y su componente viscosa (Jv):

Figura. 3.1. Modelo de Burgers y su respuesta.

J(t) Je Jde (t) Jv (t) Basado en esta separación de la respuesta creep, la compliance puede ser usada como un indicador de la contribución de los ligantes a la resistencia a la formación de roderas. En lugar de usar la compliance (Jv), el cual tiene una unidad de (1/Pa), y para ser compatible con el concepto de rigidez introducido durante SHRP, se puede utilizar el inverso del compliance, Gv (1/Jv). Gv es definido como la parte viscosa de la rigidez creep (creep stiffness . La respuesta creep-recovery medida con el DSR puede ser usada para estimar el valor de Gv y la deformación permanente acumulada para cualquier combinación seleccionada de tiempo de carga y descarga (6). 3.2.2 Procedimiento del ensayo MSCR. El siguiente procedimiento está referenciado a MP70, que es el ensayo de MSCR usando un reómetro de corte dinámico (DSR).

Figura. 3.2 Ciclo 1, ensayo de MSCR.

Como primer paso del procedimiento de la prueba es acondicionar la muestra de asfalto a ensayar en el RTFO. La muestra para MSCR es preparada para usarse en los platos de 25 mm. La prueba es realizada a la temperatura seleccionada usando un esfuerzo creep constante (1.0 s) seguido por una recuperación a esfuerzo cero de 9.0 s de duración. La prueba es realizada a dos niveles de esfuerzo, 0.1 kPa y 3.2 kPa. Los 10 ciclos se corren a cada uno de los niveles de esfuerzo por un total de 20 ciclos.

3.2.2.1 Análisis y registros de datos de la prueba MSCR. Se analizan y registran el creep y el porcentaje de deformación recuperada para los niveles de esfuerzo creep de 0.1 kPa y 3.2 kPa. 3.2.2.2 Se deberá registrar para cada uno de los 10 ciclos lo siguiente: 1. El valor inicial de deformación al inicio de la porción creep de cada ciclo. Esta deformación debe ser denotada como ε0. 2.- El valor de deformación al final de la porción creep (después de 1.0 s) de cada ciclo. Esta deformación se expresa como εc. 3.- El valor de deformación ajustado al final de la porción creep (es decir, después de 1.0 s) de cada ciclo (ε1), el cálculo se hace de la siguiente manera: 1=

c-

0

(1)

4.-El valor de la deformación al final de la porción de recuperación (es decir, después de 10.0 s) de cada ciclo. Esta deformación será denotada como εr. 5.-El valor de deformación ajustado al final de la porción de recuperación (es decir, después de 10.0 s) de cada ciclo (ε10), el cual se calcula como sigue: 10=

r-

0

(2)

Para cada uno de los diez ciclos, calcule lo siguiente al nivel de esfuerzo creep de 0.1 kPa. 1. Porcentaje de recuperación r(

(

)

(

)

)

.

(3)

Para cada uno de los diez ciclos, calcule lo siguiente al nivel de esfuerzo creep de 3.2 kPa: 1. Porcentaje de Recuperación r(

(

)

(

)

)

.

(4)

3.2.2.3Cálculos de la prueba MSCR. Utilizando los resultados obtenidos con las ecuaciones (3) y (4), determine el promedio del porcentaje de recuperación para el ligante asfáltico en los niveles de esfuerzo creep a 0.1 kPa a 3.2 kPa como se muestra en las siguientes ecuaciones:

(

)

para N=1 a 10

(5)

2. Calcule el promedio del porcentaje de recuperación a 3.2 kPa de la siguiente forma: (

)

para N=1 a 10

(6)

3. Calcule la diferencia del porcentaje en recuperación entre 0.1 kPa y 3.2 kPa como sigue: (7) Usando los datos obtenidos con las ecuaciones (3) y (4) determine el Compliance en Creep No Recuperable entre 0.1 kPa y 3.2 kPa como se indica en las siguientes ecuaciones: Para cada uno de los 10 ciclos a un esfuerzo creep de 0.1 kPa. 1. Calcule el compliance creep no recuperable J nr (0.1, N) kPa-1 como deformación/esfuerzo.

(

)

(10)

Para cada uno de los 10 ciclos a un esfuerzo creep de 3.2 kPa. 1. Calcule el compliance creep no recuperable Jnr (3.2, N) kPa-1 como deformación/esfuerzo.

(

)

(11)

Calcule el promedio del compliance creep no recuperable a 0.1 kPa, Jnr0.1, kPa-1. (

)

(12)

Calcule el promedio del compliance creep no recuperable a 3.2 kPa, Jnr3.2, kPa-1. (

)

(13)

Calcule la diferencia del porcentaje en el compliance creep no recuperable entre 0.1 kPa y 3.2 kPa. Jnrdiff: (14)

1. Calcule el promedio del porcentaje de recuperación a 0.1 kPa de la siguiente manera:

3.2.3 Especificación MP19. Performance- Graded del ligante asfáltico usando el ensayo de Multiple Stress Creep Recovery Los grados de los ligantes asfálticos ambientales requeridos pueden ser seleccionados siguiendo los procedimientos descritos en M323 y R35. Para este ensayo no aplica el incremento del grado PG por criterios de intensidad de tránsito y velocidad de operación (M323). Seleccione los grados de temperaturas altas y bajas ambientalmente apropiados y el apropiado grado “S”, “H”, “V” o “E” para el nivel de tráfico esperado y la velocidad de carga de tráfico. A continuación, en la Tabla 3.1 se muestra la designación de tráfico de los grados “S”, “H”, “V” o “E” de acuerdo a MP19. Tabla. 3.1 Niveles de tráfico y velocidad de la carga de tráfico para los grados “S”, “H”, “V” o “E” de acuerdo a MP19.

Grado “S” Grado estándar (standard grade) “H” Grado Alto (high grade) “V” Grado muy alto (very high grade) “E” Grado extremadamente alto (extremely high grade)

Nivel de Tráfico ESAL

Velocidad de carga de tráfico.

<10 millones

Estándar, >70km/h

10-30 millones

>30 millones

>30millones

Tráfico lento, 2070km/h ó tráfico detenido, <20 km/h y (<20 km/h) Plazas de peaje ó instalaciones portuarias.

En Tabla 3.2, se muestran los criterios de especificación de ligantes asfalticos de grado de desempeño de acuerdo a MP19. En dicha tabla sólo se muestra la temperatura del grado de desempeño 64, se recomienda consultar MP19 para ver los demás grados desempeño. En la misma tabla también se puede observar que para los ensayos después de RTFO para todos los grados Jnrdiff debe ser menor al 75%, este parámetro se conoce como Parámetro de Sensibilidad al Esfuerzo. En la especificación MP19 se indica que el “incremento” se logra usando los grados “H”, “V” ó “E” y no incrementando el grado PG al alta temperatura como se recomienda en M323. Tabla. 3.2. Para un asfalto PGXX-YY, Grado V, necesitamos cumplir con los siguientes requisitos para poder clasificar nuestro asfalto de acuerdo a MP19: En el asfalto original. 1. Punto de inflamación, mín. 230°C 2. Viscosidad rotacional@135°C, máx. 3.0 Pa·s.

3. DSR, G*/seno δ mín. 1.00 kPa @Temp. XX. En el asfalto después de RTFO. 1. Cambio de masa, máx. 1.00% 2. Jnr @3.2 kPa esfuerzo de corte, máx.1.00 kPa -1 @XX; 3. Sensibilidad al esfuerzo, máx. 75%. En el asfalto después de PAV. DSR, G* seno δ máx. 6000 kPa @ Temp. Intermedia de ese grado de desempeño. BBR, S máx. 300 MPa; m-value mínimo de 0.300. Tabla 3.2 AASHTO MP19, Tabla1 @64°C.

64 -10

-16

-22

-28

-34

40

Asfalto Original DSR. Temp. @10 rad/s

64 Asfalto Envejecido-RTFO

MSCR(TP70)Temp. Todos los grados Jnrdiff≤75% Grado”S”: Jnr3.2≤4.0kPa-1 Grado”H”: Jnr3.2≤2.0kPa-1 Grado”V”: Jnr3.2≤1.0kPa-1 Grado”E”: Jnr3.2≤0.5kPa-1 DSR - Temp. @10 rad/s Grado”S” G*seno δ: Máx.5000kPa Grado”H” G*seno δ: Máx.6000kPa Grado”V” G*seno δ: Máx.6000kPa Grado”E” G*seno δ: Máx.6000kPa BBR Temp. @60s Todos los grados Stiffness: Máx. 300Mpa m-value: Mín. 0.300

64

31

Asfalto Envejecido-PAV@100°C 28 25 22 19 16

0

-6

-12

-18

-24

30

3.3 Ensayo de Fatiga de ligantes asfalticos. La falla por fatiga de los asfaltos puede ser definida por tres fases principales de daño separadas por dos puntos de transición que ocurren como resultado de la acumulación de daño. La primera es la fase sin daño (no-damage), durante la cual la relación esfuerzo – deformación permanece constante con las aplicaciones de carga cíclica hasta el ciclo N1. Durante esta primera fase, aunque hay energía de disipación, ésta es constante para cada ciclo y es disipada completamente en amortiguamiento viscoelástico y no en daño. La siguiente fase es el inicio de la grieta, la cual es típicamente caracterizada por un cambio gradual en la respuesta del material por la aplicación controlada de esfuerzo o deformación hasta el ciclo N2. En esta segunda fase, la rigidez (módulo) del asfalto se reduce, lo cual resulta en más daño por ciclo bajo un esfuerzo dado, o un menor esfuerzo requerido para lograr una deformación constante. La última fase es la de propagación de la grieta, durante la cual la respuesta del material varía rápidamente bajo esfuerzo o deformación constante hasta que se alcanza la fractura completa al ciclo N3 (7-9). Ha habido diversos enfoques para representar las transiciones entre las fases sin daño hasta el inicio de la grieta. Se ha visto que la manera más adecuada para evaluar el efecto de los modificadores en la respuesta en fatiga de los ligantes asfálticos es usando el concepto de relación de energía de energía disipado acumulada (DER) propuesto por Ghuzlan y Carpenter en 2000 (10) y Pronk en 1995(11): ∑

(1)

Donde Wi = energía disipada por ciclo Wn = energía disipada en el ciclo n, y ∑ = suma total de energía disipada hasta el ciclo n La investigación ha mostrado que este método permite la estimación de la vida a la fatiga de mezclas asfálticas y también de ligantes asfálticos bajo modos de esfuerzo constante y deformación constante. Np representa la vida a la fatiga del ligante, el cual es el número de ciclos de aplicación de carga para alcanzar la fase de propagación de la grieta. Ya sea a esfuerzo constante o bajo un modo de carga a deformación controlada. (6,11). La selección de niveles representativos de deformación y esfuerzo es, sin embargo, un reto porque en la mayoría de los casos la estructura del pavimento y las propiedades volumétricas de la mezcla no se conocen por completo cuando el ligante asfáltico es ensayado. En estudios previos, hubo una aproximación considerable al determinar niveles de deformación y de esfuerzo, los

cuales incluyeron el análisis de elementos finitos de imágenes de mezclas asfálticas (12). 3.3.1 Procedimiento del ensayo de fatiga (Time Sweep). De acuerdo a NCHRP 459 (6) el ensayo de fatiga es llamado “Resistencia a la fatiga de un ligante asfáltico sometido a carga cíclica repetida usando un reómetro de corte dinámico, RCL por sus siglas en ingles, las condiciones del ensayo son las se muestran en la Tabla 3.3. Una frecuencia de 10 rad/s, representa el movimiento del tráfico a 60 km/h. Tabla.3.3 Condiciones del ensayo RCL. La temperatura de prueba es la temperatura intermedia de diseño del pavimento. Frecuencia de oscilación es Frecuencia seleccionada para se 10rad/s o 100 rad/s. Nivel de esfuerzo en corte o deformación en corte Los esfuerzos cortantes son Ensayo a seleccionados esfuerzo para estar a: constante 500 kPa a 10 rad/s y 1000 kPa a 100 rad /s Las deformaciones en corte son Ensayo de seleccionadas para estar a: deformación 10% a 10 rad/s constante 5% a 100 rad/s. El número total de las repeticiones Número de de los ciclos de carga es ciclos de seleccionado para no exceder: carga 4500 para 10 rad/s 45000 para 100 rad/s Tiempo de Debe ser aproximadamente 3000 ensayo segundos o 50 minutos. Temperatura

4. RESULTADOS. Se realizaron los ensayos de MSCR y RCL a un asfalto modificado y sin modificar. 4.1 Resultados del ensayo MSCR Para el ensayo de MSCR: Las muestras de asfalto original PG64-16, y modificado PG76-16 fueron envejecidas en el RTFO. Los primeros 10 ciclos a un esfuerzo creep de 0.1 kPa y los siguientes 10 ciclos a 3.2 kPa. Cada ciclo con una duración de 1 s en esfuerzo creep seguido de una recuperación a esfuerzo cero de 9 s. En la Tabla 4.1 se muestras los resultados de la prueba Multiple Stress Creep Recovery del asfalto original PG 64-16 y del asfalto modificado PG 76-16. El valor del compliance creep no recuperable Jnr del asfalto modificado y del asfalto original son parecidos al

nivel de esfuerzo 3.2 kPa-1, pero la recuperación de un asfalto modificado es mucho mayor que la del asfalto original en el mismo nivel de esfuerzo. El parámetro de sensibilidad al esfuerzo Jnrdiff del ligante modificado y del no modificado es menor al 75%.

puede observar que el ligante asfaltico no modificado tiene baja elasticidad y el asfalto modificado alta elasticidad.

Tabla 4.1. Resultados del ensayo MSCR en un asfalto AC-20 original @ 64°C y un asfalto modificado @76°C (después de RTFO).

Grado PG. Temperatura del ensayo. Promedio del porcentaje de recuperación a 0.1 kPa,

64

76

64

76

°C

17.17

54.13

kPa

8.38

41.61

kPa

51.21

23.13

kPa

0.82

0.64

kPa-1

0.94

0.80

kPa-1

15.13

23.51

%

0.1513

0.2351

R0.1 Promedio del porcentaje de recuperación a 3.2 kPa,

Figura4.1 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 0.1 kPa del asfalto no modificado.

R3.2 Diferencia del porcentaje entre promedio del porcentaje de recuperación a 0.1 kPa y 3.2 kPa, Rdiff. Compliance creep no recuperable a 0.1 kPa,

Jnr0.1. Compliance creep no recuperable a 0.1 kPa, Jnr3.2. Diferencia del porcentaje entre el Compliance creep no recuperable a 0.1 kPa y 3.2 kPa, Jnrdiff Relación Compliance creep no recuperable.

En las Figura 4.1 y Figura 4.2 se muestran típicos 10 ciclos de Creep-Recuperación a los esfuerzos creep de 0.1 kPa y 3.2 kPa respectivamente del asfalto original. En las Figura 4.3 y Figura 4.4 se muestran típicos 10 ciclos de Creep-Recuperación a los esfuerzos creep de 0.1 kPa y 3.2 kPa respectivamente del asfalto modificado. La Figura 4.5 teniendo en el eje vertical el porcentaje promedio de recuperación a 3.2 kPa y el eje horizontal el compliance creep no recuperable a 3.2 kPa de acuerdo a MP 70 puede ser usada como un indicador de la presencia de un polímero elastomérico. En la misma gráfica sí el punto cae por encima de la línea la indicación es que el ligante asfáltico esta con un polímero elastomérico aceptable, si el punto cae por debajo de la línea la indicación de que el ligante asfáltico no está modificado con un polímero elastomérico. De acuerdo a la Figura 5 se

Figura4.2 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 3.2 kPa del asfalto no modificado.

Figura4.3 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 0.1 kPa del asfalto modificado.

Figura4.3 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 0.1 kPa del asfalto modificado.

Figura 4.5 Indicador de polímero elastomérico de acuerdo a MP 70 de AASHTO.

El asfalto no modificado PG 64-16 el cual no tiene presencia de polímero elastomérico, también muestra poca recuperación elástica en los dos niveles de esfuerzo (0.1 y 3.2 kPa) y con el valor del compliance creep no recuperable Jnr3.2 de 0.94 kPa-1 , de acuerdo a MP19 cumple como un asfalto PG 64-16, Grado V. El asfalto modificado PG 76-16 el cual tiene presencia de polímero elastomérico, también muestra alta recuperación elástica en los dos niveles de esfuerzo (0.1 y 3.2 kPa) y con el valor del compliance creep no recuperable Jnr3.2 de 0.80 kPa-1 , de acuerdo a MP19 cumple como un asfalto PG 76-16, Grado V.

4.2 Resultados del ensayo RCL. Para el ensayo RCL: El ensayo se realizó a deformación controlada. La deformación fue de 10 % para la frecuencia de 10 rad/s. Las muestras de asfalto original PG64-16 y asfalto modificado PG76-16 fueron envejecidas en el RTFO. La temperatura del ensayo para el asfalto original fue de 28 °C, y para el asfalto modificado de 34°C. En la Figura 4.6 y en la Figura 4.7 se muestran los valores del módulo de corte (G*) y del ángulo de fase (δ) del asfalto original y del modificado, respectivamente. En la Figura 4.8 y en la Figura 4.9 se muestra la Relación de Energía Disipada (DER por sus siglas en inglés) versus el número de ciclos del ensayo del fatiga a deformación controlada del asfalto no modificado y del asfalto modificado, respectivamente. En las mimas graficas se indica el valor de la vida a la fatiga (Np) dando los siguientes resultados: Para el asfalto no modificado PG 64-16 se obtuvo un Np igual a 3035 ciclos y para el asfalto modificado PG 76-16 un Np igual a 7300 ciclos. Se puede ver que la propagación de la grieta en un asfalto no modificado se presenta al aplicar menos ciclos de carga que en un asfalto modificado. Esto indica que la influencia del modificador ayuda a que el asfalto modificado sea más duradero.

Figura. 4.6 Modulo de corte (G*) y ángulo de fase (δ) del asfalto no modificado.

Figura. 4.7 Modulo de corte (G*) y ángulo de fase (δ) del asfalto modificado.

Figura. 4.8 Relación de energía disipada (DER) versus número de ciclo del asfalto no modificado.

Figura. 4.9 Relación de energía disipada (DER) versus número de ciclo del asfalto modificado.

CONCLUSIONES 1. Un nuevo ensayo, Multiple Stress Creep Recovery (MSCR), realizado con un reómetro de corte dinámico (DSR), fue desarrollado para capturar la respuesta no lineal del ligante asfáltico y para relacionar esa respuesta a la formación de roderas en mezclas asfálticas. 2. Con ensayo MSCR, las propiedades relativas al desempeño de un ligante asfaltico son determinadas a la temperatura más alta, la cuál es la que el pavimento experimenta, es decir, no se usa el “incremento” del grado PG. 3. El compliance creep no recuperable Jnr está mejor correlacionado con la formación de roderas del pavimento que G*/seno δ. 4. El ensayo MSCR puede ser utilizado para identificar la modificación elastomérica. 5. Es importante conocer el Jnr y la Recuperación del ligante asfáltico modificado para saber si este tiene propiedades elásticas significativas. 6. El uso de los datos del ensayo de la Rueda de Hamburgo se pueden utilizar para validar el uso de Jnr como un parámetro de desempeño para la deformación a alta temperatura. 7. La falla a la fatiga puede ser definida usando la Relación de Energía Disipada (DER). 8. Para validar el ensayo de fatiga se recomienda que se realice lo siguiente: El ensayo deberá realizarse a esfuerzo controlado y deformación controlada a diferentes velocidades de carga (frecuencias) para cada condición y se deberá analizarse el asfalto base y el asfalto modificado con diferentes modificadores para ver el efecto que tienen los modificadores sobre el ligante en el desempeño a la fatiga dependiendo de las condiciones del ensayo. REFERENCIAS 1. 2.

3. 4. 5.

6.

Asphalt Institute (MS-4). The Asphalt Handbook. Manual Series No 4. 7th Edition. Moalla Hamed, F.K. (2010). Evaluation of Fatigue Resistance for Modified Asphalt Concrete Mixtures Based on Dissipated Energy Concept. Technische Universität Darmstadt. Asphalt Institute (MS-26). The Asphalt Binder Handbook. Manual Series No 26. 1st Edition. Asphalt Institute (MS-25). Asphalt Binder Testing. Manual Series No 25. 3rd Edition. Reese, R. E. (1997). Properties of Aged Asphalt Binder Related to Asphalt Concrete Fatigue Life. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 66, 1997, pp. 604–632. Bahia, H. U., Hanson, D.I., Zeng, M., Zhai, H., Khatri, M.A. y Anderson, R.M. (2001). Project NCHRP Report 459 Characterization of Modified Asphalt Binders in Superpave Mix Design.

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APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS TIBIAS EN MÉXICO ING. ÁLVARO GUTIÉRREZ MUÑIZ Departamento de Asfaltos de QUIMIKAO, México [email protected]

VIII Congreso Mexicano del Asfalto 27 al 31 de Agosto, 2013 Cancún, Quintana Roo

RESUMEN

Las mezclas asfálticas “Tibias” o “Warm Mix Asphalt”, constituyen un grupo de tecnologías las cuales pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas, colocadas y compactadas sin afectar las propiedades reológicas del asfalto y la mezcla en la etapa de servicio; esta reducción de temperatura de mezclado y compactación puede variar dese los 10° hasta los 50°C dependiendo de la tecnología empleada. Las ventajas de las mezclas asfálticas “Tibias” al reducir las temperaturas en la etapa de mezclado y compactación son muy amplias, ya que podemos obtener mezclas con bajos porcentajes de vacíos y altas densificaciones, podemos tener un mayor margen de horario de trabajo para colocar las mismas, podemos reducir la cantidad de energía utilizada y otras más, siendo la principal la reducción de la oxidación del asfalto, ya que la mayor velocidad de oxidación del mismo ocurre precisamente en la etapa de mezclado y compactación fomentada por la alta temperatura y la pequeña capa de asfalto que cubre el agregado en contacto con el oxígeno del medio ambiente, al reducir la temperatura reducimos la velocidad de oxidación incrementando la vida del asfalto en el pavimento al hacerlo menos rígido.

En este trabajo mostramos nuestras experiencias de tres aplicaciones en campo de mezclas asfálticas tibias realizadas en diferentes sitios del país. En cada una de estas tres aplicaciones se modificó el asfalto con diferentes formulaciones considerando las variaciones de clima y tráfico de cada lugar, así como el tipo y granulometría de cada agregado.

1.- INTRODUCCIÓN Las “Mezclas Asfálticas Tibias” (Warm Mix Asphalt), constituyen un grupo de tecnologías, las cuales pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas, colocadas y compactadas sin afectar las propiedades reológicas del asfalto y la mezcla en la etapa de servicio. La mayoría de estas tecnologías tienden a reducir la viscosidad del asfalto con el objetivo de facilitar el mezclado de este con el agregado así como la posterior compactación de la mezcla obteniendo muchas ventajas respecto a las mezclas en caliente tradicionales. Otras tecnologías de mezcla tibia disminuyen la tensión interfacial entre el agregado y asfalto para facilitar el mezclado y la compactación logrando también reducir la temperatura de la mezcla. La reducción de temperatura varía según la tecnología empleada y puede ser desde los 10° hasta 50°C menos que las mezclas en caliente que utilizan asfalto tipo AC-20. Al utilizar este tipo de tecnologías “WMA” se obtienen beneficios tanto en la pavimentación como en el medio ambiente: * Beneficios de utilizar mezclas tibias en la pavimentación.  Facilidad para compactar empleando menos esfuerzos y menor temperatura obteniendo valores de densidades muy cercanos a la densidad de diseño.  Obtener el óptimo porcentaje de vacíos en la mezcla asfáltica compactada, con lo cual evitamos la oxidación del asfalto.  Habilidad para que la mezcla asfáltica sea transportada a grandes distancias de donde es producida,  Habilidad para poder incorporar un mayor porcentaje de mezcla asfáltica reciclada (RAP).  Reducción de la oxidación del asfalto en la etapa de mezclado, colocación y compactación incrementando la durabilidad del pavimento. * Beneficios de utilizar mezclas tibias en el medio ambiente.  Al tener que calentar menos el asfalto para elaborar la mezcla asfáltica ahorramos el consumo de combustible reduciendo las emisiones de diversos gases, siendo el principal el Dióxido de Carbono que es el responsable del calentamiento global. En USA la producción aproximada de Dióxido de Carbono en las plantas de mezclas asfálticas en caliente es de aproximadamente 2,500 toneladas por año, con el uso de las mezclas asfálticas es posible reducir esta cantidad hasta 1700 toneladas. * Beneficios de utilizar mezclas tibias en las condiciones de trabajo.  Reducción de los humos azules (componentes volátiles orgánicos) generados en la colocación de las mezclas asfálticas en caliente, con los cuales los trabajadores aspiran menos cantidades de los mismos.  Menor consumo de combustible por parte de la maquinaría debido a que con menos esfuerzo se obtienen altos valores de densidad de la mezcla.

Las principales tecnologías para producir mezclas Asfálticas Tibias son:  Adición de agua en el asfalto. Este tipo de tecnología disminuye la viscosidad del asfalto a altas temperaturas debido a la presencia de una pequeña cantidad de agua en forma de vapor en el asfalto para que la misma produzca una espuma controlada reduciendo así la viscosidad del mismo. Dentro de este grupo contamos principalmente con dos técnicas; una es mediante la inyección de agua a presión por medio de unos inyectores produciendo una espuma uniforme en todo el asfalto, esta tecnología recibe el nombre de “Double Barrel Green”, y la otra técnica es mediante la adición de Zeolitas sintéticas; las Zeolitas son aluminio silicatos cuya molécula contiene aproximadamente 20% de agua, al adicionar la Zeolita en el asfalto, el agua es evaporada formándose una espuma uniforme en el asfalto reduciendo la viscosidad del mismo.  Adición de polímeros orgánicos en el asfalto. Este tipo de tecnología basa la reducción de la viscosidad del asfalto a temperaturas entre 100° y 160°C debido a que se le adiciona un polímero orgánico (Hidrocarburo Alifático). Esta técnica es la más aplicada en el mundo, simplemente en Estados Unidos se han aplicado más de 250,000 toneladas de Mezcla Asfáltica Tibia y en el mundo se han aplicado más de 10 millones de toneladas. La desventaja principal de usar estos polímeros orgánicos es que aumentan la viscosidad del asfalto a bajas temperaturas ocasionando problemas de fisuración por fatiga si se usan grandes cantidades del mismo.  Adición de Tensoactivos en el asfalto. Este tipo de tecnología se basa en la reducción de la tensión interfacial generada entre el asfalto y el agregado, logrando reducir las temperaturas de mezclado y compactación de las mezclas asfálticas.  Adición de arena húmeda a una mezcla de agregado grueso. Este tipo de tecnología basa la reducción de la viscosidad del asfalto debido a que se adiciona arena húmeda a una mezcla asfáltica de agregado grueso que contiene exceso de asfalto a temperaturas entre 120 y 150°C, cuando la arena húmeda tiene contacto con la mezcla de agregado grueso, el agua se evapora haciendo espuma y reduciendo la viscosidad del asfalto facilitando la compactación de la mezcla. Más de 38,000 toneladas de Mezcla Asfáltica Tibia se han aplicado en Estados Unidos y más de 100,000 toneladas se han aplicado en el mundo. Esta es una de las principales tecnologías aplicadas en Europa. Tal como le hemos explicado las mezclas asfálticas en “Tibio” (Warm Mix Asphalt), pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas y colocadas mediante diversas tecnologías; la mayoría de estas tienden a reducir la viscosidad del asfalto solo a estas altas temperaturas en la que se realiza el mezclado y la compactación. El Instituto del Asfalto de USA y la metodología SUPERPAVE, recomiendan para fabricar una mezcla asfáltica en el laboratorio y

utilizando asfalto sin modificar una viscosidad del asfalto de 170 +/- 20 centipoises para obtener un excelente mezclado y una viscosidad del asfalto de 280 +/- 30 centipoises para obtener una excelente compactación, es importante aclarar nuevamente que las anteriores recomendaciones son para fabricar la mezcla en el laboratorio y no son recomendaciones para la aplicación en campo, más sin embargo es de gran utilidad para el constructor contar con estos datos generalmente mostrados en una gráfica como punto de partida al inicio de la construcción de la carpeta. Al utilizar las tecnologías de las mezclas tibias, estas recomendaciones de viscosidad de mezclado y compactación no son muy efectivas y por lo tanto las temperaturas de mezclado y compactación deben ajustarse en campo siguiendo las recomendaciones del fabricante del asfalto especial para estas mezclas tibias. La tecnología de Mezclas Asfálticas Tibias que se ha utilizado en México y se reporta en este estudio, consiste en la adición a el asfalto de un aditivo químico base poliaminas grasas que modifica las propiedades reológicas del mismo tal como lo muestra la gráfica de la figura uno. En esta gráfica podemos observar que el asfalto aditivado disminuye su viscosidad respecto al asfalto original AC-20 a las temperaturas entre 100 y 160°C para promover beneficios a la cuales las mezclas asfálticas son producidas, y colocadas, también podemos observar que aumenta su viscosidad respecto a el asfalto original a las temperaturas entre 52 y 82°C para reducir los problemas de deformación permanente y finalmente observamos que disminuye su viscosidad respecto al asfalto original a temperaturas menores a 25°C para reducir problemas de fisuración por fatiga.

Figura 1- Comportamiento lineal de la viscosidad del asfalto AC-20 de Salamanca y comportamiento especial de la viscosidad del asfalto WMA en función de la temperatura.

El uso de la tecnología de las “Mezclas Asfálticas Tibias” ha tenido un importante crecimiento en el transcurso de los últimos años en los países desarrollados y tomando como referencia a el país de Estados Unidos de Norteamérica, este ha incrementado el uso de esta tecnología observando grandes beneficios ambientales y en la pavimentación, por lo que la NAPA (National Asphalt Pavement Association) ha publicado en su segundo reporte de encuesta anual de la industria del pavimento asfáltico, este incremento de la producción de las mezclas asfálticas tibias, siendo el DOT (Department of Transportation) quién más ha incrementado su utilización. La figura 2 muestra estos resultados.

Figura 2- Millones de toneladas de “Mezcla Asfáltica Tibia” utilizadas en los últimos años en USA.

2.- Aplicaciones en campo con las Mezclas Asfálticas Tibias. A).- Aplicación en la ciudad de Guadalajara, Jalisco, México. Estas aplicaciones fueron realizadas en el mes de Noviembre del 2010 en la calle de Juan Álvarez entre las avenidas Federalismo y Tolsa y en la calle Morelos entre las calles Luis Pérez Verdia y Salado Álvarez.

Figura 3- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la calle de Juan Álvarez en la ciudad de Guadalajara.

En esta aplicación fue necesario utilizar 11.0% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de 82 -22 que fue compactado a 100°C. La figura 4 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto AC-20 del cual se partió para su modificación. Propiedades reológicas del

Condición de envejecimiento

Resultado AC-20 (Salamanca)

Asfalto WMA

Punto de inflamación

Sin envejecimiento

275°C

275°C

230°C, mín.

Viscosidad a 135°C

Sin envejecimiento

0.415 Pa s

0.209 Pa s

3 KPa, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase.

Sin envejecimiento

1.314 KPa (64°C)

1.359 KPa (82°C)

1.00 KPa, mín.

Pérdida de masa

RTFO

1.42%

1.32%

1.00%, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase

RTFO

5.952 KPa

2.351 KPa

2.20 KPa, mín.

(64°C)

(82°C)

4,264 KPa

2,892 KPa

(28°C)

(34°C)

Asfalto

G* / sen  a la temperatura de prueba

G* / sen  a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase

PAV

G* x sen  a la temperatura de prueba

Resultado

Requisito

5000 Kpa, máx.

Rigidez en creep “S” a la temperatura de prueba

PAV

225 MPa (-6°C)

158 MPa (-12°C)

300 Mpa, máx

Valor m a la temperatura de prueba

PAV

0.323 (-6°C)

0.346 (-12°C)

0.300, mín.

Figura 4 – Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto AC-20 de Salamanca (PG 64 –16) y del asfalto WMA (PG 82 -22).

En la tabla de la figura 5 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto AC-20 de Salamanca y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que el asfalto utilizado en la mezcla tibia fue un PG 82 -22, cabe aclarar que la

prueba de RTFO fue realizada a 163°C tal como lo indica la norma, aunque la mezcla en campo nunca alcanzó esta temperatura por lo nos permitimos realizar la prueba de RTFO a 143°C y el asfalto aumento un grado PG en la parte de baja temperatura, es decir, de ser un asfalto PG -22 se convirtió en PG -28, esto significa que incrementamos la vida del asfalto al disminuir su rigidez en la carpeta a bajas temperaturas reduciendo la aparición de grietas; hasta hoy (2 años y medio de haber aplicado la carpeta) no se observan grietas ni deformación permanente.

AC-20 (Salamanca)

Asfalto WMA

Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas)

0

1

Temperatura de modificación (°C)

150 a 155

150 a 155

Mezcla Asfáltica

Mezcla Asfáltica WMA

Temp. Asfalto en el mezclado (°C)

150

150

Temp. Agregado en el mezclado (°C)

155

135

Temp. de la mezcla (°C)

155

135

Velocidad de producción

190

216

Temp. de compactación (°C)

145°C

100°C

Emisiones de CO

+ 2.2

Referencia

3

(m /hr)

3

2

(Ton / 365m de mezcla asfáltica) Figura 5 – Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto AC-20 de Salamanca y utilizando el asfalto WMA.

Después de dos años y medio de haber sido aplicada esta carpeta, esta se encuentra en perfectas condiciones no presentado problemas de deformación permanente ni de fisuras por fatiga, el problema de roderas no se presenta porque es un asfalto PG 82 y la fisuración por fatiga no se presenta porque es un asfalto PG -22. Esta tecnología de hacer un asfalto blando elástico permite obtener carpetas asfálticas muy flexibles ideales para calles de ciudades que cuentan con bases débiles y con espesores menores entre 4 y 5 cm.

B).- Aplicación en la carretera San Luis Potosí a Querétaro. Esta aplicación fue realizada en la carretera San Luis Potosí a Querétaro en el kilómetro 63+704 a el kilómetro 63+200 en los carriles de alta y baja velocidad y fue comparada con una mezcla asfáltica fabricada con asfalto modificado con polímero tradicional aplicada en el mismo kilometraje soló que en el sentido Querétaro a San Luis Potosí.

Figura 6- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la carretera San Luis Potosí-Querétaro Km 63.

En esta aplicación fue necesario utilizar 5.0% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de 76 -16 que fue compactado a 120°C. La figura 7 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto modificado con polímero. Propiedades reológicas del

Condición de envejecimiento

Resultado Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Punto de inflamación

Sin envejecimiento

280°C

280°C

230°C, mín.

Viscosidad a 135°C

Sin envejecimiento

0.978 Pa s

0.311 Pa s

3 KPa, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase.

Sin envejecimiento

1.472 KPa (76°C)

1.399 KPa (76°C)

1.00 KPa, mín.

Pérdida de masa

RTFO

1.22%

1.15%

1.00%, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase

RTFO

5.024 KPa

3.647 KPa

2.20 KPa, mín.

(76°C)

(76°C)

4,527 KPa

3,955 KPa

(34°C)

(34°C)

Asfalto

G* / sen  a la temperatura de prueba

G* / sen  a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase

PAV

G* x sen  a la temperatura de prueba

Resultado

Requisito

5000 Kpa, máx.

Rigidez en creep “S” a la temperatura de prueba

PAV

274 MPa (-6°C)

162 MPa (-6°C)

300 Mpa, máx

Valor m a la temperatura de prueba

PAV

0.313 (-6°C)

0.318 (-6°C)

0.300, mín.

Figura 7 – Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto modificado con polímero (PG 76 –16) y del asfalto WMA (PG 76 -16).

En la tabla de la figura 8 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con un polímero tradicional y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que en el proceso de mezclado la mezcla tibia fue calentada a una temperatura máxima de 135°C, mientras que la mezcla con el asfalto modificado con polímero alcanzó una temperatura de 175°C, en esta etapa de mezclado el asfalto se encuentra cubriendo a el agregado en forma de una película con un espesor muy pequeño y el oxígeno reacciona rápidamente con el mismo y esta velocidad de reacción aumenta conforme aumenta la temperatura, esto significa que el asfalto modificado con polímero reaccionará en mayor proporción con el oxígeno incrementando su rigidez aumentando la posibilidad de fisurarse a bajas temperaturas; por lo que utilizando el asfalto WMA disminuimos la velocidad de oxidación y por lo tanto incrementamos la vida del mismo en la carpeta asfáltica reduciendo la aparición de grietas en la carpeta.

Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas)

4a5

1

Temperatura de modificación (°C)

180 a 190

150 a 160

Mezcla Asfáltica

Mezcla Asfáltica WMA

Temp. Asfalto en el mezclado (°C)

175

150

Temp. Agregado en el mezclado (°C)

175

135

Temp. de la mezcla (°C)

175

135

Velocidad de producción

180

216

Temp. de compactación (°C)

165°C

120°C

Emisiones de CO

+ 2.4

Referencia

3

(m /hr)

3

2

(Ton / 365m de mezcla asfáltica) Figura 8– Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con polímero (PG 76 -16) y utilizando el asfalto WMA PG (76 -16).

C).- Aplicación en la carretera Reforma – Dos Bocas en Tabasco. Esta aplicación fue realizada en la carretera Reforma-Dos Bocas en el kilómetro 31+200 en el cuerpo B en ambos carriles en el sentido hacia Reforma. Esta mezcla tibia fue comparada con una mezcla asfáltica fabricada con asfalto modificado con polímero tradicional aplicada en el mismo kilometraje soló que en el sentido hacia Dos Bocas.

Figura 9- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la carretera Reforma-Dos Bocas Km 31 en Tabasco.

En esta aplicación fue necesario utilizar 3.7% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de 70 -16 que fue compactado a 90°C. La figura 10 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto modificado con polímero. Propiedades reológicas del

Condición de envejecimiento

Resultado Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Punto de inflamación

Sin envejecimiento

256°C

250°C

230°C, mín.

Viscosidad a 135°C

Sin envejecimiento

0.478 Pa s

0.299 Pa s

3 KPa, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase.

Sin envejecimiento

1.573 KPa (70°C)

1.021 KPa (70°C)

1.00 KPa, mín.

Pérdida de masa

RTFO

1.55%

1.55%

1.00%, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase

RTFO

5.867 KPa

3.647 KPa

2.20 KPa, mín.

(70°C)

(70°C)

4,527 KPa

2,359 KPa

(31°C)

(31°C)

Asfalto

G* / sen  a la temperatura de prueba

G* / sen  a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase

PAV

G* x sen  a la temperatura de prueba

Resultado

Requisito

5000 Kpa, máx.

Rigidez en creep “S” a la temperatura de prueba

PAV

196 MPa (-6°C)

147 MPa (-6°C)

300 Mpa, máx

Valor m a la temperatura de prueba

PAV

0.322 (-6°C)

0.315 (-6°C)

0.300, mín.

Figura 10 – Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto modificado con polímero (PG 70 –16) y del asfalto WMA (PG 70 -16).

En la tabla de la figura 11 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con un polímero tradicional y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que en el proceso de mezclado la mezcla tibia fue calentada a una temperatura máxima de 135°C, mientras que la mezcla con el asfalto modificado con polímero fue calentada a una temperatura de 170°C y como la velocidad de oxidación del asfalto es directamente proporcional a la temperatura, esta ocurre en mayor proporción en el asfalto modificado con polímero. Los resultados de la prueba de RTFO mostrados en tabla de la figura 10, fueron realizados a 163°C tal como lo indica la norma, como la mezcla en campo nunca alcanzó esta temperatura, nos permitimos realizar la prueba de RTFO a 143°C y el asfalto aumento un grado PG en la parte de baja temperatura, es decir, de ser un asfalto PG -16 se convirtió en PG -22, esto significa que disminuyendo la rigidez del asfalto incrementamos la vida del mismo en la carpeta asfáltica reduciendo la aparición de grietas en la carpeta.

Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas)

5a6

1

Temperatura de modificación (°C)

180 a 190

150 a 160

Mezcla Asfáltica

Mezcla Asfáltica WMA

Temp. Asfalto en el mezclado (°C)

170

150

Temp. Agregado en el mezclado (°C)

170

135

Temp. de la mezcla (°C)

170

135

Velocidad de producción

100

140

Temp. de compactación (°C)

150°C

90°C

Emisiones de CO

+ 2.3

Referencia

3

(m /hr)

3

2

(Ton / 365m de mezcla asfáltica) Figura 11 – Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con polímero (PG 70-16) y utilizando el asfalto WMA PG (70 -16).

Conclusiones: Construir carpetas asfálticas utilizando la tecnología de las “Mezclas Asfálticas Tibias” es ya una realidad en los países desarrollados y en México, dado la obtención de los beneficios tanto del cuidado del medio ambiente debido a la reducción de emisiones de Dióxido de Carbono al utilizar menos energía, así como en el incremento de la vida útil de la carpeta asfáltica dado que se facilita la compactación y se reduce la velocidad de oxidación del asfalto. La tecnología de “Mezcla Asfáltica Tibia” mostrada en este estudio utilizando un asfalto grado PG 82 -22 que se compactó a 100°C proporciona un asfalto blando ideal para construir carpetas asfálticas de espesores entre 4 y 7 centímetros colocadas sobre base con bajo soporte estructural, esto lo hemos observado en las aplicaciones en las calle de la ciudad de Guadalajara donde carpetas de 4 cm fueron colocadas sobre bases débiles y después de dos años y medio no se observan daños de rodera ni fisuración por fatiga.

La reducción de temperatura en la etapa del mezclado y compactación de las mezclas asfálticas tibias disminuye la rigidez del asfalto a bajas temperaturas, esta reducción puede aumentar en el asfalto un grado PG a bajas temperaturas y de tener un asfalto grado PG -16 se puede convertir en un asfalto PG -22.

Aplicación del método RAMCODES en el diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño Freddy J. Sánchez-Leal RAMCODES de Venezuela, C.A. Coro, Venezuela [email protected] Resumen Se presenta la aplicación del método RAMCODES para el diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño. Esta aplicación se realiza en dos partes, la primera corresponde al análisis de vacíos y relación filler-bitumen; mientras que la segunda trata de la evaluación de la influencia de la gradación en las propiedades de desempeño de la mezcla asfáltica. Para la selección de las combinaciones de agregado se utiliza un software de combinación. En la primera parte se utilizan el polígono de vacíos, que en este trabajo se integra con la definición y especificaciones de la relación filler-bitumen. En la segunda parte se utiliza la carta de gradación para evaluar los resultados de ensayos de susceptibilidad a la humedad, susceptibilidad a la deformación plástica, y medición del módulo dinámico. Todos estos ensayos corresponden a los niveles 1, 2 y 3 de la pirámide mexicana de diseño. El polígono de vacíos demuestra nuevamente ser una muy útil herramienta para acelerar el diseño de una mezcla asfáltica, pero la integración con el criterio de relación filler-bitumen potencia grandemente sus ventajas. Finalmente, la carta de gradación, en compañía de los mapas de resistencia, demuestra nuevamente ser una excelente herramienta de análisis para evaluar la influencia de la gradación en el desempeño de una mezcla asfáltica. Este artículo promueve el uso exhaustivo de las herramientas RAMCODES en el diseño de mezclas con el Protocolo Mexicano. Palabras clave: Superpave, mezclas asfálticas, RAMCODES, filler-bitumen, polígono de vacíos.

Introducción

Este trabajo presenta una aplicación de la metodología RAMCODES para el análisis y diseño de mezclas asfálticas en el diseño Superpave y con mediciones de desempeño según requerimientos del Protocolo Mexicano de diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño. Constituye el tercero de una serie de artículos de desarrollo de la tecnología RAMCODES aplicada a mezclas asfálticas.

La aplicación de RAMCODES se realiza en dos partes, la primera está dedicada al análisis volumétrico y de relación filler-bitumen de la mezcla asfáltica, para lo cual se usa la herramienta polígono de vacíos. En este trabajo se introduce una novedad en este análisis y es la incorporación de la verificación de los rangos de contenido de asfalto permitidos según la relación filler-bitumen. En la segunda parte de este trabajo se analiza la influencia de la gradación en el desempeño de la mezcla asfáltica compactada utilizando el enfoque de la carta de gradación. Los parámetros de desempeño que se evalúan corresponden a los tres primeros niveles de la Pirámide de Diseño de Mezclas Asfálticas de Alto Desempeño, con ensayos de susceptibilidad a la humedad, susceptibilidad a la deformación plástica y medición de módulo dinámico. El programa experimental fue diseñado por este autor y realizado en 2012 como servicio contratado en los laboratorios del Centro Nacional de Tecnología del Asfalto (NCAT) ubicado en Alabama, EEUU, utilizando agregados y asfalto sin modificante de sus almacenes.

Metodología

Para realizar esta validación se realizó en dos partes. Primero se elaboró un diseño de mezcla asfáltica siguiendo las directrices del método RAMCODES, y otro siguiendo el método Superpave, que coincide en su fase de análisis volumétrico y susceptibilidad a la humedad con el Protocolo Mexicano de Diseño de Mezclas Asfálticas de Alto Desempeño. En la segunda parte, se evaluó la influencia de la gradación de la mezcla en las propiedades de resistencia de la mezcla asfáltica, en tres de los cuatro niveles de la Pirámide Mexicana de Diseño, resistencia retenida en prueba TSR, deformación plástica acumulada en ensayo APA, y módulo resiliente en ensayo SPT. Los ensayos fueron realizados en los laboratorios del Centro Nacional de Tecnología del Asfalto (NCAT, por sus siglas en inglés) como un servicio contratado por RAMCODES International, Inc., con agregados y ligante asfáltico (sin modificar) procedentes de los almacenes de dicha institución. Metodología RAMCODES RAMCODES, un acróstico de Metodología Racional para el Análisis de Densificación y Resistencia de Geomateriales Compactados. Esta tecnología, desarrollada por este autor desde 1998, permite analizar y diseñar geomateriales para carreteras tales como suelos compactados y mezclas asfálticas.

En el caso de las mezclas asfálticas, RAMCODES presenta cuatro herramientas de análisis que serán utilizadas en esta investigación, a saber: Carta de gradación, Combinador de agregados, Polígono de vacíos, y Mapa de resistencia. La carta de gradación es un gráfico para representar, de forma alternativa a los métodos tradicionales, granulometrías y especificaciones de mezclas asfálticas de gradación densa o continua. La base de la carta de gradación es la representación punto-ámbito. Los pares experimentales de una granulometría, es decir, diámetro de tamiz y porcentaje pasante respectivo, pueden ser ajustados con un sencillo modelo alométrico, o mejor conocido en la jerga de mezclas asfálticas como Fuller. El modelo tiene la siguiente forma:

Donde: Pi es el porcentaje pasante a través de un tamiz cualquiera, Di es la abertura o diámetro del tamiz en cuestión, Dmax es la intersección para porcentaje pasante de 100%, y n es un parámetro llamado factor de forma, que tiene en cuenta la estructura granulométrica. Para ser válido, este modelo necesita un factor de bondad de ajuste, R2, superior a 0.97.

Al representar una granulometría en el espacio n-Dmax, esta se transforma de una curva en un punto.

Figura 1. Conversión de una curva granulométrica en un punto. De igual manera, una especificación o huso granulométrico, que comúnmente se representa por una curva superior (fina), y otra inferior (gruesa), se representa en el espacio n-Dmax como un rectángulo, donde los vértices vienen dados por combinaciones del ajuste Fuller de la curva superior (n1, D1) y la inferior (n2, D2).

Figura 2. Conversión de un huso granulométrico en un ámbito.

Una carta de gradación es, en suma, una representación punto-ámbito de todas o varias de las especificaciones granulométricas, además de granulometrías (puntos), y también tendencias de un gráfico de contorno de respuesta (mapa de resistencia).

Figura 3. Carta de gradación con especificaciones Superpave.

Combinador de agregados El combinador de agregados es una aplicación de software, desarrollada en RAMCODES, que automatiza la conocida fórmula analítica para combinación de agregados:

Donde P es el porcentaje que pasa un tamiz determinado, resultante de la combinación de los agregados A, B, C …N. Mientras que a, b, c…n, son las proporciones, expresadas en forma decimal, de los materiales empleados, cuya sumatoria es igual a 1. El software es alimentado con las granulometrías de cada uno de los agregados que se pretenden mezclar, y con los parámetros Fuller n y Dmax de la granulometría objetivo, o bien, con el ámbito, o ámbitos, de especificación granulométrica en donde se desea encontrar las posibles combinaciones de los agregados estudiados que cumplan con el objetivo deseado. Este software resulta de gran ayuda en la combinación económica y rápida de agregados, para sacar el máximo potencial de los agregados con los que se cuenta; en especial cuando

se trata de preservar la premisa de usar los agregados locales, para evitar los grandes cargos por transporte.

Figura 4. Salida de un software de combinación de agregados.

Polígono de vacíos El polígono de vacíos es una construcción gráfica original de RAMCODES, y se define como el área máxima, en el espacio contenido de asfalto versus gravedad específica bulk, donde se cumplen simultáneamente todas las especificaciones de vacíos para el diseño de una mezcla asfáltica. La coordenada en “x” del centroide de esta área se conoce como contenido óptimo de asfalto de prueba. Para construir el polígono de vacíos se utilizan las típicas fórmulas de las definiciones de vacíos de aire, vacíos en el agregado mineral, y vacíos llenados con asfalto que pueden encontrarse en los manuales MS-2 y SP-2 del Instituto Norteamericano del Asfalto. El manejo de las intersecciones se realiza según una coordinación lógica desarrollada por RAMCODES y que ha sido automatizada en hojas de cálculo y aplicación de software para mayor facilidad de obtención. Esta construcción requiere también los valores de gravedad específica del ligante asfáltico, Gb, bulk de la combinación de agregados, Gsb, y efectiva, Gse, además de los rangos normativos de todas las especificaciones de vacíos. Los vacíos en el agregado mineral no tienen un valor máximo; sin embargo, según la recomendación del reporte NCHRP, se toma un valor máximo igual al valor mínimo normativo correspondiente más 1.5%. El polígono de vacíos es una herramienta sumamente útil para la obtención del contenido de asfalto óptimo de una mezcla asfáltica en el nivel de análisis volumétrico pues produce

el mismo resultado que un diseño Marshall o Superpave pero con entre 4 y 5 veces menos briquetas. De utilizarse el polígono de vacíos en el Protocolo Mexicano, se podrían utilizar las briquetas o pastillas que no son necesarias en el diseño volumétrico para realizar pruebas de desempeño en los otros niveles de la Pirámide de Diseño. En ocasión del presente trabajo de investigación se incluyó en el análisis típico del polígono de vacíos la verificación de la relación filler-bitúmen (DP), por medio de la siguiente relación que se desarrolla a partir de las fórmulas de definición de los parámetros en los que se basa la DP.

Donde, DP es la relación fíller-bitumen, cuyo rango recomendado es entre 0.6 y 1.2, pero para mezclas con gradación por debajo de la zona restringida se puede ampliar hasta 0.8-1.6, según el manual SP-2. P0.075 es el pasante del tamiz No. 200, cuya abertura es 0.075 mm Pbe es el contenido de asfalto efectivo, cuya expresión analítica es:

Donde, Pb es el contenido de asfalto, como porcentaje de la masa total de la mezcla, Pba es el asfalto absorbido por el agregado, expresado como porcentaje de la masa del agregado; su fórmula es la siguiente:

Ps es el contenido de agregado, expresado como porcentaje de la masa total de la mezcla; su expresión analítica es:

Operando con todas las expresiones anteriores es sencillo encontrar la siguiente fórmula:

Esta fórmula se utiliza para comparar el rango del polígono, es decir, los contenidos de asfalto máximo y mínimo dados por sus vértices, con los contenidos de asfalto máximo y mínimo dados por esta expresión, que toma en cuenta el rango recomendado para la relación fíller-bitumen, tal como se muestra en la figura siguiente. 2.490 2.480 2.470 Gmb

2.460 2.450

polyvoids

2.440

centroid

2.430

minDP

2.420

maxDP

2.410 2.400 3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

Pb

Figura 5. Polígono de vacíos integrado con criterios filler-bitumen,

Mapas de resistencia Los mapas de resistencia son gráficos de contorno en 2D que muestran la variación de una respuesta seleccionada del material en estudio, con respecto a la variación simultánea de otras dos variables influentes. Esté gráfico se utiliza en RAMCODES tanto para diseñar suelos compactados como mezclas asfálticas. En el caso particular de este artículo, se utilizarán mapas de resistencia para expresar la variación de respuestas como TSR, deformación APA y módulo dinámico dentro de una carta de gradación, es decir, para estudiar la influencia de la gradación de la mezcla en estas propiedades.

Pirámide de diseño La Pirámide Mexicana de Diseño de Mezclas Asfálticas es una construcción gráfica que acompaña el Protocolo Mexicano y que muestra de forma didáctica los diferentes niveles de diseño de una mezcla, y que están jerarquizados según la intensidad del tránsito a servir.

Figura 6. Pirámide mexicana de diseño de mezclas asfálticas.

La pirámide tiene cuatro niveles, a saber: Primer nivel: corresponde a la selección de los agregados, del ligante asfáltico, al diseño volumétrico de la mezcla asfáltica y a la verificación de la susceptibilidad a la humedad (ensayo TSR). Este nivel está reservado solo para vías con bajo nivel de tránsito. Segundo nivel: además de los requerimientos del Primer Nivel, se evalúa el desempeño de la mezcla asfáltica bajo deformación permanente. Usualmente se utilizan ensayos como la Rueda de Hamburgo, el Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA), o la Rueda Española. Este nivel es indicado para vías con niveles de tránsito de 1 a 10 millones de ejes equivalentes. Tercer nivel: además de los requerimientos del Segundo Nivel, se evalúa el desempeño de la mezcla asfáltica midiendo su módulo dinámico bajo diversas combinaciones de temperaturas y frecuencias de carga. Esta información sirva bien sea para validar diseños de pavimentos o para aportar información para su modelación a través de métodos mecanicistas. Este nivel es indicado para vías con tránsito entre 10 y 30 millones de ejes equivalentes. Cuarto nivel: además de los requerimientos del Tercer Nivel, se evalúa el desempeño de la mezcla asfáltica midiendo su susceptibilidad a la fatiga por carga repetida. Usualmente se utilizan el estándar norteamericano que involucra la medición a través de una viga cargada en tres puntos, o el estándar europeo que utiliza el mismo arreglo que un ensayo de tracción indirecta, pero con carga cíclica y un arreglo de medidores de deformación en direcciones

ortogonales de la briqueta. Este nivel es indicado para vías con tránsito superior a 30 millones de ejes equivalentes. Para las comprobaciones de la primera parte de este estudio se utilizó el Primer Nivel. Mientras que para la evaluación de la segunda parte se utilizaron los niveles Segundo y Tercero.

Resultados experimentales

Agregados La siguiente tabla resume la granulometría e identificación para cada uno de los agregados utilizados en esta investigación. Tabla 1. Granulometría de agregados utilizados. Gradation Summary Sieve Size English metric

LMS 57's LMS 78's Shorter Sand Granite M10's LMS 67's Granite 89's

1"

25

97.9

3/4"

19

78.1

1/2"

12.5

23.2

98.1

65.5

3/8"

9.5

5.6

77.4

36.9

99.8

#4

4.75

3.1

22.8

99.0

99.3

4.7

31.1

95.2

#8

2.36

3.0

3.7

90.6

88.6

1.1

3.3

#16

1.18

2.9

2.7

77.9

70.5

0.9

1.4

#30

0.6

2.8

2.4

52.5

53.5

0.9

1.1

#50

0.3

2.7

2.0

24.2

36.8

0.9

0.8

#100

0.15

2.6

1.8

7.4

23.0

0.9

0.7

#200

0.075

2.1

1.4

1.3

13.2

0.8

0.4

Combinaciones de agregado La siguiente tabla resume las proporciones de combinación de cada uno de los agregados para conseguir cinco granulometrías que serán estudiadas en esta investigación. Estas proporciones fueron obtenidas utilizando la aplicación de RAMCODES para combinación de agregados.

Tabla 2. Proporciones de combinación de agregados. Cold Feed Percentage Summary - SP 25 Combination LMS 57's LMS 78's Shorter Sand Granite M10's LMS 67's Granite 89's 1

20

0

20

20

20

20

2

40

0

0

40

10

10

3

50

0

30

0

0

20

4

30

10

10

20

10

20

5

40

20

0

30

0

10

A continuación se muestran en la tabla todas las granulometrías obtenidas finalmente tras realizar las combinaciones establecidas. Tabla 3. Granulometrías obtenidas luego de la combinación. Target Aggregate Gradations Sieve Size English metric Blend 1 Blend 2 Blend 3 Blend 4 Blend 5 1"

25

99.6

99.2

99.0

99.4

99.2

3/4"

19

94.7

90.7

89.0

92.9

91.2

1/2"

12.5

77.7

65.8

61.6

73.3

68.9

3/8"

9.5

68.5

55.9

52.7

63.1

57.7

#4

4.75

47.4

44.5

37.5

39.7

38.7

#8

2.36

37.3

37.1

29.3

28.8

28.9

#16

1.18

30.7

29.6

25.1

23.4

23.0

#30

0.6

22.2

22.7

17.4

17.3

17.8

#50

0.3

13.1

16.0

8.8

11.1

12.6

#100

0.15

6.9

10.4

3.7

6.5

8.3

#200

0.075

3.6

6.2

1.5

3.7

5.1

Los parámetros del ajuste Fuller para cada mezcla se resumen en la tabla siguiente. La información incluye la relación grava-arena, G/S, que se obtiene analíticamente a partir de los parámetros Fuller, y que resulta útil para evaluar la influencia de la granulometría en las propiedades mecánicas e hidráulicas de la mezcla.

Tabla 4. Parámetros de ajuste Fuller para las mezclas estudiadas. Parameter N Dmax R2 G/S SP NMAS

Blend 1 0.44 23.2 0.993 1.2 19

Blend 2 0.43 27.2 0.983 1.36 25

Blend 3 0.54 26.1 0.985 1.7 25

Blend 4 0.51 23.8 0.995 1.46 19

Blend 5 0.51 25.1 0.994 1.53 25

De manera correspondiente, la figura siguiente muestra la representación gráfica en la carta de gradación de cada una de las cinco mezclas que se estudiarán en esta investigación, y los ámbitos de especificación para gradaciones Superpave 19-mm y 25-mm. Se puede apreciar que resultaron tres gradaciones con tamaño máximo nominal 25-mm (mezclas 2, 3 y 5), y el resto gradaciones con tamaño nominal máximo de 19-mm. Esta gráfica también muestra la línea de máxima densidad (MDL), definida teóricamente para factor de forma constante igual a 0.45. Véase que las mezclas 1 y 2 quedan por encima de la zona restringida (ARZ, o también llamadas “finas”), mientras que las mezclas 3, 4 y 5 corresponden a BRZ, o gruesas, o que pasan por debajo de la zona restringida.

40

BRZ

ARZ

Dmax (mm)

35

Blend 1 Blend 2

30

Blend 3 Blend 4

25

Blend 5 SP 19-mm

20

SP 25 mm 15

MDL 0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

n

Figura 7. Carta de gradación con las cinco mezclas estudiadas.

Análisis volumétrico con polígono de vacíos y filler-bitumen El análisis volumétrico a través del polígono de vacíos requiere los valores de gravedad específica, incluida la del asfalto que es Gb = 1.028; además de los rangos de

especificaciones para las diferentes propiedades de vacíos. La tabla siguiente resume estos valores además de la lectura en “x” del centroide del polígono, que es el contenido óptimo de asfalto propuesto, Pbo. Esta tabla, además, presenta la comparación entre el rango de contenidos de asfalto del polígono de vacíos y el rango de contenidos de asfalto según la recomendación de relación filler-bitumen. Al final de la tabla se presenta el veredicto que surge de tal comparación como mezcla posible. De modo que, una mezcla es posible si cumple con las especificaciones de vacíos (rango polígono) y con la recomendación para la relación fillerbitumen (rango DP). Tabla 5. Análisis de vacíos integrado con criterio filler-bitumen. Parameter SP NMAS Tipo Gsa Gsb Gse VAM, % Va, % VFA, % Pbo centroide, % Rango Pb polígono DP DP rango Rango Pb según DP Mezclas posibles

Blend 1 19 ARZ 2.740 2.711 2.747 13-14.5 3-5 65-75 4.2 4.01-5.08 0.96 0.6-1.2 3.5-6.5 Sí

Blend 2 25 ARZ 2.773 2.737 2.771 12-13.5 3-5 65-75 4.1 3.65-4.63 1.71 0.6-1.2 5.6-10.7 No

Blend 3 25 BRZ 2.751 2.707 2.752 12-13.5 3-5 65-75 4.3 3.83-4.82 0.4 0.8-1.6 1.5-2.5 No

Blend 4 19 BRZ 2.761 2.719 2.769 13-14.5 3-5 65-75 4.63 4.15-5.18 1.0 0.8-1.6 2.9-5.2 Sí

Blend 5 25 BRZ 2.787 2.734 2.784 12-13.5 3-5 65-75 4.35 3.85-4.83 1.4 0.8-1.6 3.8-7 Sí

Luego de esto, se prepararon un total de tres (3) especímenes en el compactador giratorio por cada mezcla bajo su respectivo contenido óptimo de asfalto. El número de giros finales por cada espécimen fue de 100, correspondiente a tránsito alto. La tabla siguiente resume los promedios de estos resultados por contenido de asfalto, además de las proporciones filler-bitumen (DP). Tal como se puede apreciar en la tabla, solamente el promedio de los especímenes de la mezcla 4 cumplen con todas las condiciones de vacíos, es decir, caen dentro del área del polígono; además de que la proporción filler-bitumen está dentro del rango 0.6-1.2 especificado. Para fines de comparación con el método Superpave tradicional, y que serán utilizados en el capítulo de análisis de resultados, se elaboraron también un par de especímenes con 1% por encima del óptimo de asfalto, y otro par de especímenes con 1% por debajo del óptimo de asfalto; estos valores también se muestran en la tabla siguiente.

Tabla 6. Resumen del análisis volumétrico y DP. Summary of Volumetrics Mix ID

Pb NMAS (mm) Air Voids (%) VMA VFA Dust Proportion

Blend 1 3.2

19

8.4

14.8

43.4

1.31

Blend 1 4.2

19

5.2

14.1

63.0

0.96

Blend 1 5.2

19

2.3

13.7

83.3

0.76

Blend 2 3.1

25

6.9

13.1

47.5

2.37

Blend 2 4.1

25

3.9

12.7

69.1

1.71

Blend 2 5.1

25

1.7

12.9

87.3

1.34

Blend 3 3.3

25

8.4

14.6

42.6

0.56

Blend 3 4.3

25

5.4

14.0

61.7

0.4

Blend 3 5.3

25

2.6

13.8

81.2

0.3

Blend 4 3.3

19

6.8

13.1

48.4

1.4

Blend 4 4.3

19

3.7

12.6

70.6

1.0

Blend 4 5.3

19

1.1

12.5

91.2

0.8

Blend 5 3.3

25

5.4

11.8

54.4

1.9

Blend 5 4.3

25

2.5

11.5

78.0

1.4

Blend 5 5.3

25

0.4

11.9

96.7

1.1

Análisis de influencia de la gradación El análisis de la influencia de la gradación incluye los siguientes resultados de desempeño:   

Susceptibilidad a la humedad bajo el ensayo de tracción indirecta y relación TSR, Susceptibilidad a la deformación plástica, bajo el ensayo APA, y Módulo dinámico, bajo el ensayo Simple Performance Test (SPT)

Se prepararon especímenes considerando las granulometrías de cada una de las mezclas estudiadas, mezclándolas con un contenido de asfalto de referencia, y compactándolas en compactador giratorio hasta el volumen de vacíos exigido por el estándar de cada ensayo de desempeño. La siguiente tabla resume los resultados: Tabla 7. Resumen de resultados de ensayos de desempeño. Mezcla Pb, % TSR, % APA (mm) E* (MPa, a 54.4oC)

Blend 1 4.6 0.80 3.5 355.2

Blend 2 4.16 0.77 2.3 597.0

Blend 3 4.8 0.70 3.2 270.1

Blend 4 4.25 0.78 2.4 374.3

Blend 5 3.8 0.82 3.4 390.1

Análisis de los resultados Análisis de vacíos y relación filler-bitumen La siguiente figura muestra el análisis de vacíos para la mezcla 2 en el que se aprecia que los estados de compactación de de especímenes con el contenido óptimo sugerido por el polígono quedó ubicada dentro del polígono de vacíos; con lo que se deduce que se cumplen todas las especificaciones de vacíos de forma simultánea. Por otro lado, la tendencia para resultados experimentales fabricados para tres contenidos de asfalto producen una curva similar a la del ensayo Superpave, en inclusive, para un contenido de vacíos de aire de 4%, este experimento produciría los mismos resultados que el análisis por el polígono de vacíos. Esto demuestra que tanto el análisis Superpave como el polígono de vacíos producen los mismos resultados, y la razón es porque están basados en las mismas definiciones y formulación. La mezcla 2 no produjo especímenes con relaciones filler-bitumen dentro del rango recomendado por el manual SP-2, por lo que sería desechada para diseño. El análisis sugerido en este trabajo implica que esta conclusión se puede obtener antes, sin tener que fabricar los especímenes, lo que produciría un ahorro de tiempo y material.

Blend #2

2.530 2.520 2.510

Gmb

2.500 2.490

polyvoids

2.480

centroid experimental

2.470

Va=4% 2.460 2.450 2.440 3.00

4.00

Pb

5.00

6.00

Figura 8. Comparación del polígono de vacíos con diseño Superpave.

Influencia de la gradación en el desempeño Los resultados experimentales de desempeño de cinco mezclas estudiadas con diferentes gradaciones, se analizó por medio de la herramienta de mapas de resistencia representados en una carta de gradación. La figura siguiente explica que mezclas muy gruesas, es decir, con alto valor de factor de forma, presentaron los valores más pequeños para la relación TSR, es decir, una mayor susceptibilidad al humedecimiento.

Figura 9. Mapa de contorno para TSR en la carta de gradación.

La siguiente figura muestra la variación del valor de la deformación plástica acumulada con respecto a los parámetros Fuller de la gradación. De estos resultados se desprende que existe una zona de la carta de gradación en la cual se maximiza la deformación plástica. Si un proyectista quisiera diseñar adecuadamente una mezcla asfáltica con los agregados estudiados en este trabajo, tendría que evitar esta área.

Figura 10. Mapa de contorno de la deformación plástica en carta de gradación. Finalmente, la figura siguiente muestra la variación del módulo dinámico en mega pascales a una temperatura de 54.4 oC. Es evidente que las gradaciones más gruesas o abiertas producirán mezclas con módulos más pequeños. Por otro lado, se observaron módulos más altos para gradaciones con agregados con mayor tamaño máximo.

Figura 11. Mapa de contorno del módulo elástico en carta de gradación.

Conclusiones Tal como se había demostrado en otras oportunidades, el análisis del polígono de vacíos produjo el mismo resultado que el análisis volumétrico del método Superpave, por lo que se verifica el ahorro de tiempo y material que antes se había validado. Con el polígono de vacíos solo hace falta elaborar tres especímenes para diseñar la mezcla asfáltica a nivel de volumetría y relación fillerbitumen. Como una novedad, se incluyó en el análisis del polígono de vacíos a la verificación de los rangos de contenido de asfalto permitidos por la recomendación de relación filler-bitumen del manual SP2 del Instituto Norteamericano del Asfalto. Esta práctica resultó de gran ayuda en la selección de las combinaciones de agregado posibles desde el punto de vista de la relación DP, que ahora se integra al análisis volumétrico del polígono. Con esta novedad es posible ahora descartar cualquier combinación granulométrica que no cumpla la relación filler-bitumen desde su comparación con el polígono de vacíos. La carta de gradación en combinación con los mapas de resistencia demuestra ser una muy útil herramienta de análisis para evaluar la influencia de la gradación en el desempeño de la mezcla asfáltica. Mientras que el factor de forma explica la estructura de la mezcla asfáltica, ya sea gruesa (BRZ) o fina (ARZ), el diámetro máximo está relacionado con el tamaño máximo de partícula de la mezcla. Las curvas de contorno muestran la variación de la propiedad de desempeño estudiada respecto a los mencionados factores. Estos resultados son una estupenda guía para el proyectista de la mezcla asfáltica en la selección de la gradación más apropiada. La carta de gradación es una guía para seguir la recomendación de F.N. Hveem en 1943, “diseñar una mezcla asfáltica es conseguir una combinación que produzca una mezcla con tantas propiedades deseadas como sea posible, utilizando los agregados locales”.

Referencias

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COMPARATIVA DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA TIBIA Y UNA MODIFICADA EMPLEANDO LA RUEDA DE HAMBURGO Y LA ESPAÑOLA Dr. Saúl Castillo Aguilar Universidad Veracruzana, Veracruz, México Coordinador del Laboratorio de Materiales Facultad de Ingeniería Civil, zona universitaria, cp. 91500 Tel: 228-8421756 [email protected], [email protected]

Dr. Demetrio Nieves Mendoza Universidad Veracruzana, Veracruz, México Coordinador de Posgrado Facultad de Ingeniería Civil, zona universitaria, cp. 91500 Tel: 228-8421756 [email protected] Ing. Ángel Lara Hernández Geoasfaltos S.A. de C.V. Director General Xalapa, Veracruz, Tel 228-8111809 [email protected]

Resumen En esta investigación se da seguimiento a un trabajo, en donde muestra una experiencia nueva obtenida y desarrollada en países de Sudamérica y que fue aplicada en el estado de Veracruz, en donde se describen los resultados de un nuevo sistema de mezclas Tibias. Considerando las implicancias ambientales en la fabricación de mezclas asfálticas en caliente se han desarrollado tecnologías para reducir estas temperaturas de trabajo de manera de generar significativos ahorros de energía, menores emisiones y mayor nivel de seguridad en obra. El sistema de Mezclas Tibias utiliza un aditivo especial fácil de mezclar en el asfalto en el orden de 0.2 a 0.5% y que no se modifica, además reduce hasta 45° de temperatura durante el proceso de mezclado y fabricación. La investigación se realizó mediante una serie de pruebas de laboratorio y de campo en un tramo de prueba durante, donde esta técnica muestra hasta el momento un buen desempeño de mezclado con temperaturas bajas y altas, estas mezclas se reducen hasta un 40 a 60°C de temperatura durante su fabricación con respecto la mezcla convencional, la investigación consiste en obtener un comportamiento mecánico de diferentes mezclas con asfalto modificado de granulometría tipo densa para ver su comportamiento a las deformaciones y estas comparadas con una que empleo una Mezcla Tibia. Los asfaltos en estudio incluyen también asfaltos modificados con polímeros y asfaltos convencionales, se elaboraron 5 mezclas, una tipo tibia y 4 con asfalto modificado. Se empleó un asfalto convencional para todas las mezclas tipo PG 76-22, por tal no se obtuvieron cambios en cuanto a este parámetro. El producto empleado mejoró la resistencia al agua o resistencia activa de las mezclas en estudio. Durante el estudio se analizaron a bajas y altas temperaturas, tanto en mezclas tibias como mezclas asfálticas convencionales, empleando los ensayos de la Rueda de Hamburgo y la Española, con la finalidad de evaluar 1

el comportamiento mecánico de una mezcla Tibia con respecto a una modificada con un asfalto y analizar su desempeño en pavimentación para un clima húmedo.

1.- Introducción En general las mezclas asfálticas pueden clasificarse por su rango de temperaturas de producción (mezclado), desde mezclas asfálticas en frío hasta las mezclas asfálticas calientes, tal como se esquematiza en la Figura 1, según A. Ulloa, unas mezclas asfálticas en frío (MAF): usualmente se mezclan a temperatura ambiente utilizando emulsiones o asfaltos espumados. Mezclas Asfálticas Semi-Tibias (MAST): producidas a temperaturas debajo de la temperatura de vaporización del agua a100°C.

Figura 1. Clasificación de las mezclas asfálticas por rango de temperaturas

Este tipo de mezclas asfálticas son productos que usualmente son mezclados y después tendidos a temperaturas cercanas a los 140°C o superiores si se trata de ligantes duros o modificados. La mezcla es calentada a esta temperatura o más con el fin de garantizar:   

Una envuelta correcta del esqueleto granular por la película de ligante asfáltico, gracias a la disminución de la viscosidad de éste al aumentar su temperatura; Elaborar una mezcla homogénea, gracias a la maleabilidad acrecentada del compuesto durante el tiempo de producción y; Realizar una compactación adecuada durante todo el proceso de tendido y compactación, gracias a la acción lubricante del ligante fluido.

Es de suma importancia visualizar los puntos críticos en la fabricación de mezclas asfálticas en caliente, es la temperatura necesaria para calentar los agregados y el asfalto es considerablemente alto. Este calentamiento no es solamente molesto, sino que también perjudicial para el medio ambiente. En efecto, el consumo de combustibles para calentar los constituyentes de la mezcla asfáltica, además del elevado costo, esto nos lleva a la emisión de contaminantes en la atmósfera productos de la combustión misma. Desde hace ya varios años, las mezclas asfálticas templadas son utilizadas en Europa y en el mundo. Se ha demostrado que el uso de estas mezclas permite reducir el consumo. Las Mezclas Asfálticas Tibias (MAT): son producidas por lo general a temperaturas en un rango entre 120°C a 140°C y que las Mezclas Asfálticas en Caliente (MAC) son producidas típicamente en un rango de 150°C a 180°C, de acuerdo al tipo de ligante empleado. A diferencia de las Mezclas Asfálticas Calientes (MAC) en donde se utilizan elevadas temperaturas en el mezclado y compactación, de las MAT buscan reducir estas 2

temperaturas aproximadamente en un 20%, lo cual permite disminuir considerablemente las emisiones de gases y polvo al medio ambiente durante el proceso de producción y colocación, sin que esto perjudique las propiedades de desempeño de la mezcla asfáltica. Por lo tanto en este trabajo se pretende mostrar algunas de las principales diferencias entre las mezclas asfálticas convencionales, empelando asfaltos modificados y las tecnologías de mezclas tipo MAT más utilizadas a nivel mundial, empleando la Rueda de Hamburgo y la Española, así como la forma en que estas pueden implementarse en nuestro país, considerando las ventajas y desventajas de su aplicación.

2.- Mezcla Asfáltica Tibia (MAT) Las mezclas asfálticas tibias (MAT) o también llamadas Warm Mix Asphalt (WMA)) son un conjunto de tecnologías desarrolladas en Europa durante el Tratado con Kyoto y la Comunidad Económica Europea en 1997, como una respuesta los gases del efecto invernadero. La National Asphalt Pavement Association (NAPA) en cooperación con la Federal Highway Administration (FHWA) introdujeron las MAT en el World Asphalt Show & Conference del 2004, en Nashville, TN, como aporte a estos problemas ambientales. El objetivo de estas tecnologías es bajar las temperaturas de trabajo, principalmente de compactación, Para ello existen diferentes técnicas que buscan reducir la viscosidad del ligante asfáltico y que pueden aplicarse tanto en mezclas continuas como discontinuas. Dichas técnicas se separan en tres categorías definidas como: 1. Disminuir la viscosidad utilizada en aditivos orgánicos. 2. Uso de Asfaltos espumados. 3. Empleo de aditivos químicos (emulsiones).

2.1.- Adición del producto al asfalto Las esferas pueden ser adicionadas de dos maneras: al tambor mezclador en forma sólida o bien pueden pre mezclarse con el asfalto antes de entrar al tambor; esta última es la más apropiada para obtener una distribución más mezclada,

2.2.- Resultados y limitaciones      

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

2.3.- Tecnologías en mezclas tibias Este tipo de tecnologías permiten producir mezclas tibias de dos formas, en la primera el asfalto espumado se inyecta en el tambor mezclador y en la segunda se adiciona agregado húmedo a la mezcla caliente. Utilizando el primer método de producción, el asfalto en su

3

estado espumado incrementa de 8 a 12 veces su volumen, lo que proporciona un recubrimiento adecuado de los agregados durante el mezclado. Este proceso implica algunas modificaciones de la planta con sistemas de doble tambor, donde uno de los tambores es giratorio y el otro se Mantiene estático, y el asfalto espumado es preparado en una cámara de expansión e inyectado a la mezcla mediante líneas de inyección hacia el interior del tambor. Además, con este tipo de tecnologías es posible dosificar material reciclado en la mezcla dado que las temperaturas de mezclado son menores.

2.4.- Comparación entre MAT y MAC Según estudios recientes realizados en Estados Unidos y algunos países de Europa, fue posible determinar:      

Reducción de las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) en comparación con mezclas asfálticas calientes Reducción las temperaturas de colocación y compactación en comparación con las temperaturas convencionales, Figura 2. Se obtienen resistencias al daño por humedad a la tensión diametral similares. •Presenta una mayor resistencia al fisuramiento por temperatura que las MAC. Mayor flexibilidad en la colocación y compactación de la MAT. Menores velocidades de enfriamiento, lo que permite distancias más largas de transporte. Las MAT pueden colocarse en climas fríos o en las noches donde baja más la temperatura del ambiente.

2.6.- Ventajas de la aplicación de mezclas asfálticas tibias La reducción de las temperaturas en las mezclas asfálticas, brindan enormes beneficios:       

Reducción en el uso de combustibles para la producción de mezclas asfálticas. Facilidad en la compactación de pavimentos asfálticos. Incremento en el uso de pavimentos reciclados (RAP) dentro de las mezclas. Mejor ambiente de trabajo para los operarios en sitio. Reducción o eliminación de gases y olores. Eliminación del envejecimiento prematuro del ligante asfáltico. Permite una apertura más rápida al tránsito.

El asfalto espumado se ha transformado en una excelente alternativa para la conservación de pavimentos asfálticos (reciclado) y construcción de caminos económicos (estabilización de caminos sin pavimentar), debido, principalmente, a su buen comportamiento, facilidad de construcción, compatibilidad con un amplio rango de tipos de agregados y ventajas energéticas. Por lo que una alternativa al uso de las mezclas asfálticas tradicionalmente utilizadas en el país, es la implementación de este tipo de mezclas asfálticas tibias; donde con algunas modificaciones en las plantas de producción existentes es posible obtener mezclas asfálticas que brindarían grandes beneficios y una importante reducción en los costos.

4

Figura 2. Proceso de mezcla con los agregados pétreos

Figura 3. Proceso de tendido de una MAC y una MAT

3.- Preparación de especímenes Todos los especímenes fueron fabricados en laboratorio de la Universidad Veracruzana y la empresa Geoasfaltos SA de CV, en la cual en todas las mezclas se diseño una sola granulometría densa y se empleo solo un agregado pétreo de un banco de la región de Xalapa, Veracruz, a este material se le realizaron todos los ensayos correspondientes de acuerdo a la normatividad mexicana, obteniendo las siguientes características representadas en la tabla 1.

Tabla 1. Características del agregado pétreo usado en el estudio Ensayos Realizados Desgaste de Los Ángeles, % Partículas alargadas, % Partículas lajeadas, % Partículas trituradas, % Absorción (agregado grueso), % Densidad (agregado grueso), gr./cm3 Equivalente de arena, %

Valor obtenido 28.6 12.5 13.5 100 1.8 2.42 60

Valor Especificado Norma mexicana 30 máx. 35 máx. 35 máx. No especificado No especificado 2.4 mín. 50 mín.

Como se ha mencionado, para todo el estudio, se empleo una sola granulometría, una sola mezcla densa, que sea más susceptible a las deformaciones permanentes, de tal manera 5

que resultará más fácil distinguir la diferencia entre el aporte a la resistencia a las deformaciones plásticas de los diferentes asfaltos utilizados en el estudio. La granulometría utilizada fue la establecida en la norma mexicana N·CMT·4·04/03 para una carpeta asfáltica de granulometría densa, para un número de ejes equivalentes menor de 1x106, con un tamaño máximo nominal de 19.0 mm a finos (3/4” - finos) y ajustada al límite superior. Es muy importante hacer mención, que para lograr el contenido de asfalto empleado en la mezcla densa, se realizo un estudio para optimizar el porcentaje de asfalto en la mezcla mediante el método Marshall. El contenido de asfalto en la mezcla fue constante e igual a 6.15% sobre el peso de los agregados en cada una de las mezclas estudiadas, y este fue definido mediante el ensayo Marshall, esto equivale a emplear 129 litros de asfalto por cada m3 de agregado pétreo.

3.1.- Proceso de fabricación de los especímenes Se fabricaron especímenes para ser ensayados en la Rueda de Hamburgo y en la Rueda Española, estos especímenes para su fabricación se realizaron con un peso de 1950 gr de material pétreo y 121.87 gr de cemento asfáltico, con el fin de que al realizar la compactación con el compactador giratorio se llegara a obtener una altura mínima de 50 mm y un diámetro de 15 pulgadas” aproximadamente. Para lograr una buen mezclado del pétreo con el asfalto, se realizo un calentamiento del pétreo al menos de 3 hrs a 150°C en horno, posteriormente se incorpora el asfalto a la temperatura de 160°C y se realiza la envuelta con una mezcladora electrica, finalmente se incorpora el filler; una vez homogeneizado, se introduce la mezcla al horno a una temperatura de 165°C por al menos 2 hrs. Finalmente el mezclado se hizo mediante un equipo mecánico y la compactación, se llevó a cabo con el equipo de compactación giratoria SHRP con un ángulo de giro de 1.25º, una presión de 600 KPa y un número de giros igual a 200. Se eligió este número de giros con el propósito de producir mezclas compactadas con un bajo porcentaje de vacíos (entre 5 y 6%), de tal manera que se asegurara que la mezcla no se deformaría en el periodo establecido de ensayo al tener una estructura granular compacta y bien formada, los valores obtenidos de las probetas se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Características volumétricas de las diferentes mezclas estudiadas Asfalto Mezcla Tibia Elvaloy EVAX Oxidado SBS

Densidad (promedio) 2.345 2.357 2.331 2.355 2.341

Vacíos (promedio) 4.5 5.5 5.5 6.0 6.0

4.- Resultados Obtenidos: Rueda de Hamburgo Tal como se mencionó anteriormente, los ensayos sobre las mezclas fabricadas con agregados provenientes de un solo banco “El Palmar”, con igual granulometría, mismo contenido de asfalto e idéntico equipo y parámetros de compactación, se llevaron a cabo en la rueda de Hamburgo a diferentes temperaturas bajo inmersión, en la cual los resultados se presentan en la tabla 3, se presentan los resultados obtenidos empleando la rueda de Hamburgo para las diferentes mezclas estudiadas en el laboratorio.

6

En la tabla 3 se puede apreciar los resultados obtenidos para la mezcla tibia y las mezclas con asfalto modificado. Se empleo la rueda de Hamburgo, esta fue desarrollada en Hamburgo, Alemania, en 1970 con la finalidad de ver el comportamiento de las mezclas asfálticas a las deformaciones plásticas; se realizaron los ensayos a una temperatura de 20, 30 y 50° bajo inmersión, aplicándole 20,000 ciclos a cada espécimen ensayado, se aplico una carga con una rueda de acero de 4.7 cm de ancho y 20.36 cm de diámetro que se mueve hacia adelante y hacia atrás a una velocidad aproximada de 34 mm/seg, (53 pasadas por minuto), aplicando una carga de 705 N sobre el espécimen sumergido en agua, finalmente el ensayo termina hasta que se presenta una máxima deformación de 30 mm o transcurran los 20,000 ciclos que marca el ensayo. ASFALTO VS TIEMPO: 20000 CICLOS 25 OXIDADO

20 D e f o 15 r m a c 10 i ó n 5 m m

ELVAX ELVALOY TIBIA SBS

0 20

30 Temperatura ºC

50

Figura 4. Comportamiento de las mezclas ensayadas en la rueda de Hamburgo, 20,000 ciclos

En la figura 4 se aprecia las diferentes mezclas ensayadas a diferentes temperaturas aplicando el máximo número de ciclos (20,000), en la curva Asfalto Vs Tiempo se aprecia lo siguiente: La mezcla Tibia (MAT), presenta la mayor deformación a temperaturas de 20, 30 y 50°C que el resto de ellas, sin embargo las mezclas en las que se empleo el asfalto modificado con polímeros sus valores oscilan entre 2 y 4 mm a una temperatura de 20°C, teniendo un ligero incremento a los 30°C, sin embargo al pasar a los 50°C, estas cambian su comportamiento, las mezclas fabricadas con Elvax y Oxidado tienen la misma tendencia al pasar de 30 a 50°C, es decir su deformación pasa de los 3 hasta los 4 mm, por tal su deformación es muy notoria, en cuanto a las mezclas en las que se empleo asfalto modificado con Elvaloy y SBS, estas tiene un comportamiento mejor que del resto, es decir; la mezcla fabricada con SBS tiene una deformación mínima a las temperaturas de 20 y 30°C y un ligero incremento a los 50°C teniendo una deformación máxima de 6 y 9 mm, en cuanto a la mezcla fabricada con Elvaloy sus deformaciones que se presentan a los 20 y 30 °C son del orden de 2.8 y 4.7 mm respectivamente y a los 50°C su deformación máxima es de 9.5 mm. Por tal se puede concluir que la mezcla tibia tiene una deformación muy elevada de 18 mm a 50ºC y la mezcla con SBS tiene una deformación mínima de 5.8 y esta presenta un mejor comportamiento de las cinco mezclas analizadas mediante la rueda de Hamburgo. El objetivo de los ensayos con la rueda Española es la determinación de las diferencias entre mezclas fabricadas con las mismas características solo con diferentes asfaltos, para el 7

estudio efectuado se consideraron como válidos los parámetros establecidos en la norma española NLT-173, donde se establece que una frecuencia de paso de la rueda igual a 42 2 pasadas por minuto, una presión de contacto entre la rueda y el espécimen de 9 kg/cm y temperatura de ensayo de 60° C , de acuerdo al diseño establecido por el método SUPERPAVE. Ésta temperatura fue considerada dentro de los ensayos para verificar si los resultados obtenidos por la caracterización reológica de los asfaltos representan el comportamiento de la mezcla, además de que se puede establecer una diferencia entre la susceptibilidad de las diferentes mezclas (asfaltos modificados) ante los cambios de temperatura. En las figuras 7, 8, 9 y 10 presentan los resultados obtenidos para cada uno de los asfaltos empleados, en donde se aprecia de forma muy clara el comportamiento mecánico de cada una de las mezclas ensayadas con asfalto modificado con respecto a la mezcla tibia, en la cual para todos los casos se puede apreciar que existe una mayor deformabilidad en milímetros cuando se emplea la mezcla Tibia.

Figura 5. Comportamiento de una mezcla con asfalto oxidado Vs MAT

Figura 6. Comportamiento de una mezcla con asfalto AC-20 Vs MAT

8

Figura 7. Comportamiento de una mezcla modificada con Elvax Vs MAT

Figura 8. Comportamiento de una mezcla modificada con Elvaloy Vs MAT

Se observa el comportamiento de las mezclas estudiadas empleando una mezcla tibia contra una mezcla modificada con polímero, empleando la rueda española, en donde las deformaciones para la mezcla Tibial, esta se deformo rápidamente al paso del tiempo, sin embargo las mezclas en las que se utilizo asfalto modificado, su comportamiento fue diferente, es decir la deformación máxima que se presento a los 120 minutos fue de 55 mm para la mezcla Tibia y la más baja fue de 30 mm para la mezcla con Elvaloy, en la tabla 3 se presenta el ranking de cada una de las mezclas para la rueda de Española.

Tabla 3. Deformación máxima de las mezclas, Rueda Española a 25 °C Tipo de Mezcla Mod. Elvaloy AC-Oxidado Mod. Elvax Mezcla Tibia

Deformación Máxima (mm) 30 43 54.5 59

Ranking 1 2 3 4

5.- Relación entre deformaciones permanentes evaluadas con la rueda de Hamburgo y Española Los ensayos de reología, rueda de Hamburgo y la rueda Española se realizaron completamente por separado, el único punto en común es que se utilizaron diferentes asfaltos y una misma granulometría. Se trabajó con este fin y de tal manera con un propósito de introducir la mayor objetividad a la investigación. La información presentada en

9

este documento fue los resultados obtenidos en la reologia de los asfaltos, así como la descripción y presentación de los resultados obtenidos de las deformaciones permanentes empelando la rueda de Hamburgo y la Española, para ambos apartados se ha concluido con un ranking de los resultados obtenidos, se han clasificado los asfaltos y las mezclas de mejor a peor comportamiento. También al inicio de este artículo se menciono el método de caracterización reológica de asfaltos propuesto por SUPERPAVE. Este hecho también se comprobó con las mezclas ensayadas en la rueda de Hamburgo y la rueda Española. Se puede apreciar en los resultados mostrados en las tabla 3, que dos de las mezclas (las fabricadas con Elvaloy y con Elvax), son las que mejor se comportan, es decir no muestran una evidente falla de la mezcla y la mezcla tibia es la que obtuvo mayor deformabilidad.

6.- Conclusiones Una vez concluido la investigación que se resume en este artículo, ha sido posible llegar a las siguientes conclusiones: 1. Existe una buena correlación entre la información proporcionada por los métodos de caracterización reológica de asfaltos y la deformación observada en la rueda de Hamburgo y la rueda Española para las mezclas fabricadas con los mismos asfaltos. 2. Se confirma con el comportamiento de las Mezclas Asfálticas Tibias MAT, evaluadas con la rueda de Hamburgo y Española sus valores son más elevados que las mezclas Asfálticas Modificada, MAM. 3. En cuanto a las mezclas ensayadas con asfalto modificado, las mezclas que presentaron mejores valores a las deformaciones fueron aquellas en donde se empleo el Elvaloy y Elvax.

7.- Bibliografia 1. Antecedentes de los métodos de ensayo de ligantes asfálticos de SUPERPAVE. Traducción de la versión en inglés del Instituto Panamericano de Carreteras. Documento editado por el Asphalt Institute de los Estados Unidos. 1998. 2. Padilla, Alejandro. Tesina de posgrado: Análisis de la resistencia a las deformaciones plásticas de las mezclas bituminosas densas de la normativa mexicana mediante el ensayo de máquina de pista. Universidad Politécnica de Cataluña. Julio 2004. 3. Lavin, Patrick. Asphalt Pavements, A practical guide to design, production and maintenance for engineers and architects. Spon Press, 2003. 4. S. Angelone, F. Martínez, Deformaciones Permanentes, Laboratorio Vial, Instituto de mecánica y estructuras, Universidad Nacional de Rosario, Arg.

10

Determinación de la resistencia a la fatiga en mezclas asfálticas 1

1

1

Mayra Flores Flores , Horacio Delgado Alamilla , Paul Garnica Anguas , Eduardo García

2

1

Instituto Mexicano del Transporte, [email protected], [email protected], [email protected] Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

2

Resumen La fatiga es uno de los criterios de deterioro considerados para el diseño de pavimentos asfalticos y puede ser evaluada a través de ensayos de laboratorio. Entre los ensayos utilizados para evaluar la resistencia a la fatiga se encuentran el ensayo de tensión-compresión, flexión en cuatro puntos, fatiga trapezoidal entre otros. Asimismo, existen diversos criterios para determinar la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica. En este trabajo se presentan algunos criterios existentes para determinar la resistencia a la fatiga a partir de ensayos de laboratorio. Se hace una breve descripción de cada criterio y una comparación de los resultados obtenidos de un ensayo de fatiga en una viga en flexión en cuatro puntos utilizando los criterios descritos en este artículo.

1. Introducción La carpeta asfáltica es susceptible a diversas degradaciones visibles en la superficie del pavimento. Entre las principales degradaciones se encuentran la deformación permanente (roderas), la fisuración por fatiga y la fisuración térmica. Estas degradaciones generan una reducción de la vida útil del pavimento así como problemas a nivel de la seguridad y del confort. La disminución de la vida útil tiene repercusiones importantes en los costos de mantenimiento, ya que la frecuencia y severidad de las degradaciones aumenta [01]. Este trabajo tiene como objetivo describir y comparar algunos de los criterios existentes para determinar la resistencia a la fatiga en mezclas asfálticas. Del análisis realizado se puede observar la importancia de definir adecuadamente este parámetro, de entrada en cualquier método de diseño de pavimentos, pues su determinación errónea puede dar como resultado estructuras de pavimento susceptibles a degradaciones prematuras o sobrediseñadas.

2. Tipos de comportamiento de las mezclas asfálticas Considerando la amplitud de la deformación (||) y el número de ciclos de carga aplicados (N) se pueden identificar cuatro tipos de comportamientos principales [02]: 

para cargas que comprenden algunos cientos de ciclos y deformaciones «pequeñas» (<10 ) el comportamiento es considerado como viscoelástico lineal,



durante cargas de decenas de miles de ciclos y deformaciones «pequeñas» se desarrolla un tipo de daño, conocido como el fenómeno de «fatiga»,



para un número pequeño de cargas y deformaciones importantes, el comportamiento que se observa es fuertemente no lineal,

-4



cuando ciclos de esfuerzos (compresión o tensión) son aplicados a partir de un esfuerzo nulo, deformaciones irreversibles no despreciables se producen para amplitudes de deformación cercanas de la ruptura. Su acumulación crea una «deformación permanente».

log ||

La figura 1 presenta un esquema de los comportamientos descritos en los puntos anteriores.

-2

Ruptura

Influencia de la temperatura

No lineal

Deformación permanente (si ciclos de esfuerzos a partir de 0)

Deformabilidad

-4

Viscoelasticidad lineal (VEL)

-6

1

2

Fatiga

3

4

5

6

log (N)

Figura 1 Comportamiento «tipo» de una mezcla asfáltica a temperatura controlada, () deformación – (N) Número de repeticiones de carga [02]. Las fronteras presentadas en la figura 1, para los diferentes comportamientos, son de magnitudes que pueden variar sensiblemente según el material, la temperatura y el tipo de solicitación. Para el ensayo de flexión en cuatro puntos el rango del comportamiento viscoelastico lineal comprende hasta 400 microdeformaciones.

3. Ensayo de Fatiga El fenómeno de fatiga de un material se caracteriza por su ruptura después de la aplicación repetida de 4 un gran número de solicitaciones (en la práctica N > 10 ), en donde la amplitud de la solicitación es inferior a la carga de ruptura instantánea de la probeta [03]. Los primeros estudios fundamentales del fenómeno de fatiga en laboratorio fueron realizados en los metales por Wöhler en 1852. Son estos materiales para los cuales se tiene mayor conocimiento. Sin embargo, en los últimos años se han realizado diversos estudios en materiales carreteros, concretos y materiales compuestos. En el caso de mezclas asfálticas, estas son sometidas a solicitaciones de corta duración al paso de los ejes del vehículo. La fisuración por fatiga no se presenta inmediatamente, esta se presenta con el tiempo debido a la repetición de cargas en la base de la carretera a causa de esfuerzos de tracción que se acumulan a cada paso de los neumáticos. 3.1. Curva de Wöhler La curva de Wöhler es una curva representativa que permite visualizar los materiales en el rango de fatiga. Define una relación entre la solicitación (esfuerzo o deformación) y el número de ciclos a la ruptura, NR. La curva presenta el número de repeticiones de carga, que puede soportar una probeta hasta su ruptura, en función de la amplitud de la solicitación S (esfuerzo o deformación). Diversos ensayos realizados en el

mismo material a diferentes niveles de solicitación permiten trazar la curva de fatiga de Wöhler. Esta curva es generalmente caracterizada por una de estas dos relaciones: -b

S = A.N : la curva es una recta en coordenadas logarítmicas, S = a - b log(N): la curva es una recta en escala semi-logarítmica. Se denomina resistencia a la fatiga para n ciclos de solicitación, como el valor de la solicitación que conduce a la ruptura para N ciclos. Para ciertos materiales, existe un valor límite de la amplitud de solicitación por debajo del cual el material resiste de manera indefinida y la ruptura de la probeta no se presenta. Este valor es denominado límite de fatiga o de resistencia. En el caso de los materiales asfalticos, todavía no se ha encontrado ningún límite de resistencia. Amplitud de solicitación ( o )

Nf

Numero de ciclos, N

Figura 2 Curva de Wöhler. 3.2. Modo de solicitación En laboratorio se utilizan dos tipos de señales de carga en los ensayos de fatiga: solicitaciones sinusoidales en fuerza o solicitaciones sinusoidales en desplazamiento. La solicitación a aplicar depende del espesor de la capa y de su rigidez relativa. Generalmente se considera que [04]: 

Carpeta asfáltica delgada (< 6cm) es solicitada en deformación constante.



Carpeta asfáltica gruesa (> 15cm) es solicitada en esfuerzo constante.



Carpeta asfáltica de espesor medio es solicitada en un modo intermedio.

Cualquiera que sea el modo seleccionado, durante el ensayo la rigidez de la probeta disminuye a causa del daño por fatiga.

Amplitud de desplazamiento

Numero de ciclos

(a)

Amplitud de fuerza

Numero de ciclos

(b)

Figura 3 Evolución de la respuesta de acuerdo al modo de solicitación. Modo fuerza (a), modo desplazamiento (b).

Para el caso en donde la fuerza es mantenida constante durante el ensayo, la amplitud del desplazamiento aumenta con el número de ciclos de solicitación hasta la ruptura de la probeta, figura 3 (a). En el caso donde la amplitud de desplazamiento se mantiene constante, la amplitud de la fuerza disminuye hasta ser casi nula, figura 3 (b). En este trabajo se realizó el ensayo en control de amplitud de deplazamiento.

4. Mecanismo de fatiga Durante el ensayo de fatiga, independientemente de la solicitación impuesta, se distinguen tres fases de evolución del módulo de rigidez en función del número de ciclos. Fase 1: fase de adaptación, se observa una caída rápida del valor del módulo. Durante este periodo, se asocian fenómenos como el calentamiento y la tixotropía. Fase 2: fase de la fatiga, está definida por una línea ligeramente inclinada que traduce el establecimiento de un régimen estable y cuasi-lineal, con una lenta evolución del daño causado por la creación de microfisuras al interior del material. Fase 3 : fase de ruptura, el modulo decrece brutalmente, se presentan zonas de concentración de esfuerzos y un desarrollo rápido de macro-fisuras, de igual forma la aparición de perturbaciones térmicas en los puntos de fisuración [05].

E

Propagación Fase I: calentamiento

Inicio

Fase II: fatiga

Fase I

Fase III: ruptura

Fase II

Fase III N

Figura 4 Distinción de las tres fases del ensayo de fatiga

5. Criterios de evolución del módulo de rigidez 5.1. Criterio clásico de fatiga En el criterio clásico, la probeta se considera en “ruptura” si su módulo llega a la mitad de su valor inicial medido en el ciclo cincuenta de carga bajo las mismas condiciones de ensayo (misma temperatura y frecuencia). La vida útil Nf es entonces el número de ciclos correspondientes a un módulo de rigidez igual a la mitad de su módulo inicial. La figura 5 presenta el principio de obtención de la curva de Wöhler. Específicamente se presenta un ensayo realizado en control de fuerza y tomando en consideración el criterio clásico de fatiga.

Ln N

Punto de la curva de fatigue

10+6 6

Ln 

Curva de fatiga 0 Ciclo de ruptura par fatiga

Figura 5 Principio de obtención de la curva de Wöhler para un ensayo en control de fuerza. 5.2. Criterio de ruptura Este criterio considera el valor de Nf como el número de ciclos al momento de la ruptura de la probeta. Este criterio es menos utilizado que el criterio clásico ya que este fenómeno solo se presenta en ensayos en modo de fuerza. Para los ensayos en fuerza controlada, no existen diferencias significativas entre las duraciones de vida definidas a la ruptura de la probeta y las definidas por la reducción de la mitad del módulo de rigidez [04]. 5.3. Criterio de la curva de Weibull Este criterio propone presentar el ensayo de fatiga en los ejes [Ln(Ln(N)) – Ln(-Ln(SR)]. La curva obtenida es denominada “la curva de Wiebull” [06]. En esta representación, SR es definida como la relación entre el módulo de rigidez en el ciclo N (EN) y el modulo inicial (E0). Los autores distinguen tres fases del ensayo a partir de esta curva. La primera es la fase de calentamiento hasta una temperatura de equilibrio. La segunda fase es la aparición de la fisuración y la tercera es la propagación de las fisuras. En ciertas curvas, los autores constatan la ausencia de la fase I. Se propone la fase III de la curva como la fase de ruptura. 5.4. Enfoques energéticos Para determinar el número de ciclos a la ruptura considerando el enfoque energético es necesario calcular la energía disipada por ciclo durante el ensayo. En un material viscoelástico como la mezcla asfáltica y en un ensayo de fatiga en una viga a flexión, el área dentro de la curva de histéresis esfuerzodeformación es la energía disipada. La energía disipada por ciclo de carga puede calcularse como sigue [08]: [1] Donde wn

energía disipada en el ciclo n

n

amplitud del esfuerzo en el ciclo n

n

amplitud de la deformación en el ciclo n

n

ángulo de fase en el ciclo n

El número de ciclos a la ruptura es definido de forma diferente según el modo de carga, Hopman et al. [07], proponen la utilización de una “relación de energía” para definir el número de ciclos (N1) en un ensayo en deformación controlada (desplazamiento). Este punto es considerado como el momento de cambio entre la fase de inicio y la fase de propagación de fisuras. La relación de energía W n se define de la siguiente forma: [2] W n: relación de energía n : es el número de ciclo wo: la energía disipada en el primer ciclo, wn : la energía disipada en el ciclo n. Este método propone trazar el valor de W n en función del número de ciclos. En esta curva, se obtiene una recta en la primera fase del ensayo. Para un número de ciclos critico N 1, se presenta una desviación de esta recta, indicando el cambio a la fase de ruptura.

Relación de energía disipada energía Índice Wn disipada ciclo, porde

Índice de energía disipada

Relación de energía disipada por ciclo, Wn

El proceso de determinación depende del modo de ensayo (fuerza o desplazamiento). En modo de fuerza hay que definir la intersección de la recta de la primera fase con la línea horizontal que pasa por el punto máximo de la relación de energía disipada, Figura 6 a).

N1 Repeticiones de carga

N1 Repeticiones de carga

a)

b)

Figura 6 Curva de relación de energía disipada por ciclo y determinación de N1, a) ensayo en modo de fuerza y b) ensayo en modo de desplazamiento Para el modo de desplazamiento se debe identificar la intersección de las dos rectas que pasan por los puntos de las dos fases, Figura 6 b). Con el objetivo de simplificar este método, ROWE [08], propone escribir la ecuación 2 de la manera siguiente: (

n : es el número de ciclo 0: amplitud del esfuerzo en el primer ciclo de carga, n: amplitud del esfuerzo en el ciclo n, 0: amplitud de la deformación en el primer ciclo de carga, n: amplitud de la deformación en el ciclo n, 0: ángulo de fase en el primer ciclo de carga. n: ángulo de fase en el ciclo n.

)

[3]

Para un ensayo en modo de esfuerzo, se remplaza el término de la deformación () por /E en la ecuación 3 y se obtiene: (

)

[4]

La ecuación de arriba tiene varios términos constantes que pueden ser reducidos sin cambiar la forma de la curva de la figura 6, y se considera que la variación en sin  es muy pequeña en relación a la variación del módulo, por lo que . Así la ecuación para definir N1 en un ensayo en modo de esfuerzo puede ser simplificada a: [5] La ecuación 5 es llamada “relación de pérdida de energía” de ROWE. De la misma manera, se puede definir la “relación de pérdida de energía”, , en un ensayo en deformación controlada (modo de desplazamiento) de la siguiente forma: [6] 5.5. Enfoques en términos de daño El daño es considerado como una degradación progresiva de las propiedades mecánicas del material hasta su ruptura. La variable de daño D es definida, tal que: 0 ≤ D ≤ DC ≤ 1 0 : cuando el material está intacto D = DC caracteriza el estado de daño del material, en donde D C es el límite de validez de la hipótesis de daño, para valores superiores la degradación sigue un proceso de macrofisuración. 1 : material en ruptura, según el criterio establecido. Para introducir esta variable de daño que representa la degradación del material, se pueden medir magnitudes físicas (densidad, resistencia, etc.). La utilización de mediciones mecánicas globales (características de elasticidad, plasticidad) facilita la tarea gracias a la noción de esfuerzo efectivo [09]. El parámetro D caracteriza una pérdida relativa del módulo entre el estado inicial y el estado del material al instante t. | ( )| | ( )|

[14]

Para un material viscoelástico, los valores de módulo corresponden al valor del módulo complejo al instante considerado. Para el caso de una solicitación sinusoidal, el tiempo es expresado por el número de ciclos de solicitación. El valor de D en el ciclo N es entonces dado por la relación: | ( )| | ( )|

6.

[15]

Presentación grafica de resultados

Diversas curvas son utilizadas para la presentación de los resultados del ensayo de fatiga. Estas curvas sirven en una primera instancia para verificar la validez del ensayo y observar la evolución de las

características mecánicas en función del tiempo y así tener una idea de la aparición y evolución de las fisuras en la probeta. Las gráficas que se presentan fueron obtenidas de un ensayo de fatiga en una viga a flexión en cuatro puntos ejecutado de acuerdo con la norma AASHTO T321. El ensayo se realizó en deformación controlada a un nivel de deformación de 400 , una temperatura de 20°C y una frecuencia de 10 Hz. La deformación fue medida por medio de un LVDT colocado en la parte inferior y en el centro del claro de la viga de mezcla asfáltica, Figura 7. Para elaborar las gráficas se debe calcular el esfuerzo máximo a tensión (t), la deformación máxima a tensión (t), el ángulo de fase () y el módulo de rigidez a flexión (S). A partir de estos parámetros se calcularán las características mecánicas suponiendo que el material se comporta linealmente (lo cual solo ocurre en una primera aproximación) [14]. El software del equipo registra la deformación máxima a tensión, el esfuerzo máximo a tensión y el ángulo de fase. El módulo de rigidez a flexión se calculó como sigue: 16 Donde S

módulo de rigidez a flexión

t

esfuerzo máximo a tensión

t

deformación máxima a tensión

Figura 7 Equipo de fatiga utilizado para realizar el ensayo 6.1. Evolución de parámetros de la mezcla La primera curva que se presenta (Figura 12), es la evolución del módulo de rigidez a flexión en función del número de ciclos de carga. Esta curva en particular sirve para determinar dos criterios de “ruptura” de la mezcla asfáltica, el criterio clásico y criterio de ruptura de la probeta. En la figura 8 se puede observar claramente las tres fases del ensayo de fatiga. La primera fase se presenta en los primeros 80 000 ciclos hasta un valor de 2100 MPa. Seguido de la evolución cuasi-lineal durante la segunda fase, hasta que las deformaciones se acentúan a partir del ciclo 800 000, que es el punto de inicio de la tercera fase. Debido a que en este modo de ensayo no se presenta la ruptura física

de la probeta, los datos del ensayo fueron extrapolados para determinar el número de ciclos a la ruptura de la viga (curva punteada).

Figura 8 Evolución del módulo de rigidez a flexión en función del número de ciclos de carga. La figura 9 presenta la evolución de la amplitud del esfuerzo y de la deformación en función del número de ciclos de carga. Se observa que el esfuerzo promedio disminuye a lo largo del ensayo. En el inicio del ensayo, el esfuerzo disminuye rápidamente debida a la caída del módulo, después sigue disminuyendo pero a una velocidad moderada.

Esfuerzo

Deformación

Figura 9 Evolución del esfuerzo en función del número de ciclos de carga. Para el caso del ángulo de fase, su valor aumenta durante todo el ensayo. En los primeros 20 ciclos se observa un incremento rápido, y posteriormente se incrementa ligeramente pero constante (figura 10). La variación del ángulo de fase es un parámetro ligado a la fatiga y al daño en la probeta.

Figura 10 Evolución del ángulo de fase en función del número de ciclos de carga. 6.2. Análisis en el plano “complejo” Los análisis clásicos de fatiga solo consideran la evolución del módulo de rigidez a flexión, lo cual los hace un poco restrictivos ya que una completa descripción de las características viscoelásticas de la mezcla requiere que se tome en cuenta el ángulo de fase [12]. El diagrama de Black es una herramienta grafica en el plano complejo que se utiliza para tener una mejor visión de la variación de las características viscoelásticas de la mezcla. La figura 11 presenta los parámetros viscoelásticos obtenidos del ensaye, en esta puede notarse una primera fase donde existe una disminución gradual de los valores del módulo de rigidez a flexión y un ligero incremento del ángulo de fase, pasando a una segunda fase en donde el valor del ángulo de fase permanece casi estable. En este caso la curva quedó incompleta debido a que el ensaye finalizó cuando la rigidez disminuyó un 40 % con respecto a la rigidez inicial, pero si el ensaye continúa el ángulo de fase tiende a disminuir debido a la aparición de las macrofisuras.

Figura 11 Diagrama de Black, ensayo de fatiga en viga a flexión en cuatro puntos. 6.3. Evaluación de la curva de Weibull

La Figura 12 presenta la curva de Weibull descrita en el punto 5.3. En la figura se pueden distinguir las tres fases descritas para este criterio.

Figura 12 Curva de Weibull. Se puede observar que el inicio de la tercera fase corresponde a un valor de SR de -0.85 y el valor de NSR es de 414 903 ciclos, si se considera el criterio clásico de reducción del módulo de rigidez al 50 por ciento (S50%) de su valor inicial, el valor de Nf es de 932 312 ciclos. El valor de NSR es inferior al del criterio clásico. 6.4. Evaluación del criterio de daño Este punto describe la pérdida relativa del módulo de rigidez a flexión entre el estado inicial y el estado del material al instante t, este parámetro es definido como el daño (D) de la probeta. La figura 13 presenta la evolución del daño en la viga durante el ensayo de fatiga. En esta figura se pueden observar las tres fases del ensayo de fatiga. Para determinar el valor de N f se utilizó el criterio de reducción del 50% de valor del módulo de rigidez inicial a flexión.

Figura 13 Evaluación del nivel de daño durante el ensayo de fatiga.

6.5. Variación de la energía En este punto se evalúan los dos criterios energéticos descritos en el punto 5.4. El cálculo de la energía disipada fue realizado mediante la ecuación 1. La figura 14 presenta la evolución de la energía disipada por ciclo durante el ensayo de fatiga realizado en deformación controlada, se puede observar que la energía disipada disminuye durante todo el ensayo.

Figura 14 Evolución de la energía disipada en función del número de ciclos. Utilizando el criterio de relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al 1989), se determinó el valor de N1. Para el caso particular de la mezcla asfáltica evaluada se obtuvo el punto de inicio de la fase de propagación de fisuras N1 en el ciclo 710 000 (figura 15).

Figura 15 Relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al, 1989). De igual forma se realizó el análisis de perdida de energía de acuerdo a la simplificación propuesta por ROWE. De esta figura se puede observar que el valor del N 1 es el mismo que el obtenido con el criterio de energía disipada por ciclo de Hopman.

Figura 16 Relación de perdida de energía disipada (ROWE, 2000). A continuación se presenta un resumen del número de ciclos a la falla determinados con los criterios vistos anteriormente, se puede observar que el criterio clásico y de nivel de daño proporciona el mayor número de ciclos a la falla mientras que en el criterio de Weibull el número de ciclos a la falla se reduce considerablemente.

Criterio Clásico (Nf 50%) Weibull Nivel de daño Relación de energía disipada por ciclo (Hopman) Pérdida de energía disipada (Rowe)

No de ciclos a la falla 926 000 414 903 924 000 710 000 710 000

6.6. Conclusiones de los criterios utilizados para el análisis de la fatiga. Como se puede observar, en las determinaciones realizadas en los puntos anteriores, existen diferencias en la determinación de la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica debido a la selección del criterio de falla. En el criterio clásico la resistencia a la fatiga es más conservadora que en el criterio de ruptura.

7. Comentarios y recomendaciones La fisuración por fatiga es una de las principales degradaciones que se presentan en un pavimento asfaltico, y uno de los criterios de diseño de la estructura del pavimento. Por lo cual, su correcta determinación en laboratorio es primordial para tener una acertada estimación de la vida útil del pavimento bajo este criterio de falla. Se pudo establecer que la selección del criterio de ruptura forma parte importante en la determinación de la vida en fatiga de una mezcla asfáltica. Adicionalmente, cada uno de los criterios proporciona información adicional sobre el comportamiento de la mezcla asfáltica a la fatiga.

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Diseño estructural de pavimentos para condiciones de alto tránsito vehicular Dr. Paul Garnica Anguas [email protected] M. I. Roberto Hernández Domínguez [email protected] Laboratorio de Infraestructura - Instituto Mexicano del Transporte.

Introducción

Las metodologías empírico-mecanicistas pretenden tener un enfoque más científico, con un marco teórico suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento, ante las acciones del clima y del tránsito vehicular. Esto es, un marco teórico en donde las propiedades fundamentales de los materiales se conocen, ya que se pueden determinar en laboratorio o en campo. Esta metodología permitiría la predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, por ende, aumentar en gran medida la confiabilidad del diseño. Este trabajo presenta una herramienta de diseño de pavimentos mediante una metodología empírico-mecanicista que, sin descuidar otros factores, pone un énfasis en el concepto de espectro de carga para relacionarlo con el de espectro de daño, a través del análisis de esfuerzos y deformaciones en la estructura de pavimento y su correlación con los principales tipos de deterioros que presenta. Las componentes de entrada al proceso de diseño se refieren a la geometría de la estructura, básicamente son los espesores de cada capa, las propiedades de los materiales que conforman cada una de esas capas que serán módulos dinámicos para el caso de la carpeta asfáltica y módulos resilientes para el caso de las capas distintas a la carpeta y el nivel de tránsito vehicular definido por su espectro de distribución de cargas. La selección del diseño inicial consiste en una primera estimación de valores para esas componentes de entrada. Definido el diseño inicial, se procede al cálculo de las respuestas estructurales en la sección estructural del pavimento. Estás respuestas estructurales consisten en conocer la distribución de esfuerzos (σ), deformaciones unitarias (ε) y deflexiones (δ). El cálculo se realiza básicamente considerando al pavimento como un medio multicapas, en donde el comportamiento de los materiales se apoya en la Teoría de la Elasticidad, con simplificaciones necesarias para su cálculo más eficiente, como se verá más adelante.

A partir de la respuesta estructural en el pavimento se calcula el nivel de daño esperado en el período de diseño, para los dos tipos de deterioro principales que se presentarán. Estos son agrietamientos por fatiga y deformaciones permanentes. Calculados los niveles de deterioro para el período de diseño, se introduce el concepto de vida remanente, el cual es el inverso del daño acumulado en el periodo de diseño y determinará cuando una sección ha excedido o no el valor máximo de daño acumulado.

Generalidades del diseño estructural Como fue expresado anteriormente, la idea fundamental es la de poder garantizar el desempeño del pavimento a lo largo de su vida de proyecto. Esto significa garantizar que los niveles de agrietamiento y de deformación permanente, se mantendrán dentro de un rango ideal, que dependerá de la importancia de la red carretera de que se trate. La vida de diseño de un pavimento es resultado de la interacción entre el tránsito vehicular, la estructura y las propiedades de los materiales, los criterios de falla y los factores ambientales, además del proceso constructivo y trabajos de mantenimiento. El proceso de interacción de dichas variables puede apreciarse en la Figura 1.

Figura 1. Factores que afectan el diseño de pavimentos

La estructura y propiedades de los materiales incluyen los espesores individuales de cada capa, su resistencia y propiedades de deformabilidad. El tráfico debe incluir el eje y la configuración de la rueda, la carga y magnitud de la carga, además del número de repeticiones aplicadas al pavimento. Los dos factores anteriores derivan, con base en un modelo estructural (ej. teoría elástica multicapa), en lo que se conoce como respuesta estructural del pavimento, que permite proseguir con la segunda etapa del diseño, la predicción del desempeño del pavimento con base en los criterios de falla que permiten la incorporación de la respuesta estructural Si bien es cierto que los cuatro factores mencionados representan los principales componentes que afectan el diseño de pavimentos, el proceso de caracterización y análisis se traduce en una propuesta estructural que sólo puede lograrse con la disposición de un modelo de diseño con el que se pueda evaluar los insumos (solicitaciones y materiales) y la respuesta del pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones). He ahí el origen y razón del IMT-PAVE.

Fundamentos de la metodología La metodología que se presenta como IMT-PAVE se sustenta en cuatro postulados de diseño:

Primer postulado.- La sección estructural del pavimento se considera por un conjunto de capas de materiales de cierto espesor, caracterizadas cada una de ellas por un módulo elástico, dinámico o resiliente representativo de las condiciones de operación de la carretera. Estas capas tendrán un espesor y un valor de resistencia o módulo, excepto para la última capa que de acuerdo a la teoría de multicapas elásticas sólo deberá contar con un valor de resistencia ya que se considera semi-infinita, es decir sin espesor definido. Hay que tener claro que ciertas características de calidad de los materiales se pueden usar para proponer los módulos usados en el diseño, pero se debe tener precaución que los valores de módulos propuestos sean factibles de alcanzarse ya que un diseño de pavimentos deberá incluir las especificaciones técnicas de calidad para alcanzar los valores de resistencia propuestos.

Segundo postulado.- Las cargas que transmiten los vehículos se define por el concepto de espectro de carga representativo de cada tipo de eje presente en la configuración de cada uno de ellos. Este postulado está inspirado en la sobrecarga típica que está presente en las carreteras mexicanas. Tomando en consideración que un pavimento debe durar para las condiciones reales de operación a las que está siendo sometido y no a los límites legales con los cuales debería operarse. Un espectro de carga se puede definir como la distribución de la carga de un grupo de ejes durante un período de tiempo, es decir, es la relación entre el número de ejes con cierto rango de

carga y el número total de ese tipo de eje, expresado en porcentaje. Los espectros de carga por eje se representan por medio de histogramas de distribución de la carga por eje para cada uno de los cuatro tipos de ejes: sencillo direccional o sencillo, dual, tándem y trídem, en la Figura 2 se observa un típico espectro de carga de la red carretera nacional.

Es fundamental la correcta configuración y caracterización del espectro ya que cada punto representa el porcentaje del tiempo con el que se circula con ese nivel de carga, así mismo el área bajo la curva representa un daño potencial hacia la estructura del pavimento.

Figura 2. Espectros de carga en la carretera libre Portezuelo-Palmillas (2003).

Tercer postulado.- Para cada tipo de deterioro, el agotamiento estructural se presentará cuando el número de repeticiones de carga acumulado iguale al número de repeticiones admisible. En esta herramienta los dos deterioros representados son el agrietamiento por fatiga y la deformación permanente de la estructura, los cuales estarán definidos por las deformaciones unitarias máximas de tensión en la carpeta asfáltica y por las deformaciones máximas unitarias a compresión en la parte superior de las capas de terracería. Para la obtención de los espectros de daño, se necesita el concepto de daño definido por Miner, 1945, en donde para cada tipo de eje, i, y cada nivel de carga, j, se obtiene el cociente entre el número de repeticiones esperadas por año, n, y el número de repeticiones admisibles, N, para limitar el desarrollo de un cierto tipo de deterioro. El daño total se calcula con la ecuación (1). (1) El coeficiente de Daño, D, así obtenido, está asociado a un cierto tipo de deterioro en el pavimento. El inverso de D representa el tiempo, T (en años), en que se alcanzará el número de

repeticiones admisible de ese deterioro y es el que se debe comparar con el período de diseño deseado, debiéndolo superar para que el diseño sea satisfactorio. Para el número de repeticiones admisible para agrietamiento por fatiga, Nf, se utilizan modelos del tipo que se indica en la ecuación (2).

N f  f 1 t

 f2

(2)

Para el modelo de deterioro por deformación permanente de las capas inferiores la forma matemática es la que se establece similar a la anterior, ecuación (3).

N d  f 4 c

 f5

(3)

El IMT-PAVE utiliza valores particulares de esos parámetros, definidos con base en su propia experiencia obtenida en el laboratorio de infraestructura del Instituto Mexicano del Transporte. El cálculo de las respuestas estructurales y en particular de las deformaciones unitarias en los dos puntos mencionados se realiza con el método de Odemark, 1949, que permite transformar la estructura de un pavimento en una sección homogénea equivalente. Así como por otras teorías para el análisis de esfuerzos y deformaciones fuera del punto de aplicación de la carga (lo cual sucede al hablarse de dos, cuatro o seis ruedas en los diferentes tipos de ejes) como la de Ahlvin y Ulery, Damy y Casales, y Boussinesq, pero que no se mencionan aquí por el alcance del documento. Los resultados obtenidos con esta metodología para las deformaciones unitarias que se requieren son muy similares a los que proporcionan los programas de cómputo existentes basados en la Teoría de Burmister para medios estratificados.

Cuarto postulado. Una sección estructural se considera adecuada si la vida útil por fatiga y por deformación permanente es mayor al período de diseño, considerando los espectros de carga representativos de las condiciones esperadas de operación de la carretera. Para que la sección sea adecuada deberá cumplir con los dos criterios de deterioro es decir deberá ser suficiente para resistir ambas deformaciones unitarias mencionadas anteriormente.

Diseño de la herramienta de análisis La herramienta se caracteriza por tener tres manejadores de datos de entrada, uno para el tránsito, otro para los niveles de carga y uno para la propuesta de sección del pavimento. La intención era hacer una herramienta sumamente sencilla de manejar que se encuentre al alcance de los diseñadores y revisores de secciones estructurales de pavimentos.

Fig. 3 Características del Tránsito

Figura 4. Espectros de carga

Figura 5. Análisis Espectral En la Figura 4 se tienen espectros de carga por omisión que provienen de estudios realizados en el Instituto Mexicano del Transporte de espectros representativos de condiciones nacionales, para niveles desde baja hasta alta sobrecarga. Además de los espectros propuestos la intención es hacer más mediciones en la red carretera nacional ya que si el tránsito es primordial en el diseño de pavimentos, la intención es medirlo en forma sistemática. Finalmente en la Figura 5, se presenta la ficha de ingreso de datos de la estructura siendo esta similar a la de otros software de diseño de pavimentos, la herramienta sirve para revisar secciones estructurales propuestas, así entonces, una sección será adecuada cuando se cumpla el umbral de diseño que aparece en el valor de vida por fatiga y vida por deformación, donde éstas deberán ser superiores al horizonte de proyecto que se ingresó en la ficha de datos del tránsito.

Conclusiones



Este trabajo presenta una herramienta de diseño de pavimentos basada en el concepto de espectros de carga, que toma en cuenta distintos niveles de sobrecarga de las condiciones mexicanas, evidenciando el efecto directo que tiene esta en el las secciones de pavimento.



Se hace énfasis en la importancia de conocer los valores de resistencia estructural de aquellos materiales propuestos para las diferentes capas del pavimento, es decir, necesitan ser sustentados mediante especificaciones de calidad anexos al resultado del diseño, para garantizar que los materiales o valores de resistencia podrán cumplirse a cabalidad.



La intención detrás del IMT-PAVE está en aportar una herramienta adicional a las existentes para la revisión y propuesta de secciones estructurales de pavimentos asfálticos.



Dada la flexibilidad de la plataforma donde se generó la herramienta, hace posible la mejora y crecimiento constante de la herramienta.

Bibliografía Rico A., Téllez R., Garnica P. (1998), “Pavimentos Flexibles. Problemática, Metodologías de diseño y tendencias”, Publicación Técnica No. 104, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Pérez N. (2001), “Influencia de las condiciones de compactación en la deformación permanente de suelos cohesivos compactados”, Publicación Técnica No. 165, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Pérez A. (2002), “Comportamiento de suelos arcillosos compactados adicionados con cloruro de sodio”, Publicación Técnica 201, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Gómez J.A. (2002), “Mecánica de Materiales para Pavimentos”, Publicación Técnica 197, Instituto Mexicano del Transporte. Barrera M., Garnica P. (2002), “Mecánica de suelos no saturados en vías terrestres”, Publicación Técnica 198, Instituto Mexicano del Transporte.

_______________________________________________________ Evaluación de mezclas asfálticas modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente M.I.C. Jesús Murillón Duarte 1, Dr. Mario Salazar Amaya 1, M.I.C. Efraín Márquez López1, M.I.C. Julio Chávez Cárdenas1, Dr. Horacio Delgado Alamilla 2 Dr. Paul Garnica Anguas 2 1

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán, México; [email protected], [email protected]; [email protected]; [email protected]. 2 Instituto Mexicano del Transporte, San Fandila, Pedro Escobedo, Querétaro, México; [email protected], [email protected].

Resumen En la actualidad nos hemos encontrado con grandes problemas de contaminación los cuales afectan a nuestro medio ambiente, uno de ellos es la acumulación de neumáticos de desecho, los cuales van aumentando año con año, algunas soluciones para estas como material granulado y polvo son: carreteras, campos de fútbol, campos de juego y gimnasia, pistas de atletismo, pistas ecuestres, relleno de césped artificial, camas para ganado, calzado; sin embargo debido al poco consumo de este deshecho en estos métodos, el problema aumenta, por esta razón se ha buscado la forma de incluir el hule de los neumáticos en forma de polvo en la construcción de los pavimentos asfálticos de carretera. En nuestra investigación hemos demostrado varias ventajas en el uso de este material como parte de dichos pavimentos, mejorando así algunas características. Tal parece que podría ser una excelente forma de reciclar dicho material de desecho, ya que como sabemos, la construcción de carreteras es un sector altamente productivo y por el cual se generan altos consumos de materiales, materiales entre los que podría estar nuestro material de desecho objetivo, siendo así una de las mejores soluciones para el reciclado de éste. Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ Introducción

En México según la Asociación Nacional de Distribuidores de Llantas (Andellac), cada año se desechan 40 millones de neumáticos viejos. La investigación cita a la obra pública como instrumento de reciclado prioritario, siempre que la utilización de materiales del reciclado de Neumático Fuera de Uso (NFU) sea técnica y económicamente viable. Entre las posibles aplicaciones en la obra pública, una de las de mayor interés es la fabricación de mezclas asfálticas para carreteras, ya que el caucho de los neumáticos comporta mejoras en su comportamiento, es más económico que otros modificadores alternativos y permite consumir una considerable cantidad de residuo. En España por ejemplo, el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3) del Ministerio de Fomento, siguiendo las directrices del citado Plan, especifica el empleo prioritario de polvo neumático en mezclas asfálticas siempre que sea técnica y económicamente posible, además México se menciona de forma muy superficial en la normativa existente de SCT: N-CMT-4-05-002-06, referidas a pavimentos modificados.

Antecedentes

La incorporación del polvo de caucho procedente del triturado de neumáticos de desecho en asfaltos, se desarrolló comercialmente en EEUU en los años 60 con la patente de Charles McDonald para su aplicación en tratamientos superficiales y bacheos. El empleo de ligantes con hule molido en mezclas asfálticas comenzó a generalizarse en 1985, en Arizona y California. En Europa empezaron las pruebas con asfaltos modificados de alta viscosidad con hule molido en mezclas drenantes en los años 70, especialmente en Bélgica y Francia, pero la falta de plantas de trituración y el desarrollo de los ligantes modificados con polímeros (SBS, EVA, etc.) limitaron su empleo. En España el primer asfalto con polvo de neumático de NFU (neumático fuera de uso) a escala industrial se desarrolló en el año 1996 y fue realizado en central. Este asfalto se utilizó en tramos de ensayo en Sevilla y Madrid [3]. Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ En México por otra parte se han tenido pequeños intentos de la aplicación de esta técnica, tal es el caso de la calzada Tlalpán en 1970 en la ciudad de México, además CAPUFE lo utilizó en autopistas de altas especificaciones en 1996 y las Autopistas México-Puebla, México-Querétaro, México-Córdoba, México Cuernavaca, Pátzcuaro-Uruapan. Objetivos

Comprobar que este tipo de reciclado de hule de llanta en pavimentos flexibles en verdad resulta una alternativa viable para el uso de neumáticos fuera de uso, debido a su bajo costo de aplicación y a la mejora de las características de la mezcla (mayor resistencia al envejecimiento, aumentando la flexibilidad y resistencia a la tensión, reduciendo la aparición de grietas por fatiga o temperatura), corroborando estas últimas con las diferentes pruebas de laboratorio. Reducir el número de neumáticos fuera de uso en los tiraderos proponiendo un uso alterno, tomando en cuenta todas las ventajas que este tipo de técnica representa para los pavimentos.

Metodología y materiales El polvo de caucho reciclado se obtiene triturando los neumáticos enteros hasta el tamaño deseado y separando los metales y tejidos que puedan incorporar. La forma de trituración, la granulometría de las partículas y el contenido remanente de contaminantes metálico y textil afectan a las propiedades del polvo de caucho obtenido. La utilización en mezclas asfálticas precisa que el hule reciclado esté en forma de partículas finas de tamaños inferiores a 2 mm, ó 0,5 mm, según las aplicaciones. La incorporación de polvo neumático a una mezcla asfáltica modifica sus propiedades reológicas y mejora sus prestaciones como material para carreteras. Esta incorporación se puede hacer de dos maneras: Una de ellas es la mezcla previa del polvo de caucho con el asfalto para su posterior empleo como ligante en la mezcla asfáltica. Esta forma de incorporación del polvo neumático a las mezclas asfálticas por adición previa al asfalto se conoce como “vía húmeda”. El segundo procedimiento consiste en introducir el polvo neumático directamente en la planta de fabricación de mezclas asfálticas, junto con el asfalto y los agregados. El polvo de neumático actúa en parte como árido, pero las partículas más finas interaccionan con el asfalto modificando sus propiedades, Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ consiguiéndose así mejorar el comportamiento de la mezcla asfáltica. Esta forma de modificación en la que el polvo neumático se incorpora directamente como un componente más de la mezcla asfáltica, se conoce como “vía seca”, la cual se estudia en nuestra investigación [5]. El desarrollo de nuestra investigación se basa en el protocolo de la Asociación Mexicana del Asfalto A.C. que es una guía de diseño para pavimentos densos (mezclas con niveles de porosidad relativamente bajos), para obtener el mejor comportamiento de un pavimento flexible, dicho protocolo se basa en lo mejor de diversos métodos. Dentro de este método básicamente se sigue la siguiente secuencia, plasmada en capítulos dentro del documento: Criterios de selección del nivel requerido, Selección de los agregados pétreos, Selección del cemento asfáltico, Diseño volumétrico, Susceptibilidad de la mezcla asfáltica al daño inducido por humedad y Susceptibilidad a las deformaciones permanentes. En dicho documento marca cuatro niveles de diseño, dependiendo de los requerimientos de nuestra mezcla, para esta investigación usamos el nivel II, que nos permitirá utilizar nuestra mezcla en un gran número de obras viales. Ya teniendo el dato base del cual debemos de partir podremos proceder a hacer los diferentes ensañes: Selección de agregados: En nuestro caso en particular se utiliza el banco de material sugerido por el Instituto Mexicano del Transporte dado que ya se tiene estudiado, además de usarse una granulometría ya probada por el mismo instituto.En la siguiente gráfica podemos observar una comparativa con los porcentajes marcados dentro del protocolo.

Gráfica 1 Granulometría de proyecto contra límites AMAAC

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_______________________________________________________ También comparamos la granulometría de diseño con las propuestas por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) y en la figura siguiente podemos ver que sigue cumplendo:

Gráfica 2 Granulometría de proyecto contra límites SCT

Ya corroborado que la granulometría nos cumple con las diferentes normativas nacionales, se modificará esta granulometría con contenidos de hule de molido de neumático al 1% y 2% con respecto al peso total de la muestra, sustituyendo material de la malla No.50 debido a que es el tamaño más cercano al del hule molido. También cabe señalar que el material cumplió con los diferentes parámetros en las pruebas que el protocolo marca tanto para agregados gruesos (Desgaste los ángeles, Desgaste Microdeval, Intemperismo acelerado, Caras fracturadas, partículas alargadas y lajeadas y adherencia con el asfalto de cubrimiento), como finos (con las pruebas de Equivalente de arena, Angularidad y Azul de metileno). Por otra parte la selección del cemento asfáltico nos remitió a la norma SCT NCTM-4-05-004/05, donde hace mención a que la selección debe ser con respecto a la temperatura máxima y mínima que se espera en el lugar. Además en nuestro caso como el cemento asfaltico es convencional, debe cumplir las temperaturas en mezclado y tendido, además de la humedad y diseño volumétrico de la mezcla. Otra factor de influencia es la cantidad de hule usado, que en nuestro caso en particular y basándonos en el “Manual de Empleo de Caucho de NFU en mezclas bituminosas”[3] español, se decidió trabajar con cantidades de 1% y 2% con respecto al volumen de agregados, con el fin de obtener resultados satisfactorios y desempeño óptimo en las pruebas de deformación permanente y susceptibilidad a la humedad. Una de las pruebas que más nos dejará ver el comportamiento de la mezcla modificada es la deformación permanente, la cual se efectuará mediante el uso del Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA). Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ Resultados y Discusión Las pruebas de diseño volumétrico nos mostraron algo ya esperado, las probetas modificadas con hule de llanta ocuparon mayor contenido de Cemento asfaltico, debido a que dicho material absorbe parte de nuestro material cementante, así que obtuvimos contenidos de cemento asfaltico de 5.4% para probetas sin modificar y de 5.8 para las modificadas con 2% de hule; las probetas con 1% de hule no lograron llegar al 4% de vacíos aún y cuando se le agregó hasta 6% de hule y además ´presentó un comportamiento peculiar tal como se aprecia en la gráfica 1.

Gráfica 3.- VA respecto al porcentaje de asfalto mezcla modificada con1% hule

De la prueba de TSR tenemos que las probetas modificadas con hule de llanta resultaron menos resistentes a la tensión, esto puede deberse a que las partículas de material tienen menor cantidad de asfalto ya que el hule de llanta absorbe parte de este sin embargo podemos notar que no sufren modificación en sus resistencias debido a la aplicación de humedad, debido probablemente a que el hule ayuda a absorber agua.

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Gráfica 4.- Relación de resistencias

Gráfica 5.- Valores de TSR

En la prueba de deformación permanente el comportamiento de la mezcla modificada con hule de llanta resulta ser más favorable en la deformación permanente, teniendo algunos milímetros menos de deformación con respecto a la mezcla convencional, aunque también resulta interesante ver que aunque la mezcla modificada con hule parece deformarse en un inicio, esta tiende a mantener su postura original gracias al hule incluido, esto lo podemos notar en las gráficas siguientes:

Gráfica 5.- Deformación permanente mezcla convencional

Gráfica 6.- Deformación permanente mezcla 1% de hule

Gráfica 7.- Deformación permanente mezcla con 2% de hule

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_______________________________________________________ Conclusión:

La presente investigación pretende abrir camino en un tema poco abundado dentro de México, la incorporación de hule molido en mezclas asfálticas, con el fin de buscar un avance en materia medio ambiental debido a que se reciclaran los neumáticos de desecho que contaminan considerablemente el país, y que se están convirtiendo en un problema de magnitudes catastróficas, ya que no existen las suficientes formas de aprovecharlos. Con este trabajo se pretende demostrar lo positivo de su uso y así extender este tipo de aplicación en la mayor parte del país para tratar de aminorar este gran problema tal como se ha demostrado en diversos países. Además cabe mencionar que no sólo se reciclará un material altamente contaminante, sino que además las mezclas asfálticas mejoran algunas características.

Referencias 1. Normas SCT: N-CMT-4-05-002-01, N-CMT-4-05-002-06 2. Alfonso Rico Rodríguez, Rodolfo Téllez Gutiérrez, Paul Garnica Anguas; Publicación 104 imt pavimentos flexibles problemática, metodologías de diseño y tendencias, Querétaro, Mex, 1998. 3. MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE. Manual de Empleo de Caucho de NFU en mezclas bituminosas, España, 2007. 64 p. 4. F. Perez-Jimenez, R. Miro Recasens(*), A. Martínez, C. Martínez Laínez y A. Páez Dueñas, Evaluación de la cohesión de betunes modificados con polvo de neumáticos, 2006. 54 p. 5. UNIVERSIDAD DE SALAMANCA, Diseño de desarrollo y seguimiento de un aglomerado asfáltico con polvo de caucho. España, 75 p. 6. GALLEGOS MEDINA. (2001). Mezclas bituminosas modificadas por adición de polvo de neumáticos. CEDEX ,Madrid. 2001. 82 p. 7. RAMIREZ GARCIA, José Luis, Tesis usos y aplicaciones del asfalto modificado con hule reciclado de llantas, México, 2004, 98 p.

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_______________________________________________________ 8. CRESPO VILLALAZ, Carlos, Vías de comunicación, México 2001, 717 p. 9. PEREZ JIMENEZ, Félix, Estudio, Diseño y control de mezclas bituminosas, Madrid 2006, 220 p. 10. GARNICA ANGUAS, Paul, Delgado Alamilla, Horacio, Gómez López José Antonio; González Madrigal, Álvaro, Comportamiento de la mezclas asfálticas modificadas con SBR, SCT, IMT, México 2004, 38 p. 11. GARNICA ANGUAS, Paul; Delgado Alamilla, Horacio; Sandoval Sandoval, Carlos Daniel, Análisis comparativo de los métodos Marshall y Superpave para compactación de mezclas asfálticas, SCT, IMT, México 2005, 48p. 12. Secretaría de Comunicaciones y Transportes; Anuario estadístico; México; 2009, 2010. 13. Asociación Mexicana del Asfalto; Protocolo AMAAC, México, 2010.

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EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE, NIVEL I-II CON ADITIVOS MEJORADORES DE ADHENRENCIA Y ASFALTO MODIFICADO TIPO SBS Aldo Salazar, Horacio Delgado, Paul Garnica, Raúl Terán Resumen Debido a que en la actualidad los pavimentos presentan diversas degradaciones por el incremento en el nivel de tránsito, malos materiales para construcción, se ha determinado una necesidad de crear de nuevos productos químicos que modifican la superficie del agregado o del asfalto esto con el fin de mejorar el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. Este trabajo presenta la evaluación de la influencia de un asfalto modificado tipo SBS mezclado con un promotor de adherencia evaluado a diferentes concentraciones en el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. Este modificador se evaluó con y sin promotor de adherencia y fue comparado contra un asfalto convencional. La evaluación del desempeño fue realizada mediante tres ensayos. El primero son los ensayos de adherencia, en los cuales se puede observar de una manera subjetiva la afinidad que tiene el agregado pétreo con el cemento asfáltico. El segundo ensaye es realizado mediante la prueba de TSR, para medir la perdida de resistencia que tiene la mezcla asfáltica por la acción del agua. El tercer ensaye fue realizado mediante el ensayo de deformación permanente, bajo una rueda cargada. Los resultados obtenidos permiten determinar una concentración óptima para el aditivo promotor de adherencia. Conjuntamente se determinó el aporte mecánico de este material con respecto a una mezcla modificada y convencional. Palabras claves Ensayes de adherencia, tensión indirecta, deformación permanente, aditivo promotor de adherencia. 1. Afinidad entre asfalto/agregado El asfalto es un derivado del petróleo muy viscoso de baja polaridad y una pequeña afinidad por el agregado. Por otro lado el agregado pétreo presenta una gran afinidad por el agua por lo cual permite que el asfalto sea desplazado fácilmente por el agua. [01] Los agregados a su vez pueden considerarse del tipo “ácidos” o “básicos” esto depende de que si su superficie tiende a cargarse de forma positiva o negativa. Los agregados con

altos contenidos de sílice son del tipo acido y los que contienen grupos carbonatos son del tipo básico. [01] Como se menciono anteriormente la pérdida de adherencia es debido a la acción del agua, el cual puede penetrar en la estructura del pavimento por cualquiera de las siguientes formas: 

Presente con el agregado debido a un secado inadecuado insuficiente o con un alto contenido de agua interna,

 

Fisuras y porosidad de la carpeta, Por capilaridad cuando existe agua entre las subcapas o una alta presión hidrostática en el subsuelo.

2. Aditivo promotor de adherencia Este tipo de aditivos son productos tensoactivos que tienen la propiedad de modificar la tensión superficial del asfalto, agregado pétreos o ambos. Las moléculas de este aditivo se caracterizan por tener dos partes bien definidas:  

Una parte afín al asfalto, formada por una cadena hidrocarbonada, Una parte afín al agua, formada por grupos funcionales molares.

En las mezclas asfálticas el aditivo promotor de adherencia se concentra en la interface asfalto/agregado y se orientan en la parte lipofílica hacia el asfalto. Por otro lado los grupos polares de la parte hidrofílica generan uniones con los grupos silicatos y carbonatos de la superficie del agregado. En otras palabras, el aditivo promotor de adherencia crea un enlace químico entre el asfalto y agregado aumentando su resistencia a la acción del agua. Asfalto

Asfalto

Agregado

Agregado



presencia de los grupos polares del aditivo en la interfase, permitiéndole desplazar el agua de la superficie del agregado y lograr un contacto íntimo entre asfalto/agregado. Esto es conocido como “Adhesión Activa”. Incrementando la resistencia al desprendimiento: Esto se logra al impedir la penetración del agua entre la película de asfalto y el agregado por efecto de los enlaces que se establecen entre el asfalto y la superficie del agregado debido a la adición del aditivo promotor de adherencia. Esta resistencia se le conoce como “Adhesión Pasiva”.

3. Descripción del ensayo 3.1 Ensayes de adherencia Existen diferentes tipos de ensayos de laboratorio para la evaluación de la adherencia, en los cuales la mezcla asfáltica sin compactar es sometida en agua para evaluar su desempeño. De las metodologías que actualmente se encuentran en la normativa, únicamente se opto por utilizas tres métodos de ensaye para evaluar la adherencia. Estos son:   

Recomendación AMAAC, RA08/10 Recomendación AMAAC, RA07/10 Método de Ebullición, ASTM D3625

Método de desprendimiento por fricción Figura 1. Ubicación del aditivo promotor de adherencia en la interface asfalto/agregado

Con la adición del promotor de adherencia al asfalto este mejorara la afinidad asfalto/agregado a través de dos mecanismos: 

Mejorando incrementando

el cubrimiento: la afinidad por la

La prueba consiste en someter a la acción del agua y a varios ciclos de agitación la mezcla asfáltica sin compactar, esto con el fin de evaluar su estado físico después del ensayo. Las mezclas asfálticas son realizadas añadiendo únicamente 5% de asfalto al agregado pétreo en la fracción gruesa.

La prueba es un ensayo rápido, práctico y eficiente que nos permite evaluar la falta de adhesión de la mezcla asfáltica caliente no compactada debido a la acción del agua en ebullición.

Figura 2. Ensayo realizado mediante el agitador mecánico.

Método Australiano, RA 07/10 Este procedimiento de prueba está basado en el método australiano RTA T 230 (resistance to stripping of aggregates and blinders). La prueba consiste en someter a la acción del agua y temperatura indicada a la mezcla asfáltica sin compactar, cuyo objetivo es determinar la resistencia al desprendimiento del asfalto del agregado pétreo en función del porcentaje de cubrimiento al final del ensaye.

Figura 3. Ensayo realizado mediante método australiano

Método de ebullición Este método de prueba es utilizado para determinar la pérdida de la película asfáltica en los materiales pétreos reportando en porcentaje de cubrimiento el resultado final de la prueba.

Figura 4. Ensayo realizado mediante agua en ebullición.

3.2 Ensaye de Tensión Indirecta, TSR Esta prueba determina la pérdida de resistencia de las mezclas asfálticas, consiste en aplicar una carga de compresión a lo largo de los ejes diametrales del espécimen cilíndrico. La magnitud de la carga es de al menos 100 kN, y ésta debe ser aplicada a una velocidad de deformación constante de 50,8 mm por minuto hasta la falla. La carga se aplica por medio de dos barras, debido a la forma cilíndrica de la probeta; la carga de compresión se transforma en un esfuerzo de tensión. Durante el ensayo, la carga y la deformación son registradas hasta que ocurre la falla del espécimen. [02]

Figura 6. Especímenes ensayados en el APA Figura 5. Ruptura de un espécimen en el ensayo de tensión indirecta

3.3 Ensaye de Deformación Permanente Esta prueba es realizada en el Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA), el tiempo de prueba para una evaluación completa de deformación permanente es de 2 horas y 16 minutos (8000 ciclos). La evaluación de la susceptibilidad a la deformación permanente de las mezclas asfálticas se puede determinar tanto en especímenes rectangulares como en cilíndricos, mediante cargas repetidas aplicadas con ruedas y midiendo la profundidad de la rodera que deja la rueda. El APA cuenta con un sistema de adquisición de datos automatizado. [03] Las partes de la rueda cargada y la presión de inflado son representativas de las condiciones actuales en campo. Pueden probarse seis cilindros Para la evaluación de esta prueba se utilizo una presión de 100 psi y una carga de 100 lb, en condición seca y saturada, evaluando la deformación permanente de la mezcla asfáltica compactada después de 8000 ciclos de carga.

Figura 7. Profundidad de la rodera en un espécimen ensayado

4. Análisis de resultados El análisis de resultados está dividido en tres fases: la primera es evaluar el Nivel I de “Diseño de Mezclas Asfálticas de Alto Desempeño” de protocolo AMAAC, la segunda fase serán realizado por medio de los ensayes de adherencia, donde evaluaremos la afinidad asfalto/agregado, la tercera fase es el Nivel II de protocolo AMAAC, por medio del APA. 4.1 Nivel I 4.1.1 Caracterización del agregado pétreo El agregado pétreo utilizado para realizar la investigación, es producto de la trituración de roca basáltica, proveniente del banco “La Cañada” ubicado en la localidad de Saldarriaga en el Marques, Qro.

Los ensayos que fueron realizados al agregado pétreo son los especificados en el Protocolo AMAAC para evaluar sus propiedades físicas. En la tabla 1 se muestran los resultados.

El cemento asfáltico utilizado en el presente trabajo es, proveniente de la refinería de Salamanca, Guanajuato. Para las propiedades del cemento asfáltico, no se realizó ningún estudio reológico.

Tabla 1. Propiedades físicas del agregado pétreo

Al cemento asfáltico se le asignó una denominación según la condición en la que fue usado para la fabricación de los especímenes:

Prueba

Resultado

Especificación

Desgaste de los Ángeles, %

12 %

30 máx.

Desgaste Microdeval, %

9%

18 máx.

Intemperismo Acelerado

6%

15 máx.

Caras fracturadas, % (2 caras o más)

94 %

90 mín.

Partículas alargadas

0%

10 % máx.

Partículas planas

5%

10 % máx.

Equivalente de arena, %

53 %

50 mín.

Angularidad del agregado fino, %

46 %

40 mín.

Estos porcentajes de aditivo son con respecto al peso del asfalto.

28

15 máx.

4.1.3 Propiedades volumétricas

AC-20 AC-20 + SBS AC-20 + SBS + 0.3% Aditivo AC-20 + SBS + 0.5% Aditivo

Azul de metileno, mg/g

El material del banco estudiado presenta un tamaño máximo de 1” (24.5 mm) y como tamaño nominal de ¾” (19.5 mm). Con esto se creó una curva granulométrica con la que se realizaron las dosificaciones para realizar las mezclas asfálticas. La figura 8 muestra la curva granulométrica diseñada. 100 90 80

% pasa

70 60 50 40

Curva de diseño

30 20

Linea de máxima densidad

10

AC-20 + SBS + 0.7% Aditivo

→ → → → →

A.O. A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

Para el proyecto en estudio, los criterios del protocolo AMAAC a seguir son los correspondientes al nivel III: tránsito alto (de 10 a 30 millones de ejes equivalentes). Las especificaciones de los parámetros volumétricos, para un tamaño nominal de 19mm, requiere una relación de vacíos de 4%, vacíos del agregado mineral mayor de 13% y vacíos rellenos de asfalto entre 65 y 78%, con una relación de filler-agregado entre 0.6 y 1.2. Además se requiere compactar los especímenes con un número de giros simulando el tránsito esperado correspondiente al nivel seleccionado, por lo que los especímenes fueron compactados a 100 giros.

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

abertura de malla ^0.45, mm

Figura 8. Curva teórica de diseño de mezcla

4.1.2 Cemento asfáltico y aditivo promotor de adherencia

De acuerdo a nuestra curva granulométrica de diseño, se dosificaron especímenes de 1200 g, para compactar a 100 giros con distintos contenidos de cemento asfáltico, con las que se podrán conocer sus propiedades

Además se realizaron mezclas asfálticas sin compactar para determinar el ensayo de la densidad teórica máxima Gmm de acuerdo a la norma ASTM D 2041, usando los mismos contenidos de cemento asfáltico de las mezclas asfálticas compactadas. Con los valores obtenidos (resultados del ensayo de la densidad teórica máxima Gmm) y los valores de densidad de la mezcla compacta, se puede aproximar un valor probable para diseño que cumpla con los requisitos preestablecidos. Los resultados se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Parámetros volumétricos con el contenido óptimo para A.O. y A.M. Asfalto

AC-20

A.M.

Especificación

% C.A.

5.3

5.1

×

Gmb

2.340

2.335

×

Gmm

2.443

2.437

×

%VA

4.0

4.0

4.0

%VAM

14.9

15.1

> 13

%VFA

73.5

73.5

65 - 78

%Filler/Asfalto

0.73

0.71

0.6 - 1.2

%GmmNdis

96.0

96.0

96.0

4.1.4 Tensión Indirecta TSR Los especímenes compactados fueron ensayados con una relación de vacios del 7%. Se compactaron los especímenes necesarios

para realizar el ensaye de TSR. El 50% de los especímenes compactados se ensayaron en condición seca y el resto en condición saturada, de los cuales estos últimos tuvieron un proceso de saturación menor del 80% que especifica la norma AASHTO T283. En la figura 9 se muestran los resultados función del esfuerzo máximo para las probetas ensayadas en condición seco y saturado. 800.00 700.00 600.00 500.00

esfuerzo, kPa

volumétricas. El contenido de cemento asfáltico óptimo será el necesario para obtener una relación de vacíos de aire en la que sea lo más aproximado al 4%, además de cumplir con las especificaciones de los parámetros volumétricos mencionados anteriormente.

400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 AC20

A.M.

A.M.1

A.M.2

A.M.3

Mezcla asfáltica

Figura 9. Esfuerzos máximos de las mezclas asfálticas evaluadas

La tabla 3 muestra la relación de los esfuerzos obtenidos para cada una de las concentraciones añadidas del aditivo promotor de adherencia. Tabla 3. Resultados de TSR con las mezclas asfálticas evaluadas A.O.

A.M.

A.M.1

A.M.2

A.M.3

Seco

630.07

684.58

695.48

628.18

701.13

Saturado

511.88

578.99

592.29

585.37

557.53

TSR

81%

85%

85%

93%

80%

En la figura anterior se aprecia notablemente el incremento del esfuerzo al adicionarle el modificador tipo SBS, en condición seca y saturada. Se puede notar que el daño causado por la humedad en las mezclas asfálticas las cuales contienen el modificar SBS no es tan severo como en las mezclas convencionales. La relación TSR no se incrementa tanto debido a que los valores del esfuerzo con el

modificador se incrementan tanto las mezclas secas como en las húmedas.

100

Al incrementar el aditivo mejorador de adherencia al asfalto modificado se observa que con poca concentración añadida, en este caso la mezcla asfáltica A.M.1 no se aprecia ningún efecto nocivo por la aplicación de este producto, por el contrario tiene un mejor comportamiento mecánico en la mezcla asfáltica mejorando su resistencia a la tensión.

% de adherencia

80 60 40 20 0 Resultados

AC20 86

A.M. 86

A.M.1 95

A.M.2 97

A.M.3 99

mezcla asfáltica

Figura 10. Resultados de desprendimiento por fricción RA 08/2010 100

% de adherencia

Por otro lado con las formulaciones A.M.2 y A.M.3 son caso contrario, se aprecia que con más concentración añadida del aditivo mejorador de adherencia esto para el A.M.2 los valores del esfuerzo tienden a ser inferiores que el A.M.

80 60 40 20 0

Resultados

AC20 13

A.M. 4

A.M.1 88

A.M.2 94

A.M.3 97

mezcla asfáltica

4.2 Ensayes de adherencia

Figura 11. Resultados del método australiano 100 80

% de adherencia

El A.M.3 obtiene mayores esfuerzos en las mezclas secas que el A.M. pero en las mezclas húmedas el valor del esfuerzo es inferior. Por la tanto la relación del TSR es inferior a todas las mezclas asfálticas evaluadas.

60 40 20 0

Los resultados de las pruebas de adherencia contienen los valores obtenidos del agregado antes mencionado. En las gráficos 10, 11 y 12 se presentan los resultados finales de los ensayes. Los resultados de los métodos están representados en porcentaje de cubrimiento para tener una mejor visualización en la comparación con los otros métodos.

Resultados

AC20 77

A.M. 87

A.M.1 92

A.M.2 93

A.M.3 97

mezcla asfáltica

Figura 12. Resultados del método de ebullición

Con los resultados obtenidos se puede concluir que al añadir el aditivo promotor de adherencia para cualquier ensayo en donde se pueda evaluar la afinidad asfalto/agregado se aprecia notalmente que este agente tensoactivo ayudo a mejorar sus propiedades superficiales mejorando las características del agregado para obtener mejores resultados en afinidad. Primeramente se puede observar, que al adicionar el modificador SBS tiene mejor afinidad asfalto agregado que en comparación

11 10 9

deformación, mm

con el A.O. esto para las pruebas de desprendimiento por fricción y ebullición. En el caso del método australiano se observa que el modificador no le proporciona ningún beneficio de afinidad.

8 7 6 5 4 3

Para las mezclas evaluadas con el aditivo mejorador de adherencia. Se aprecia que al incrementar la concentración del aditivo los valore de cubrimiento asfalto/agregado son mayores en cualquiera de los ensayes. Sin embargo la formulación del A.M.3 es la que presenta mejores resultados en cuanto a afinidad. 4.2 Nivel II Los especímenes compactados fueron ensayados con una relación de vacios del 7% de igual manera que las probetas para TSR. Se compactaron los especímenes necesarios para realizar el ensaye en el APA. El 50% de los especímenes compactados se ensayaron en condición seca y el resto en condición saturada. La figura 13 y 14 muestra los resultados obtenidos después del ensaye en condición seca y saturada. 10

AC-20 A.M. A.M. 1 A.M. 2 A.M. 3

9

deformación, mm

8 7 6 5

AC20 A.M. A.M. 1 A.M. 2 A.M. 3

2 1 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

N° Ciclos

Figura 13. Ensaye de deformación permanente en la condición saturada

Primeramente se observa una deformación inicial en los primeros 300 ciclos, la mezcla asfáltica convencional tiene una deformación no controlada por lo que el desempeño de esta mezcla evaluada es bajo. Cuando se adiciona el modificador SBS al A.O. la mezcla asfáltica tiende a recuperar mas su parte viscosa por lo que hace que esta deformación evolucione de una manera más controlada esto sucede en cualquier condición evaluada (seco y/o saturado). Cuando adiciona el aditivo mejorador de adherencia al A.M. se puede apreciar notablemente que en la condición seca el aditivo no tiene ningún efecto nocivo en el desempeño de la mezcla asfáltica, si no que le da un mayor aporte mecánico a la deformación permanente. Siendo las mezclas A.M.2 y A.M.1 Las que se comportan mejor con el tensoactivo.

4 3 2 1 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

N° Ciclos

Figura 13. Ensaye de deformación permanente en la condición seca

5. Conclusiones  Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional (A.O.), mejoro el comportamiento mecánico en la mezcla asfáltica al obtener valores mayores en los ensayes de adherencia, tensión indirecta y deformación permanente.  Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se encontró que la mezcla asfáltica mejoro







su comportamiento mecánico en los ensayes de tensión indirecta y deformación permanente, sin olvidar que mejoro la afinidad asfalto agregado. Las tres mezclas con aditivo y modificador SBS presentan un mejor resultado en los ensayes de adherencia, pero se observo que a mayor concentración adicionada de aditivo la afinidad incrementa. Se encontró que al adicionar el aditivo mejorador de adherencia al A.M. no tiene ningún efecto nocivo en concentraciones pequeñas, al contrario mejora su afinidad por lo tanto mejora su desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. En cuanto los resultados de tensión indirecta y deformación permanente se observa a mayor concentración de aditivo mejorador de adherencia el comportamiento de esta tiende a disminuir los valores del esfuerzo.

6. Referencias [01] A. Salazar, Susceptibilidad a la humedad en mezclas asfálticas, Tesis de Licenciatura, Universidad Marista de Querétaro, Qro. México 2010. [02] P. Garnica, H. Delgado, J. A. Gómez, A. González, Comportamiento de mezclas asfálticas modificadas con SBR. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 254, 2004 [03] P. Garnica, M. Flores, H. Delgado, J. A. Gómez, Caracterización Geomecánica de Mezclas Asfálticas. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 267, 2005

[04] P Garnica, J.A Gómez, H. Delgado, Algunos aspectos de la densificación de mezclas asfálticas con el compactador giratorio. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 228, 2003 [05] Diseño de mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño. Protocolo AMAAC PA-MA 01/2011 [06] Susceptibilidad a la deformación permanente por rodera de una mezcla asfáltica, por medio del analizador de pavimentos asfálticos (APA), Recomendación AMAAC RA 02/2011 [07] Resistencia de las mezclas asfálticas compactadas al daño inducido por humedad, Recomendación AMAAC RA 04/2010 [08] Compactación de mezclas asfálticas con el equipo compactador giratorio, Recomendación AMAAC RA 06/2011 [09] Resistencia al desprendimiento del asfalto de los materiales pétreos en las mezclas asfálticas por acción del agua, Recomendación AMAAC RA 07/2010 [10] Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas, Recomendación AMAAC RA 08/2010

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE, NIVEL III CON ADITIVOS MEJORADORES DE ADHERENCIA Y ASFALTO MODIFICADO TIPO SBS Aldo Salazar, Horacio Delgado, Paul Garnica, Mayra Flores, Raúl Terán Resumen En la actualidad se presentan diferentes degradaciones prematuras en los pavimentos asfálticos, los cuales están asociados a un incremento en el nivel de tránsito (volumen e intensidad), por lo cual es importante utilizar materiales que proporcionen mejores desempeños a la mezcla asfáltica. En la actualidad una de las soluciones más utilizadas es el uso de polímeros, los cuales modifican el desempeño del ligante asfáltico. Por lo cual la correcta determinación de sus propiedades reologicas, módulo complejo, E* y ángulo de fase φ, son primordiales en el diseño de un pavimento asfáltico. Este trabajo presenta la evaluación de la influencia de un asfalto modificado tipo SBS mezclado con un promotor de adherencia evaluado a diferentes concentraciones en el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. Este modificador se evaluó con y sin promotor de adherencia y fue comparado contra un asfalto convencional. La evaluación del desempeño fue realizada mediante el ensayo de módulo complejo, E*, bajo una solicitación sinusoidal en compresión a 6 diferentes temperaturas y 5 frecuencias. Los resultados obtenidos permiten determinar una concentración óptima para el promotor de adherencia. Conjuntamente se determinó el aporte mecánico de este material con respecto a una mezcla modificada y convencional. Palabras claves Módulo complejo, ángulo de fase, mezclas asfálticas, aditivo promotor de adherencia.

Como se ha mencionado, las mezclas asfálticas tienen un comportamiento complejo, considerando la amplitud de la deformación (|ε|) y el número de ciclos de carga aplicados (N) se pueden identificar cuatro clases de comportamientos principales [01]:    

La figura 1 presenta un esquema de los comportamientos descritos en los puntos anteriores. log ||

1. Tipos de comportamiento de las mezclas asfálticas

-2

Influencia de la temperatura

No lineal

Deformación permanente (si ciclos de esfuerzos a partir de 0)

Deformabilidad

-4

Viscoelasticidad lineal (VEL)

-6

Comportamiento viscoelástico lineal Fenómeno de fatiga Comportamiento fuertemente no lineal Deformación permanente

Ruptura

1

2

Fatiga

3

4

5

6

log (N)

Figura 1. Comportamiento tipo de una mezcla asfáltica a temperatura controlada, (ε) deformación – (N) número de repeticiones de carga [01].

Las fronteras presentadas en la figura 1, para los diferentes comportamientos, son de magnitudes que pueden variar sensiblemente según el material, la temperatura y el tipo de solicitación. 2. Viscoelasticidad lineal El ensayo de módulo dinámico es realizado para determinar las propiedades viscoelásticas del material asfáltico (E* y φ). Este ensayo es realizado bajo varias hipótesis. Este punto describe los requerimientos que se deben cumplir para su correcta ejecución en el laboratorio. Por lo tanto la mezcla asfáltica debe estar constituida de 3 hipótesis:   

Medio continuo Isotropía Viscoelasticidad lineal y linealidad [03]

3.

Medición de las viscoelásticas lineales

propiedades

Dos consideraciones se deben tomar en cuenta. La primera es el tipo de ensayo a utilizar y la segunda el tipo de señal de solicitación a aplicar. Para el caso del tipo de ensayo son los siguientes:  

Ensayos homogéneos Ensayes no homogéneos

Para el caso del tipo de señal de solicitación a aplicar es la siguiente: 

Por medio de cargas sinusoidales

3.1 Descripción del ensayo El ensayo de módulo complejo es realizado mediante un ensayo que somete el material a

solicitaciones sinusoidales a diferentes frecuencias. Las mediciones son realizadas en el rango de pequeñas deformaciones, para las cuales la mezcla asfáltica se comporta principalmente como un material viscoelástico lineal, la respuesta establecida para una solicitación sinusoidal es también sinusoidal [05]. 3.2 Consideraciones para la realización del ensayo de Módulo complejo Como se ha definido con anterioridad que los diferentes componentes del módulo complejo varían con la frecuencia de solicitación (Hz) y la temperatura (°C), a partir de esta combinación se obtendrán diversos valores de E* y φ, con los cuales podremos caracterizar el comportamiento viscoelástico del material. Las frecuencias evaluadas van de 25 Hz hasta 0,1 Hz. Es importante mencionar que frecuencias superiores a 10 Hz presentan ciertas distorsiones en la señal y por consiguiente los valores obtenidos no son muy confiables. El rango clásico de temperaturas que se maneja es de -20°C a 40 °C, para el caso el equipo del IMT las temperaturas variaron de -10 °C a 54 °C. Se debe tener precaución en los ensayos realizados a 40 °C o más ya que existen problemas potenciales de pérdida de linealidad y fluencia de la probeta. Se recomienda tener por lo menos 30 puntos experimentales por tipo de mezcla asfáltica, generalmente una combinación de 5 temperaturas y 6 frecuencias. La tabla 1 resume los valores utilizados para la evaluación de la mezcla asfáltica.



Temperaturas (°C)

Frecuencias (Hz)

-10 +4 +21 +37 +54

0,1 0,5 1 5 10 25

Evaluación de 30 puntos experimentales por muestra

Las señales sinusoidales generadas para cada punto experimental presentan ciertas distorsiones debidas a los parámetros de respuesta de la prensa (medidores de deformación). Para poder tener una determinación confiable de los valores de módulo complejo y para el ángulo de fase es necesario realizar un tratamiento a estas señales sinusoidales. 4. Análisis del módulo complejo en mezclas asfálticas

Curvas isotérmicas Estas curvas son obtenidas trazando la curva del módulo complejo E* o ángulo de fase φ, en función de la frecuencia para cada una de las temperaturas de ensayo T (°C), en el caso del módulo esta gráfica es en escala bilogarítmica. La pendiente de las curvas isotérmicas permite estimar la susceptibilidad cinética del material asfáltico (variación del módulo con la velocidad de solicitación). La figura 3 presenta las curvas isotérmicas de una mezcla asfáltica modificada con aditivo promotor de adherencia.

10000

Módulo cpmlejo, E* (MPa)

Tabla 1. Puntos experimentales evaluados*

1000 -10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C 100

Principales representaciones Los resultados de ensayo fueron obtenidos de la evaluación de tres mezclas asfálticas, una mezcla convencional, una modificada y una modificada con tres concentraciones distintas con un aditivo promotor de adherencia. El ensayo de módulo complejo fue realizado en modo de tensión compresión a esfuerzo controlado (ensayo homogéneo). Se evaluaron 5 diferentes temperaturas (-10 °C a 54 °C) y 6 frecuencias (0,1 Hz a 25 Hz), ver tabla 1. Los diferentes componentes del módulo complejo varían con la temperatura y la frecuencia de la solicitación. Los resultados experimentales E*, φ, E1 y E2 son generalmente presentados mediante las siguientes representaciones clásicas.

0.01

0.1

1

Frecuencia f (Hz)

10

100

Figura 3. Curvas isotérmicas del módulo complejo

Curva en el plano Cole-Cole (o plano complejo) Esta representación traza en las abscisas la parte real del módulo complejo E1 y la parte imaginaria E2 en la ordenada. Esta curva puede ser utilizada para calibrar un modelo de comportamiento reológico. Debido a que el material obedece el principio de equivalencia frecuencia–temperatura, los puntos experimentales permiten definir una curva única y característica del material evaluado. La figura 5 presenta el plano Cole-Cole de una mezcla asfáltica modificada con aditivo promotor de adherencia.

3500

Parte viscosa, (MPa)

5. Principio de equivalencia tiempotemperatura

-10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Parte elástica, (MPa)

Figura 5. Curva en el plano Cole-Cole

Curvas en el espacio de Black Esta representación traza el logaritmo de la norma del módulo complejo │E*│ (ordenada) en función del ángulo de fase (abscisa) correspondiente. Los valores del ángulo de fase son graficados en orden creciente de derecha a izquierda. Al igual que en la gráfica de Cole-Cole, cuando en material cumple con el principio de equivalencia-temperatura se define una curva única que es característica del material. La gráfica de Black es utilizada para representar las zonas con valores de módulo bajo y en particular la disminución del ángulo de fase para las temperaturas altas.

Módulo complejo, E* (MPa)

La figura 6 presenta la gráfica de Black de una mezcla asfáltica modificada con promotor de adherencia.

-10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C

100 30

25

20

15

10

5

Angulo de fase (°)

Figura 6. Curva en el espacio de Black

Utilizando esta propiedad de equivalencia es posible construir una curva única [log(|E*|), log(Fr) = log(2π/ω)] para una temperatura de referencia TR seleccionada arbitrariamente. Para construir esta curva, es necesario trasladar, paralelamente al eje de las abscisas, cada isoterma T con relación a la isoterma de referencia TR, hasta tener una superposición de los puntos de todas las isotermas. El valor del coeficiente de traslación de cada isoterma T en relación a TR es log (aT), donde aT es una función de la temperatura que verifica las propiedades siguientes: ( (

)

(

)

) ( ) ( )

La curva que se obtiene se llama “Curva Maestra” (master curve). Esta curva es característica del material y permite determinar valores de modulo en frecuencias que no pueden ser obtenidas en experimentalmente.

10000

1000

El módulo es una función de dos variables independientes: la frecuencia o pulsación (ω) y la temperatura (T). La propiedad de equivalencia tiempo-temperatura implica que se puede representar el modulo utilizando una sola variable reducida para describir la variación del módulo con la frecuencia y la temperatura, ω*f (T). Los materiales que cumplen este principio son llamados Termoreológicamente simples.

0

Módulo complejo E* (MPa)

(bajas temperaturas), dan un indicador de la susceptibilidad de la mezcla a la fisuración térmica. Y el rango de bajas frecuencias (altas temperaturas) es un indicador a la deformación permanente.

10000

1000 -10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C 100 1E-05

1E-03

1E-01

1E+01

1E+03

1E+05

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 7. Curva maestra del módulo complejo, Tref = 21 °C, probeta con asfalto modificado y aditivo promotor de adherencia. 35.0 -10 °C 4 °C 21 °C 37 °C

Ángulo de fase, φ

30.0

La tabla 2 muestra los valores del aT calculados para construir las curvas maestras del módulo complejo y ángulo de fase. Tabla 2. Valores de aT calculados Temp

A.O.

A.M.

A.M.1

A.M.2

A.M.3

-10

25000

15500

13500

12500

17000

4

250

128

120

115

140

21

1

1

1

1

1

37

0.009

0.03

0.035

0.035

0.0335

54

2E-04

9E-04

5E-04

1,2E-03

7,6E-04

25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 1E-05

1E-03

1E-01

1E+01

1E+03

1E+05

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 8. Curva maestra del ángulo de fase, T ref = 21 °C, probeta con asfalto modificado.

Además se le designo la nomenclatura a las mezclas realizadas en el proyecto: AC-20 AC-20+SBS

6. Análisis de resultados

AC-20+SBS+0,3% Aditivo

  

Frecuencias bajas Frecuencias intermedias Frecuencias altas

< 0,1 Hz 0,1 a 100 Hz > 100 Hz

Se dividieron de esta forma debido a que en las frecuencias intermedias es el rango de trabajo en que se encuentran la mayoría de las mezclas asfálticas y en este rango es donde se miden las propiedades a la fatiga de la mezcla asfáltica. Por otro lado las frecuencias altas

AC-20+SBS+0,5% Aditivo AC-20+SBS+0,7% Aditivo

→ → → → →

A.O. A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

6.1 Curva maestra del módulo complejo Influencia del modificador sobre el asfalto convencional Bajas Módulo complejo, E* (MPa)

Para el estudio se tomó la temperatura de 21°C como la temperatura de referencia. Para analizar los resultados de las gráficas (curva maestra), se dividieron en 3 zonas, frecuencias bajas, frecuencias intermedias y frecuencias altas, a continuación se presentan los rangos de estas frecuencias:

siguiente asfálticas

Intermedias

Altas

10000

1000

A.O. A.M. 100 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 9. Curva maestra del módulo complejo, E* con A.O. y A.M.

En la figura 9 se aprecia notablemente el incremento del valor del módulo de la mezcla asfáltica al adicionarle el modificador.   

a frecuencias bajas el valor del módulo se incrementa un 51% , a frecuencias intermedias es mas variable ya que va de un 38% a un 60%, a frecuencias el valor del módulo se incrementa un 18%

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La figura 10 presenta la curva maestra del módulo complejo de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero (A.M.)

con claridad cuál de las mezclas tiene un mejor desempeño, para poder discriminar correctamente la influencia del aditivo es necesario realizar análisis adicionales (Curva maestra del ángulo de fase, Curva en el plano Cole-Cole y Curva en el espacio de Black). 6.2 Curva maestra del ángulo de fase Influencia del modificador sobre el asfalto convencional La Figura 11 presenta la curva maestra del ángulo de fase para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero (A.M.) 35

Bajas

Intermedias

30

Altas

Módulo complejo, E* (MPa)

Intermedias

Ángulo de Fase, φ

25

Bajas

Altas

10000

10 A.O.

1E-03

1E-02

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05

Figura 11. Curva maestra del ángulo de fase, φ con A.O. y A.M.







Esta representación (Curva maestra del módulo complejo) no permite determinar

1E-04

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 10. Curva maestra del módulo complejo, E* con A.M. y aditivos de adherencia

a frecuencias bajas el valor del módulo es ligeramente superior para el A.M.1 y A.M.2 respecto al A.M., para el A.M.3 no hay un aporte significativo, a frecuencias intermedias no se observa ningún aporte, a frecuencias altas el valor del módulo se incrementa ligeramente para el A.M.1 y A.M.2 respecto al A.M. y el A.M.3 obtiene módulos inferiores que el A.M.

A.M.

0 1E-05

A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

aT · Frecuencia f (Hz)



15

5

1000

100 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06



20



a frecuencias bajas, los valores de φ son similares, a frecuencias intermedias, el A.O. presenta un valor φ máx. superior y para el A.M. los valores de φ se reducen mejorando la componente elástica de la mezcla, a frecuencias altas, no se observa un aporte significativo en los ángulos de fase.

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La Figura 12 presenta la curva maestra del ángulo de fase de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica, modificada (A.M.). 35

Bajas

Intermedias

6.3 Curva en el plano Cole-Cole En esta representación nos permite evaluar el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica a bajas temperaturas combinando los 2 efectos (E* y φ), analizando los resultados del ensayo en un plano complejo.

Altas

Ángulo de Fase, φ

30

Influencia del modificador

25 20

La Figura 13 presenta el plano Cole-Cole para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero (A.M.).

15 10 5

A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

4000

0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05







a frecuencias altas, no hay diferencias significativas en el ángulo de fase para las mezclas A.M.1 y A.M.2 a frecuencias intermedias y bajas. Los aditivos A.M.1 y A.M.2 reducen sus valores respecto al A.M (A.M.1: frecuencias inferiores a 1Hz y A.M.2: frecuencias inferiores a 0.05Hz). El A.M.1 presentó las mayores reducciones de ángulo de fase, esto puede representar un aumento de la componente elástica de mezcla asfáltica, el efecto de esta reducción puede representar un aumento en el desempeño del pavimento. el A.M.3 presenta los mayores valores del ángulo de fase en todas las frecuencias evaluadas, lo que significa una disminución de sus propiedades mecánicas.

Comparando estas 2 representaciones (curva maestra del módulo complejo y curva maestra del ángulo de fase), se puede observar una mejora en el comportamiento mecánico para las formulaciones A.M.1 y A.M.2, para sus condiciones iníciales (propiedades viscoelásticas lineales).

3000

Parte viscosa (MPa)

Figura 12. Curva maestra del ángulo de fase, E* con A.M. y aditivos de adherencia

A.O. A.M.

3500

aT · Frecuencia f (Hz)

2500 2000 1500 1000 500 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Parte elástica (MPa)

Figura 13. Plano Cole-Cole con A.O. y A.M.



Los puntos experimentales permiten definir una curva única con su ecuación de regresión en el cual se pudo observar un incremento del 16% en la parte elástica, por lo que la mezcla asfáltica tendrá mejor comportamiento a bajas temperaturas.

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La Figura 14 presenta la curva maestra del ángulo de fase de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero (A.M.).

4000

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Parte elástica (MPa)

Módulo complejo E* (MPa)

Parte viscosa (MPa)

representar una reducción de sus propiedades a la fatiga.

A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

3500

Figura 14. Plano Cole-Cole con A.M. y aditivos de adherencia

10000

1000

A.O. A.M. 100 35



Comparando el aditivo mejorador de adherencia a distintas concentraciones respecto al A.M. se observa que el aditivo con cualquier concentración añadida al modificador presenta un mejor comportamiento a temperaturas bajas. Pero el A.M.1 y A.M.2 presentan mejores comportamientos en la parte elástica al incrementar su valor un 18% para A.M.1 y 15% para A.M.2

6.4 Curva en el espacio de Black

La Figura 15 presenta el espacio de Black para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero (A.M.). Los puntos muestrales evaluados forman una curva única donde se puede apreciar que la adición de modificador le da un efecto visual de contracción con respecto a la curva del A.O. Esto significa que la incorporación del modificado, rigidiza a la mezcla asfáltica, lo que puede representar una mejora de la componente elástica. Ya que la mezcla es más rígida, por ende es menos susceptible a la deformación permanente, pero también puede

25

20

15

10

5

0

Angulo de fase (°)

Figura 15. Espacio de Black con A.O. y A.M.

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La Figura 16 presenta el espacio de Black de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero (A.M.). 

En esta gráfica se representan las zonas con valores de módulo bajo y en particularmente la disminución del ángulo de fase para temperaturas altas. Influencia del modificador

30



Al adicionar los aditivos de adherencia al A.M.la curva del A.M.3 tiende a expenderse por lo que sus ángulos de fase tienden a ser más mayores y los valores del E* tienden a reducirse, esto mismo sucede en la representación de la curva maestra del ángulo de fase. Pero en el caso del A.M.1 y A.M.2 sucede lo contrario con A.M.3. La curva de las dos primeras mezclas asfálticas tienden a contraerse más que la curva del A.M. y esto hace que la mezcla sea aun más rígida.

Módulo complejo E* (MPa)

determinar con certeza que mezcla asfáltica es la que presenta el mejor comportamiento, ya que con una sola representación es imposible definir qué tipo de mezcla es la más adecuada.

10000

1000 A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

Curva maestra del módulo dinámico y curva maestra del ángulo de fase

100 35

30

25

20

15

10

5

0

Angulo de fase (°)

Figura 16. Espacio de Black con A.M. y aditivos de adherencia



7. Conclusiones Generales: Material asfáltico viscoelástico, depende temperatura, velocidad y tiempo de carga. Comportamiento en el módulo y ángulo de fase:  Cuando aumenta la frecuencia aumenta el valor del módulo  Cuando aumenta la temperatura disminuye el valor del módulo  Cuando aumenta la frecuencia disminuye el ángulo de fase  Cuando aumenta la temperatura aumenta el valor del ángulo de fase El tratamiento de las señales y el buen control de la temperatura forman una parte primordial en la correcta determinación de los valores de |E*| y φ. Se deberán tener suficientes puntos muestrales durante el ensayo (frecuenciastemperaturas), para asegurar la curva maestra y así poder estimar los valores de E* y φ en frecuencias que no pueden ser obtenidas en laboratorio. Es necesario analizar los resultados bajo diferentes representaciones (curva maestra del módulo, curva maestra del ángulo de fase, plano Cole-Cole y espacio de black) para











Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional (A.O.), mejoro el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica al obtener mayores valores en el módulo dinámico así como una reducción de los ángulos de fase. Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se encontró que la mezcla asfáltica mejoró su comportamiento mecánico. Presentando un aumento en los valores de módulo dinámico a frecuencias bajas (susceptibilidad a la deformación permanente) y reduciendo los valores del ángulo de fase (Incremento de la componente elástica de la mezcla). La mezcla con aditivo y modificador SBS, presenta una mejora en el comportamiento mecánico para las frecuencias intermedias y bajas. Las tres mezclas con aditivos presentan una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla en comparación con la mezcla de referencia. En donde, la mezcla A.M.3 es la que presenta los más bajos valores de E* de las tres. Las mezclas A.M.1 y A.M.2 presentaron los mejores comportamientos de las 5 diferentes mezclas evaluadas. Comparando los aditivos mejoradores de adherencia en sus distintas concentraciones, se encontró que a mayor porcentaje de aditivo la mezcla asfáltica tiende a disminuir sus valores del módulo dinámico y aumentar sus

valores del ángulo de fase. Siendo la mezcla A.M1. la que presenta los mejores resultados en el ensayo de módulo complejo (Parámetros E* y φ). Curva en el espacio de Black 





La mezcla que se le añadió el modificador redujo sus ángulo de fase y aumento el valor módulo haciendo una curva más rígida que la curva con A.O. Esto podría representar una mejora en el desempeño a la deformación permanente, pero también una reducción en sus propiedades a la fatiga. Las tres mezclas con aditivos presentan una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla en comparación con la mezcla de referencia. En donde, la mezcla A.M.3 es la que presenta una curva más abierta, ya que muestra valores más altos en el ángulo de fase y una reducción en los valores del módulo en temperaturas altas Comparando los aditivos mejoradores de adherencia en sus distintas concentraciones, se encontró que a mayor porcentaje de aditivo la mezcla asfáltica tiende a disminuir sus valores del módulo dinámico y aumentar sus valores del ángulo de fase. Siendo la mezcla A.M.1 la que presenta los mejores resultados a temperaturas altas.

Plano Cole-Cole 



Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional, mejoro el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica a temperaturas bajas ya que obtuvo un incremento en la parte elástica. Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se





encontró que la mezcla asfáltica mejoró su comportamiento mecánico. Presentando mejor aporte en la parte elástica con cualquier concentración añadida de aditivo. De las mezclas a las cuales se les añadió el aditivo, la mezcla A.M.3 es la que presenta el menor incremento en la parte elástica. Las Mezclas A.M.1 y A.M.2 presentaron los mejores comportamientos de las 5 diferentes mezclas evaluadas.

8. Conclusiones [01] H. Delgado, Lo complejo del Módulo Complejo: aspectos experimentales. Revista Asfáltica, Vol 34, pp 42-46, 2013 [02] H. Delgado, L. Arnaud, Experimentación y modelización del comportamiento reológico de una mezcla asfáltica, VII Congreso Mexicano del Asfalto, 2011. [03] Di Benedetto H., Corte J.-F., «Matériaux routiers bitumineux 2 : constitution et propriétés thermomécaniques des mélanges», Hermes, Lavoisier, 2004. [04] P Garnica, J.A Gómez, H. Delgado, Algunos aspectos de la densificación de mezclas asfálticas con el compactador giratorio. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 228, 2003 [05] H. Delgado, L. Arnaud, Investigation of the fatigue properties of asphalt mixtures reinforced with natural fibers. 5th International conference: bituminous mixtures and pavements, Tesalónica, Grecia, Junio 2011. [06] H. Delgado, Comportement à la Fatigue d’Enrobés Bitumineux Renforcés de Fibres de chanvre, Tesis de doctorado, Escuela Nacional de Trabajos Públicos del Estado, Lyon Francia, 2012.

Influencia de la temperatura en la determinación de la capacidad estructural de pavimentos flexibles. *Paul Garnica Anguas [email protected] *Alfonso Pérez Salazar [email protected] *1Roberto Anastasio García Olivar *1Sergio Yahir Cruz González *Investigador Instituto Mexicano del Transporte 1 * Asistente de investigador Instituto Mexicano del Transporte

RESUMEN. En el presente trabajo, se exponen los avances para definir una metodología simplificada de corrección por temperatura de deflexiones obtenidas con el deflectómetro de impacto (FWD, por sus siglas en inglés). La metodología presentada se encuentra en etapa de validación para diferentes estructuras de pavimentos, particularmente diferentes espesores de carpeta asfáltica. Es sabido que, debido a la naturaleza del concreto asfáltico, la temperatura tiene un impacto directo sobre el comportamiento esfuerzo deformación de la estructura del pavimento flexible. Este efecto se ve directamente reflejado en los parámetros del cuenco de deflexiones medido con el FWD a diferentes temperaturas. El grado de influencia de la temperatura sobre el módulo de elasticidad del asfalto, y consecuentemente sobre las deflexiones, depende, entre otros factores, del tipo de mezcla, de su edad, de su grado de deterioro, etc.; de igual forma el espesor de la carpeta asfáltica juega un papel fundamental en su influencia. 1. ANTECEDENTES. En la literatura, se pueden encontrar diversos métodos para ajustar o corregir las deflexiones obtenidas a diferentes temperaturas, y ajustarlas a una en común denominada temperatura de referencia; lo anterior con el fin de poder realizar comparaciones entre diferentes tramos carreteros o bien, entre diferentes zonas de un mismo tramo evaluado. La temperatura de referencia citada, ha adoptado diferentes valores dependiendo de la metodología a utilizar, siendo 20°C de las más utilizadas. A continuación se presentan algunas de las metodologías para realizar la corrección de deflexiones por temperatura, entre las cuales destacan las siguientes. A) MÉTODO AASHTO. La Guía para el Diseño de Estructuras de Pavimentos 1993, publicada por la AASTHO (por sus siglas en ingles Asociación Americana de Carreteras Estatales y Transportes Oficiales) en el Capítulo 5 Método de Rehabilitación con Sobre Carpetas, propone una corrección por temperatura, para propósitos de comparación del módulo efectivo a lo largo de la longitud del proyecto. Mediante los valores de deflexión bajo el plato de carga (d0), que son usados para determinar el modulo efectivo, deben ser ajustados a una temperatura referencia. El ajuste de (d0) está basado en la relación de deflexiones siguiente:

1

Donde: T(t)= factor de ajuste de temperatura. d0 = d0 a 68°F(20°C). d0 (t) = d0 a temperatura de evaluación en t, en °F Además se hace uso de 2 gráficas mediante las cuales se pueden obtener los factores de corrección de las deflexiones medidas a diferentes temperaturas en el pavimento. La primera de ellas es utilizada para bases granulares y tratadas con asfalto, la segunda es para bases tratadas con cemento y puzolana. Los datos de entrada requeridos para hacer uso de las gráficas son: la temperatura de la carpeta asfáltica y el espesor; en grados Fahrenheit y pulgadas respectivamente. Estas graficas se presentan en las figuras 1.1 y 1.2. La metodología únicamente considera relevante la deflexión debajo del plato carga, por lo cual los demás sensores a diversas distancias no se corrigen por este efecto.

1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8

2"

0.7 4" 0.6 0.5 0.4 30

40

50

60

70

80

90

100

110

8" 12" 120

ESPESOR DE LA CARPETA ASFLATICA

FACTOR DE AJUSTE DE TEMPERATURA

1.4

TEMPERATURA DE LAS CAPAS ASFALTICAS EN °F

Fig. 1.1. Ajuste de temperatura para d0 en bases granulares y tratadas con asfalto.

1.0

0.8

2" 4"

0.6

0.4 30

40

50

60

70

80

90

100

110

8" 12" 120

ESPESOR DE LA CARPETA ASFLATICA

FACTOR DE AJUSTE DE TEMPERATURA

1.2

TEMPERATURA DE LAS CAPAS ASFALTICAS EN °F

Fig. 1.2. Ajuste de temperatura para d0 en bases tratadas con cemento y puzolana. 2

B) MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO. El manual publicado en 1983 por el Instituto del Asfalto “Asphalt Overlays for Highway and Street Rehabilitation” en su Capítulo IV Procedimiento de Deflexión presenta una gráfica para la corrección por temperatura. En esta grafica se toma como temperatura de referencia 70°Fahrenheit (21°C).

THICKNESS OF UNTREATED AGGREGATE BASE 0

10

50 100

0.5 1

50

500

5 10 25

45

MILIMETERS INCHES

120

DEFLECTION ADJUSTMENT FACTORS FOR BENKELMAN TESTING

110 100

35 90 30 80

25 20

70

15

60

10

50 25"

5

0"

19" 12"

0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

6" 1.4

1.6

1.8

40

MEAN PAVEMENT TEMPERATURE, °F.

MEAN PAVEMENT TEMPERATURE, °C.

40

3" 2.0

2.2

2.4

30

TEMPERATURE ADJUSTMENT FACTOR (F).

Fig. 1.3. Factor de ajuste de temperatura. El método no menciona el radio de influencia de la temperatura, por lo cual se consideró que la corrección es general para todos los sensores ubicados a diferentes distancias del plato de carga.

C) MÉTODO DEL CEDEX. El la Norma 6.3 de la Instrucción de Carreteras de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento Español, recomienda aplicar un factor de corrección en las deflexiones, cuando la temperatura del pavimentos es diferente de 20°C. Las expresiones para hacer la corrección se presentan a continuación:

3

Expresión válida para superficie poco fisurada y espesor de capas asfálticas igual o mayor a 10 cm, es:

Expresión válida para superficie muy fisurada y espesor igual o superior a 10 cm:

Expresión válida para pavimento totalmente fisurado (bloques claramente definidos) y espesor de las capas asfálticas menor de 10 cm:

Algunas consideraciones que se deben tomar para éste método, son las siguientes:   

Los factores de corrección están en función de la temperatura de la mezcla, pero la fórmula a ocupa depende del estado de la superficie del pavimento. Para definir la fórmula a ocupar se tiene que hacer una evaluación visual muy subjetiva, es necesario contar con un buen criterio para una buena corrección. Esta metodología restringe su uso, considerando únicamente a pavimentos que presentan fisuras. En el caso de los pavimentos recientes o que no presentan fisuras visuales la metodología no sería válida para obtener esta corrección.

D) MÉTODO DE LA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE. La Universidad Católica de Chile obtuvo una ecuación de corrección de deflexiones por efecto de la temperatura la cual fue presentada en el artículo “Corrección de la deflexión de pavimentos asfalticos por efecto de la temperatura” en las Memorias del Quinto Congreso Iberoamericano del Asfalto en 1989. Partiendo también de la relación de las deflexiones y módulos, obtuvieron las siguientes expresiones para ajustar a 20 °C las deflexiones medidas en pavimentos asfalticos a diferentes temperaturas.

En donde: u = Factor para bases granulares o bases rígidas respectivamente. h = Espesor de las capas asfálticas (cm). Algunas de las consideraciones de esta metodología, son las siguientes:  

Esta metodología no restringe el uso para determinados espesores de carpetas asfálticas, ni de las bases usadas. El método es objetivo por lo cual evitamos dejar a consideración del evaluador las condiciones del pavimento como en el método CEDEX.

4



El método no menciona un rango de valores límites de temperatura por lo cual se considera que se aplica a cualquier temperatura que se encuentre nuestro pavimento evaluado.

E) MÉTODO MOPT. En la vigésima Reunión del Asfalto, en Buenos Aires (mayo, de 1977), se presentó la siguiente ecuación para convertir las deflexiones medidas a otras temperaturas a la temperatura referencia de 20°C.

En donde: h: Espesor de las capas asfálticas en el sitio de la medida (cm) T: Temperatura de las capas asfálticas en el momento de medir la deflexión (°C). Las consideraciones que se deben tomar al utilizar éste método son las siguientes: 

Para el desarrollo de la metodología se considera el espesor de las capas asfálticas y la temperatura al momento de hacer las mediciones de las deflexiones.



En el método no se menciona un rango en específico para el cual la metodología es válida, por lo cual se considera que es aplicable a cualquier espesor y temperatura de pavimento dado.

F) MÉTODO DEL FHWA. El programa de monitoreo patrocinado por la FHWA (Federal Highway Administration), permitió la obtención de un conjunto de expresiones dirigidas al cálculo de los factores de ajuste por temperatura de las deflexiones medidas con FWD en 41 secciones de pavimentos asfálticos en Estados Unidos y Canadá. Los autores del procedimiento consideraron que las características del asfalto incidían significativamente en el módulo de rigidez de las capas. La corrección por temperatura se realiza de la siguiente manera:

Las consideraciones que se deben tomar en este método, son las siguientes:   

Esta metodología únicamente involucra la temperatura a la cual se realizó la medición. La temperatura de evaluación está en grados Celsius. Esta metodología de evaluación es simple pero con resultados regulares, existe otra metodología donde se realiza un estudio más afondo con diversos factores como la latitud y el tipo de asfalto ocupado pero únicamente aplicable a los climas de Estados Unidos por lo cual no se consideró en este estudio. 5

G) CORRECCIÓN POR TEMPERATURA DE LA METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS FLEXIBLES (YONAPAVE) DEL DR. MARIO S. HOFFMAN. El proceso de corrección propuesto por el Dr. Mario S. Hoffman, se basa en ajustar el Número Estructural (SN) debido a temperatura del pavimento evaluado. Cabe mencionar que éste método fue desarrollado en Israel, basado en numerosas mediciones de cuencas de deflexiones determinadas con el FWD en pavimentos flexibles, tanto de carreteras como de aeropuertos, durante el mismo día de verano a diferentes temperaturas, se han podido definir rangos típicos de los efectos de la temperatura en Israel para carpetas con más de 10 cm de espesor. Lo anterior, se indica a continuación:   

Entre la mañana y las primeras horas de la tarde, la temperatura de la carpeta asfáltica a una profundidad de 5 cm aumenta típicamente hasta un 60%. Para ese rango de temperaturas, la deflexión máxima bajo el plato de carga del FWD aumenta típicamente hasta un 20%. En ese rango de temperaturas, el área de la cuenca de deflexiones disminuye típicamente hasta un 7%.

Cabe mencionar, que a diferencia de los métodos anteriores, la temperatura de referencia seleccionada fue de 30°C que es la representativa de las condiciones climáticas prevalecientes en Israel. En el trabajo realizado por Hoffman, obtuvo la siguiente relación lineal:

Donde: SNT = SN efectivo a cualquier temperatura. SN30°C = SN efectivo a una temperatura base de 30°C. T = Temperatura de la carpeta asfáltica en °C a 5 cm de profundidad. Entre las consideraciones que se deben tomar en cuenta en esta metodología, son:    

La ecuación anterior, puede ser usada para corregir el SN efectivo calculado con YONAPAVE a diferentes temperaturas a una temperatura base referencial de 30°C. Dicha ecuación, fue desarrollada para temperaturas de carpetas asfálticas en el rango de 22 a 45°C. No es recomendable realizar extrapolaciones fuera de este rango sin una verificación experimental. La ecuación es aplicable al caso de carpetas asfálticas de 10 ó más cm de espesor.

6

2. EVALUACIÓN CON ALGUNOS DE LOS MÉTODOS CITADOS. Se muestra a continuación, como ejemplo, el registro de las deflexiones medidas en un día evaluación, para una estación en particular, de la pista de pruebas del Instituto Mexicano del Transporte. Tabla 2.1. Deflexiones determinadas a diferentes temperaturas en la misma estación de pavimento VUELTAS HORA V.1. V.2. V.3. V.4. V.5. V.6. V.7. V.8. V.9. V.10.

05:38 06:40 08:13 09:29 10:05 11:29 12:12 15:47 17:34 19:34

TEMP. PROM. 11.16 11.15 11.67 17.05 19.41 26.31 30.00 28.97 25.61 20.40

D1 0 552.0845 587.2496 524.0331 642.0420 750.5114 793.3000 826.5893 833.8561 815.4386 758.0830

D2 200 532.5341 538.5755 524.4199 580.0699 605.7386 632.5000 647.5762 642.3885 632.7632 623.3906

D3 300 442.7929 449.3230 438.4669 476.0000 499.0483 507.4000 518.2438 506.9209 504.3275 506.3233

D4 450 323.2016 337.8561 321.3812 343.3427 363.5227 353.9000 358.5341 350.8058 355.7310 367.2246

D5 600 226.5940 243.7659 231.1740 243.7762 253.9489 242.2000 242.7141 236.7914 241.5205 252.0601

D6 900 125.5995 136.7419 128.0110 133.5385 138.5085 130.5000 131.1611 127.2086 129.9708 136.4950

D7 1200 82.0163 89.2525 84.6961 86.9371 88.7926 85.5000 87.9826 85.7122 86.4766 88.2260

D8 1500 64.2779 67.8279 66.1326 68.0420 69.5028 66.3000 67.2569 67.1799 65.2924 69.6996

D9 -300 448.0381 470.3526 457.1271 495.9720 506.3068 527.3000 521.4949 525.3525 541.5789 521.9456

En la Figura 2.1 se presentan las cuencas corregidas por algunas de las metodologías existentes para tal fin; en dicha figura se puede observar que, para la menor temperatura registrada (11.15°C), se ha encontrado una diferencia máxima, entre las deflexiones medidas a una temperatura de referencia (20°C) y las deflexiones corregidas, de 25%.

Fig. 2.1. Cuenco de deflexiones medidas y corregidas a una temperatura de referencia. Corrección para la temperatura mínima registrada.

En el gráfico anterior, también se observa como la metodología propuesta por el Instituto del Asfalto, se queda corta en la corrección de la cuenca de deflexiones, salvo en la deflexión del plato de aplicación de carga en donde coincide con el valor medido; en cuanto a las demás metodologías, en mayor o menor medida, corrigen de manera general 7

el cuenco de deflexiones medido, afectando a la deflexión del plato de tal manera que produce deflexiones de mayor magnitud que la medida. En la Figura 2.2 se presentan los resultados de las correcciones de la cuenca de deflexiones, obtenidas para la temperatura máxima registrada.

Fig. 2.2. Cuenco de deflexiones medidas y corregidas a una temperatura de referencia. Corrección para la temperatura máxima registrada. En la figura anterior, se observa que la mayor diferencia entre las deflexiones medidas a una temperatura de referencia y las deflexiones corregidas por los diferentes métodos, es del orden del 10%. Es decir, que existe una mejor corrección para una temperatura mayor a la de referencia que para una más baja de la de referencia. 3. METODOLOGÍA DE AJUSTE PROPUESTA. La Metodología propuesta por el IMT y basada en las mediciones de pavimentos a diferentes temperaturas, realiza la corrección de las cuencas de deflexión utilizando una ecuación de ajuste para cada sensor; dicha ecuación se obtiene de la relación de deflexiones Dn/Dn20°C; en donde Dn es la deflexión a cualquier temperatura en el sensor n y Dn20°C es la deflexión a la temperatura de referencia, en este caso de 20°C. En la Figura 3.1 se puede observar la ecuación de ajuste en uno de los sensores, para las diferentes temperaturas superficiales, registradas durante la evaluación de una misma estación del pavimento. Al aplicar la corrección por temperatura, con la expresión obtenida para cada sensor, se obtiene la cuenca ajustada por temperatura que se presenta en la Fig. 3.2. En la Tabla 3.1 se muestran los resultados de la corrección de dichas deflexiones. Se puede observar como el cuenco de deflexiones medido tanto para las temperaturas superiores e inferiores a la de referencia (20°C en este caso), y ajustadas con las expresiones resultantes, coinciden muy cercanamente una con la otra; concluyéndose 8

que puede realizarse una corrección de temperatura para cualquier temperatura registrada al momento de realizar la prueba aplicando el FWD.

Fig. 3.1 Relación de deflexiones para diferentes temperaturas superficiales de evaluación, para el sensor D2. Tabla 3.1. Deflexiones determinadas a diferentes temperaturas en la misma estación de pavimento. Tipo de cuenca de deflexiones Temp. Min. sin corregir Temp. Máx. sin corregir Temp. Mín. corregida Temp. Máx. corregida

HORA 06:40 12:12 06:40 12:12

TEMP. PROM. 11.15 30.00 11.15 30.00

D1 0 587.2496 826.5893 699.5723 699.5762

D2 200 538.5755 647.5762 589.6238 589.3386

D3 300 449.3230 518.2438 481.5054 481.1248

D4 450 337.8561 358.5341 347.7284 348.0613

D5 600 243.7659 242.7141 243.1884 243.0540

D6 900 136.7419 131.1611 134.0946 134.0607

D7 1200 89.2525 87.9826 88.6923 88.7571

D8 1500 67.8279 67.2569 67.5201 67.4588

D9 -300 470.3526 521.4949 494.1756 493.8464

Fig. 3.2 Cuenca de deflexiones medidas y corregidas a una temperatura de referencia. Corrección para la temperatura mínima y máxima registradas. 9

Es importante mencionar que la metodología aquí presentada, se continúa evaluando para diferentes estructuras de pavimento asfáltico, particularmente para diferentes espesores de carpeta asfáltica; lo anterior con la finalidad de extrapolar la metodología a cualquier tipo de pavimento flexible y buscar generalizar el método y quizás limitar la corrección para aquéllos espesores de carpeta asfáltica en donde las diferencias en deflexiones, debidas a cambios de temperatura, sean poco significativas. Cuando se realizan evaluaciones en campo, y de resultar adecuada la metodología propuesta, bastaría con evaluar una estación de pavimento a dos diferentes temperaturas, por ejemplo muy temprano por la mañana y a medio día donde se pueden presentar temperaturas más altas en superficie; una vez obtenido lo anterior, obtener la expresiones de ajuste para los diferentes sensores y ajustar las estaciones siguientes en donde se tenga la misma sección estructural del pavimento.

4. BIBLIOGRAFÍA -

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10

Nuevo criterio de Análisis para pruebas de fatiga en mezclas asfálticas 1

1

1

, José Antonio Gómez López , Mayra Flores Flores , Horacio Delgado Alamilla , Paul Garnica Anguas

1

1

Investigador Instituto Mexicano del Transporte, [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen La resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas es definida como su capacidad para responder ante las cargas repetidas del tránsito bajo las condiciones prevalecientes del tránsito sin agrietamiento significativo o a fallas prematuras. El daño en pavimentos asfálticos debido a esfuerzos y deformaciones causadas tanto por tráfico como por cuestiones ambientales puede manifestarse como agrietamiento por fatiga el cual es considerado como un mecanismo primario de deterioro en los pavimentos asfálticos. Las características de fatiga del asfalto son por lo tanto un importante parámetro estructural en el diseño de pavimentos. La deformación a la tensión en la parte inferior de la capa asfáltica es considerada en el proceso de diseño a ser el parámetro de control del agrietamiento por fatiga. Uno de los principales objetivos del acercamiento al diseño de pavimentos asfálticos es por lo tanto, limitar la deformación a la tensión horizontal máxima y por lo tanto el agrietamiento en las capas asfálticas. En este trabajo se presenta un criterio que permite evaluar el daño en la falla de mezclas asfálticas que han sido sometidas a procesos de fatiga para el caso en estudio corresponde a ensayos realizados en viga en cuatro puntos.

1. Introducción El fenómeno de fatiga es uno de los principales deterioros presentes en las mezclas asfálticas que conforman las capas de rodamiento de los pavimentos, el cual ocurre bajo la acción repetida del tránsito. La repetición de las cargas produce una pérdida en la rigidez del material hasta llegar a la falla. La resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas corresponde a su capacidad para soportar las cargas repetidas sin fallar o agrietarse. La vida de los pavimentos está directamente relacionado con este fenómeno el cual deberá ser estudiado correctamente para asegurar un adecuado diseño estructural. Aunque la fatiga ha sido estudiada por diferentes autores este fenómeno aún no es completamente entendido. Diferentes métodos son aplicados en laboratorio para caracterizar la fatiga de mezclas asfálticas considerando pruebas tanto homogéneas, como no homogéneas como es el caso de los resultados de pruebas en ensayes de vigas cargadas en cuatro puntos y que serán tratadas más adelante. En los ensayes que se realizaron en esta etapa experimental corresponden a mezclas asfálticas (vigas cargadas en cuatro puntos) las cuales fueron ensayadas utilizando una carga del tipo sinusoidal bajo control de deformación, una temperatura de 20 °C y una frecuencia de 10 Hz. La deformación fue medida por medio de un lvdt el cual se encuentra en la parte inferior y al centro del claro de la viga de mezcla asfáltica. Los ensayes pueden ser realizados bajo otras condiciones pues el equipo permite trabajar con diferentes frecuencias bajo control de temperatura. Las características de fatiga de mezclas asfálticas son usualmente representadas como relaciones entre la rigidez inicial y el número de repeticiones de carga a la falla determinada de pruebas ejecutadas a

diferentes niveles de deformación. El comportamiento a la fatiga puede ser caracterizado por la pendiente y el nivel relativo de rigidez contra el número de repeticiones de carga en la falla (curvas de Wöhler).

2. Comportamiento de las mezclas asfálticas Considerando la amplitud de la deformación (||) y el número de ciclos de carga aplicados (N) se pueden identificar cuatro tipos de comportamientos principales [02]: 

para cargas que comprenden algunos cientos de ciclos y deformaciones «pequeñas» (<10 ) el comportamiento es considerado como viscoelástico lineal,



durante cargas de decenas de miles de ciclos y deformaciones «pequeñas» se desarrolla un tipo de daño, conocido como el fenómeno de «fatiga»,



para un número pequeño de cargas y deformaciones importantes, el comportamiento que se observa es fuertemente no lineal,



cuando ciclos de esfuerzos (compresión o tensión) son aplicados a partir de un esfuerzo nulo, deformaciones irreversibles no despreciables se producen para amplitudes de deformación cercanas a la ruptura. Su acumulación crea una «deformación permanente».

-4

log ||

La Figura 1 presenta un esquema de los comportamientos descritos en los puntos anteriores.

-2

Ruptura

Influencia de la temperatura

No lineal

Deformación permanente (si ciclos de esfuerzos a partir de 0)

Deformabilidad

-4

Viscoelasticidad lineal (VEL)

-6

1

2

Fatiga

3

4

5

6

log (N)

Figura 1 Comportamiento «tipo» de una mezcla asfáltica a temperatura controlada, () deformación – (N) Número de repeticiones de carga [04]. Las fronteras presentadas en la Figura 1, para los diferentes comportamientos, son de magnitudes que pueden variar sensiblemente según el material, la temperatura y el tipo de solicitación. Para el ensayo de flexión en cuatro puntos el rango del comportamiento viscoelástico lineal comprende hasta 400 microdeformaciones.

3. Mecanismo de fatiga Diferentes propuestas han sido desarrolladas para la interpretación del fenómeno de fatiga. Lo importante es definir el criterio correcto para caracterizar la falla por fatiga en el material. Durante una prueba de fatiga el proceso de degradación del módulo de rigidez está dividido principalmente por tres etapas (Figura 2). Fase 1: fase de adaptación, el módulo de rigidez decrece rápidamente. Durante este periodo, se asocian fenómenos como el calentamiento causado por la disipación de energía y la tixotropía. Fase 2: fase de la fatiga, está definida por una línea ligeramente inclinada que traduce el establecimiento de un régimen estable y cuasi-lineal, con una lenta evolución del daño causado por la creación de microfisuras al interior del material.

Fase 3: fase de ruptura, el modulo decrece rápidamente, se presentan zonas de concentración de esfuerzos y un desarrollo rápido de macro-fisuras. La coalescencia acurre a cierto nivel de microagrietamiento.

E

Propagación Fase I: calentamiento

Inicio

Fase II: fatiga

Fase I

Fase III: ruptura

Fase II

Fase III N

Figura 2 Etapas presentes durante un ensayo de fatiga.

4. Criterios de fatiga Criterios clásicos de fatiga Nf50% y Nf30% Los criterios clásicos de fatiga están basados en un decremento relativo del módulo de rigidez. Estos no contemplan los efectos de desviación que aparecen durante la fase I (calentamiento, tixotropía). El criterio más clásico de fatiga (Nf50%) es definido como el número de ciclos correspondiente a la disminución del módulo de rigidez hasta el 50 % de su valor inicial (o el número de ciclos correspondiente a la falla si esta ocurre antes del 50 % del decremento del módulo inicial. El criterio de NF30% es definido como el número de ciclos correspondiente al decremento den módulo en un 30 % de su valor inicial. Criterio de máximo ángulo de fase (Nfmax) Este criterio está basado en la evolución del ángulo de fase del módulo de rigidez. Cuando el valor más alto del ángulo de fase es obtenido se considera que se ha alcanzado la falla. Criterio obtenido de análisis de homogeneidad del ensayo Este criterio puede ser utilizado solamente cuando los ensayes a fatiga se realizan en pruebas de tensión-compresión y por lo tanto los ensayos son homogéneos. Se calculan las diferencias que existen entre los extensómetros con los que se instrumenta la probeta y se está en posibilidad de determinar la variación que existe entre los ángulos de fase y las deformaciones obtenidas durante el ensayo. Criterio de energía disipada La evolución de esta relación de energía disipada es una función del número de ciclos que exhibe dos periodos, para ambos periodos la evolución se considera lineal pero la pendiente del segundo periodo es más grande. Las dos líneas son trazadas para cada periodo. Estos dos periodos indican una diferencia en el comportamiento global de la muestra ensayada. Esta diferencia ocurre durante una pequeña zona de transición la cual es interpretada como la iniciación de la grieta. El número de ciclos N FWN es obtenido de la intersección de las dos líneas rectas. Es necesario señalar que el criterio de energía disipada no

puede ser usado directamente para pruebas bajo esfuerzo controlado debido a que la evolución de la energía disipada es diferente. Curva de Wöhler La curva de Wöhler es una curva representativa que permite visualizar los materiales en el rango de fatiga. Define una relación entre la solicitación (esfuerzo o deformación) y el número de ciclos a la ruptura, NR. La curva presenta el número de repeticiones de carga, que puede soportar una probeta hasta su ruptura, en función de la amplitud de la solicitación S (esfuerzo o deformación). Diversos ensayos realizados en el mismo material a diferentes niveles de solicitación permiten trazar la curva de fatiga de Wöhler. Esta curva es generalmente caracterizada por las siguientes relaciones: -b

S = A.N : la curva es una recta en coordenadas logarítmicas, S = a - b log(N): la curva es una recta en escala semi-logarítmica. Se denomina resistencia a la fatiga para n ciclos de solicitación, como el valor de la solicitación que conduce a la ruptura para N ciclos. Para ciertos materiales, existe un valor límite de la amplitud de solicitación por debajo del cual el material resiste de manera indefinida y la ruptura de la probeta no se presenta. Este valor es denominado límite de fatiga o de resistencia. En el caso de los materiales asfalticos, todavía no se ha encontrado ningún límite de resistencia.

Determinación de los parámetros en pruebas de fatiga Para elaborar las gráficas se debe calcular el esfuerzo máximo a tensión (t), la deformación máxima a tensión (t), el ángulo de fase () y el módulo de rigidez a flexión (S). A partir de estos parámetros se calcularán las características mecánicas suponiendo que el material se comporta linealmente (lo cual sólo ocurre en una primera aproximación) [14]. El software del equipo registra la deformación máxima a tensión, el esfuerzo máximo a tensión y el ángulo de fase. El módulo de rigidez a flexión se calculó como sigue:

donde S : módulo de rigidez a flexión t : esfuerzo máximo a tensión t : deformación máxima a tensión Criterio de energía disipada Para determinar el número de ciclos a la ruptura considerando el enfoque energético es necesario calcular la energía disipada por ciclo durante el ensayo. En un material viscoelástico como la mezcla asfáltica y en un ensayo de fatiga en una viga a flexión, el área dentro de la curva de histéresis esfuerzodeformación es la energía disipada. La energía disipada por ciclo de carga puede calcularse como sigue [08]:

Donde wn :

energía disipada en el ciclo n

n : n : n :

amplitud del esfuerzo en el ciclo n amplitud de la deformación en el ciclo n ángulo de fase en el ciclo n

El número de ciclos a la ruptura es definido de forma diferente según el modo de carga, Hopman et al. [07], proponen la utilización de una “relación de energía” para definir el número de ciclos (N1) en un ensayo en deformación controlada (desplazamiento). Este punto es considerado como el momento de cambio entre la fase de inicio y la fase de propagación de fisuras. La relación de energía W n se define de la siguiente forma:

W n: relación de energía n : es el número de ciclo wo: la energía disipada en el primer ciclo, wn : la energía disipada en el ciclo n. La Figura 3 presenta la evolución de la energía disipada por ciclo durante el ensayo de fatiga realizado en deformación controlada, se puede observar que la energía disipada disminuye durante todo el ensayo.

Figura 3 Evolución de la energía disipada en función del número de ciclos. Utilizando el criterio de relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al 1989), para las muestras ensayadas en laboratorio, se determinó el valor de N1. Para el caso particular de la mezcla asfáltica evaluada, se obtuvo el punto de inicio de la fase de propagación de fisuras N 1 en el ciclo 710 000 (Figura 4). Evolución de parámetros de la mezcla La Figura 5 presenta claramente las tres fases del ensayo de fatiga. La primera fase se presenta en los primeros 100 000 ciclos hasta un valor de 2100 MPa. Seguido de la evolución cuasi-lineal durante la segunda fase, hasta que las deformaciones se acentúan a partir del ciclo 800 000, que es el punto de inicio de la tercera fase. Los datos del ensayo fueron extrapolados para determinar el número de ciclos a la falla suponiendo la ruptura de la viga (curva punteada).

Figura 4 Relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al, 1989), ensayo de viga cargada en cuatro puntos en modo de deformación controlada.

Figura 5 Evolución del módulo de rigidez a flexión en función del número de ciclos de carga. Evaluación del criterio de daño Este punto describe la pérdida relativa del módulo de rigidez a flexión entre el estado inicial y el estado del material al instante t, este parámetro es definido como el daño (D) de la probeta. La Figura 6 presenta la evolución del daño en la viga durante el ensayo de fatiga. En esta figura se pueden observar las tres fases del ensayo de fatiga. Para determinar el valor de N f se utilizó el criterio de reducción del 50% de valor del módulo de rigidez inicial a flexión.

5.

Daño en la falla

Daño al final de la fase II (comienzo del micro-agrietamiento) La falla correspondiente al final de la fase II está caracterizada por dos parámetros, D III, daño observado y el número de ciclos NFF.

Tapsoba et al (2011) proponen la determinación del número de ciclos NFF como el promedio de los resultados del número de ciclos a la falla en pruebas de fatiga utilizando cuatro criterios (no considera NF50% y NF30%). Un nuevo daño critico en el punto de falla, DIII, está dado por la ecuación

Donde EIII es la norma del módulo en la transición entre las fases II y III y E o es la norma del módulo inicial (en el ciclo 1).

Figura 6 Evaluación del nivel de daño durante el ensayo de fatiga. Daño corregido al final de la fase II, DIIIc El método desarrollado en la,ENTPE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, (Ayasher Soltani, 1998, Di Benedetto et al 1996, Baaj 2002, Di Benedetto et al 2004, Baaj et al 2005) es usado para caracterizar el daño al final de la fase II. El método considera los efectos de variación por los efectos ocurridos durante la fase I, para corregir e interpretar las pruebas de fatiga, y así caracterizar adecuadamente el fenómeno de fatiga. Una evolución lineal del módulo complejo es considerada con el número de ciclos aplicado dentro de intervalos dados, consideran tres intervalos: a) Primer intervalo (i=0) de 40 000 a 80 000 ciclos b) Segundo intervalo (i=1) de 50 000 a 150 000 ciclos c) Tercer intervalo (i=2) de 150 000 a 300 000 ciclos.

El DIIIc representa la cantidad de daño en la falla corregido por efectos de variación, esta es calculada con la siguiente expresión.

Donde Ci y Eooi dependen del intervalo i. Eooi es la rigidez en el ciclo1 obtenido por extrapolación lineal para el intervalo i. Es importante señalar que el intervalo considerado para el análisis depende de N FF. El intervalo a ser considerado es el que tiene los valores más altos de ciclos debajo de NFF. Los valores de Ci considerados son: Ci = Co =4/5 para el intervalo 0; Ci = C 1 =3/4 para el intervalo 1; Ci = Co =2/3 para el intervalo 2.

DIII es el daño crítico. Esto es calculado de EIII, la norma del módulo en la transición entre las fases II y III y Eo, la norma del módulo inicial. Entonces el daño corregido en la fase II es calculado, conociendo Eo, EIII, el intervalo i y Eooi. También se puede escribir

DIIIc = DIII – (Eo-Ef)/Eo.

El parámetro Ef el cual tiende a ser un valor constante, para los tres intervalos es interpretado como el módulo inicial para el material en ese estado durante el intervalo i. Ef = - Ci Eo - Eooi + Eo Utilizando los criterios señalados anteriormente se presenta el análisis realizado a una prueba de fatiga cargada en cuatro puntos. El NFF se consideró como el promedio del número de ciclos obtenidos para el criterio de Hopman y el de daño (710 000 y 924 000 ciclos respectivamente) (Figura 7). De manera análoga se realizó el análisis para la viga sometida a 500 Figura 8

Figura 7. Análisis y presentación de NFF, EIII, Eooi, y DIII para un ensayo realizado en fatiga (viga cargada en cuatro puntos), viga sometida a 400 .

Figura 8 Análisis y presentación de N FF, EIII, Eooi, y DIII para un ensayo realizado en fatiga (viga cargada en cuatro puntos) viga sometida a 500 .

La Figura 9 presenta los valores de daño a la fatiga DIII y los valores corregidos D IIIc para vigas ensayadas a 400 y 500 . 70

Valores de daño en %,

60 50 DIII, fatiga 40 DIII, fatiga corregido

30 20 10 0 300

350

400

450

500

550

Microdeformaciones, 

Figura 9 Evolución de los valores de daño por fatiga DIII y valores corregidos DIIIc de la transición entre la fase II y la fase III.

6. Conclusiones En los ensayes realizados y graficando la evolución del módulo de rigidez contra el número de ciclos se observan claramente las tres fases que determinan la degradación de la mezcla cuando está sometida a efectos de fatiga. El daño DIII y el daño corregido DIIIc permiten conocer el comportamiento de la mezcla asfáltica cuando es sometida a fatiga y estos parámetros contemplan los efectos de variación que suelen ocurrir en la fase I. Es importante utilizar un NFF adecuado que pudiera ser el promedio de más criterios para que no haya tendencias hacia alguno. Es necesario desarrollar mayor investigación relacionada a la fatig en mezclas asfálticas para que se obtengan modelos que se implementen en el diseño de los pavimentos para que estos tengan un mejor desempeño en el tiempo.

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Seguimiento de experiencias en la implementación con protocolo AMAAC: 2009-2013 Diana Berenice López Valdes PACCOSA [email protected] México

ASPECTOS DE GESTIÓN DE CARRETERAS EN LA LEY MAP-21 DE LOS ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA Ricardo Solorio Murillo, Santa Cárdenas Rodríguez, Roberto Hernández Domínguez1 1

Investigadores del Instituto Mexicano del Transporte

RESUMEN Se presenta en este documento una introducción a la Ley MAP-21, promulgada en los Estados Unidos de América para mejorar la contribución del transporte carretero al logro de los objetivos estratégicos de ese país. En esta introducción se destaca la relevancia de la gestión de carreteras para un enfoque basado en el desempeño como el que se contempla en este ordenamiento jurídico. El documento se divide en cuatro secciones principales. En la primera, se presenta una descripción general de MAP-21, incluyendo la definición de los objetivos nacionales del sistema carretero en los EUA, la concepción de la gestión del desempeño contenida en la ley y las líneas generales para la especificación de indicadores y metas de desempeño. La segunda sección aborda las principales etapas del proceso de implementación de MAP-21, así como la reglamentación de la ley y los atributos deseables para las medidas de desempeño. En la tercera sección se resumen los resultados de un estudio desarrollado por la FHWA en relación con la evaluación de pavimentos en la red de carreteras de los EUA y, en ´particular, con la pertinencia y viabilidad de una serie de indicadores propuestos para calificar distintas vertientes del estado de los pavimentos. Finalmente, la cuarta sección se dedica identificar algunos aspectos de MAP-21 que podrían ser útiles para mejorar las prácticas actuales que se aplican en la conservación y operación de la red mexicana de carreteras. 1

LA LEY MAP-21

En esta sección se describen las características más importantes de la Ley MAP-21, en especial lo relativo al establecimiento de programas basados en el desempeño para la conservación y operación de la red de carreteras de los Estados Unidos de América. La descripción se basa en un resumen sobre MAP-21 publicado por la Administración Federal de Carreteras de los EUA (FHWA, 2012). Se puede encontrar más información sobre MAP-21 en el sitio web desarrollado por la FHWA para este tema (FHWA, 2013). 1.1

Aspectos generales

En julio de 2012 se promulgó en los EUA la Ley para Avanzar hacia el Progreso en el Siglo 21, conocida como MAP-21 por su nombre en inglés Moving Ahead for Progress in the 21st Century Act. Mediante esta ley se autorizan recursos para programas de transporte terrestre por un total superior a los 105 mil millones de dólares para los años fiscales 2013 y 2014, lo cual representa la primera autorización de recursos de “largo plazo” para carreteras desde 2005. Además de proveer los recursos necesarios, MAP-21 pretende transformar las políticas y el

marco programático que regulan las inversiones en infraestructura para el transporte terrestre. La ley introduce un conjunto de programas simplificados, basados en el desempeño y multimodales, para enfrentar los siguientes retos: mejoramiento de la seguridad vial, conservación de la infraestructura, reducción de la congestión del tránsito, incremento de la eficiencia del sistema carretero y del movimiento de carga, protección del medioambiente y reducción de retrasos en la ejecución de proyectos. MAP-21 retoma y redefine varios de los programas y políticas establecidos en el pasado para carreteras, transporte público, ciclovías y caminos peatonales. En lo que se refiere a las inversiones en carreteras, la ley contempla lo siguiente: 

Ampliación del Sistema Nacional de Carreteras (en inglés National Highway System, NHS), incorporando arterias principales que antes no se consideraban parte del sistema. Las inversiones están dirigidas al NHS ampliado, con más de la mitad de los recursos orientados a preservar y mejorar las carreteras más importantes.



Establecimiento de programas basados en el desempeño como un medio para que las inversiones de fondos federales en el transporte sean más eficaces, orientándolas al cumplimiento de los objetivos nacionales en este sector. Con lo anterior, se busca mejorar la rendición de cuentas e incrementar la transparencia de los programas federales de carreteras, así como mejorar también la toma de decisiones vinculada a esos programas.



Creación de empleos y apoyo al crecimiento económico mediante la asignación de recursos federales por 82 mil millones de dólares en los años fiscales 2013 y 2014 a carreteras, puentes y apoyos para el transporte en bicicleta y la circulación peatonal. Asimismo, MAP-21 prevé fomentar las inversiones del sector privado incrementando de manera substancial los fondos del programa derivado de la Ley para el Financiamiento e Innovación de la Infraestructura del Transporte (TIFIA por sus siglas en inglés). MAP-21 contiene también diversas disposiciones diseñadas para mejorar el movimiento de carga en el país.



Apoyo al programa de seguridad vial del Departamento de Transporte (DOT) con la duplicación de los recursos destinados a la seguridad de la infraestructura y al reforzamiento de los vínculos entre los programas modales de seguridad. Por otro lado, se contempla la creación de un programa específico orientado a lograr avances significativos en la reducción de las muertes en accidentes carreteros. Asimismo, se planea continuar el apoyo a otros esfuerzos como los dirigidos al combate a la distracción durante la conducción y a la mejora de la seguridad del transporte público de pasajeros y carga.



Restructuración y simplificación de los programas federales de transporte carretero, consolidando la estructura previa de los mismos en un menor número de programas más amplios.



Incremento en la velocidad de ejecución de los proyectos y promoción de la innovación. Se prevé instrumentar una serie de cambios para mejorar la innovación y la eficacia en el desarrollo de los proyectos, especialmente en los procesos de planeación y revisión ambiental.

Entre los aspectos anteriores, destaca el relativo al establecimiento de programas basados en el desempeño, ya que se trata de un tópico relativamente novedoso en nuestro medio. Es cierto que, al menos en el caso del gobierno federal y a instancias de las entidades fiscalizadoras, se han implantado metas programáticas que se verifican en forma periódica. Al mismo tiempo, en los últimos años han venido cobrando auge formas de contratación de obras que se basan en medidas de desempeño. Sin embargo, hasta ahora no se han generado iniciativas que establezcan metas institucionales y obliguen a las entidades administradoras de programas carreteros a evaluar el desempeño de sus programas con respecto al logro de esas metas. Cabe mencionar que la evaluación del desempeño de las entidades de gobierno se ha convertido en una demanda pública de gran importancia en los EUA, y que en nuestro país existe desde hace varios años una tendencia en el mismo sentido. El proceso de medición, y en general, de gestión del desempeño, se encuentra estrechamente vinculado al de gestión de carreteras, especialmente cuando éste se aborda bajo el enfoque moderno de gestión de activos carreteros. Por una parte, bajo este enfoque, los programas se generan con base en una serie de objetivos concretos de mediano y largo plazo cuyo cumplimiento se verifica al término de los plazos establecidos, lo que equivale a medir el desempeño de los programas. Por otro lado, la evaluación del desempeño requiere como insumos diversos tipos de información técnica y económica que sólo se encuentra disponible cuando existe un proceso efectivo de gestión de activos carreteros. 1.2

Gestión del desempeño en MAP-21

Se reconoce que la piedra angular de la transformación de los programas carreteros en MAP-21 es la transición hacia programas basados en el desempeño y en los resultados. Los estados deben invertir los recursos disponibles en el logro de metas individuales que, de manera, colectiva, contribuyan a alcanzar los objetivos nacionales. En relación con lo anterior, cabe recordar que en los EUA la conservación y operación de la infraestructura carretera son responsabilidad de los estados. La Ley MAP-21 establece los siguientes siete objetivos nacionales de desempeño para el sistema carretero:    

Seguridad. Lograr una reducción significativa de las muertes y lesiones graves en accidentes de tránsito ocurridos en todos los caminos públicos. Estado de la infraestructura. Conservar el sistema de activos de infraestructura carretera en un estado bueno. Reducción de la congestión. Lograr una reducción significativa de la congestión en el Sistema Nacional de Carreteras (National Highway System, NHS). Confiabilidad del sistema. Mejorar la eficiencia del sistema de transporte terrestre.

  

Movimiento de carga y dinamismo económico. Mejorar la red nacional de transporte de carga, fortalecer la capacidad de las comunidades rurales para acceder a los mercados nacionales e internacionales y apoyar el desarrollo económico regional. Sostenibilidad ambiental. Mejorar el desempeño del sistema de transporte al tiempo que se protege y mejora el entorno natural. Reducción de retrasos en la ejecución de proyectos. Disminuir los costos de los proyectos mediante la promoción del empleo y el desarrollo económico, y hacer expedito el movimiento de personas y mercancías eliminando los retrasos en los procesos de desarrollo y ejecución de los proyectos, incluyendo la reducción de cargas regulatorias y la mejora de los procedimientos de trabajo de las entidades gubernamentales.

Para lograr lo anterior se prevé que el Departamento del Transporte (DOT), en acuerdo con los estados, los órganos de planeación metropolitana (MPO por sus siglas en inglés) y otros grupos de interés, establezcan indicadores para la evaluación de la condición y el desempeño de los sistemas de carreteras nacional e interestatal en los siguientes rubros: condición de la infraestructura, desempeño, seguridad, congestión, emisiones contaminantes y movimiento de carga. Los estados (y, eventualmente, también los MPO), deberán definir metas en términos de los indicadores anteriores. Asimismo, los planes estatales y metropolitanos deberán describir la forma en que los programas y proyectos seleccionados contribuirán al logro de las metas. De manera concreta, MAP-21 establece que el DOT debe elaborar especificaciones para un conjunto de 12 indicadores o medidas de desempeño agrupadas en cuatro rubros, como se muestra en la Tabla 1 (Paniati, 2013). Tabla 1. Medidas de desempeño enunciadas en MAP-21 (Paniati, 2013). Rubro Desempeño de las carreteras nacionales

Mejora de la seguridad vial

Mitigación de la congestión y mejora de la calidad del aire Política de transporte de carga

Medidas de desempeño Condición de puentes en el NHS Condición del pavimento en las carreteras interestatales Condición del pavimento en el NHS (exceptuando interestatales) Desempeño del sistema interestatal Desempeño del NHS (exceptuando interestatales) Número de muertos Muertos por vehículo-milla Número de heridos graves Heridos graves por vehículo-milla Congestión vial Emisiones de fuentes móviles en carreteras Movimiento de carga en el sistema interestatal

Los estados y los MPO presentarán al DOT informes sobre los avances en la realización de las metas. Si estos informes muestran un avance menor al esperado en algún área,

especialmente el estado del NHS y los indicadores de seguridad, el estado deberá llevar a cabo acciones correctivas, como las siguientes:  

Para el caso de la condición de los pavimentos y puentes del NHS, el estado deberá incluir en su siguiente informe las medidas que tomará para alcanzar las metas. En lo relativo a seguridad vial, el estado deberá asignar un monto determinado de los recursos federales a proyectos de seguridad y preparar un programa anual de ejecución.

Adicionalmente, puesto que la condición de la infraestructura se considera un asunto crítico, MAP-21 obliga a cada estado a mantener estándares mínimos para los pavimentos y puentes de las redes nacional e interestatal. Los estados que no logren los estándares mínimos deberán destinar una parte de los recursos que les sean asignados a la aplicación de las medidas necesarias para corregir esta desviación. 1.3

Programa Nacional de Desempeño Carretero

Como parte de la restructuración y simplificación de los programas federales contenida en MAP-21, se creó un programa dedicado específicamente a la mejora del desempeño que lleva por nombre Programa Nacional de Desempeño Carretero (National Highway Performance Program, NHPP). Este programa aplica al sistema carretero nacional ampliado, el cual está formado por alrededor de 350,000 km carreteras urbanas e interurbanas que dan servicio a los principales centros de población, cruces fronterizos, instalaciones de transporte intermodal y la red de carreteras relevante para la defensa estratégica de los EUA. El programa NHPP tiene autorizado un promedio anual de 21.8 mil millones de dólares para mejorar el estado y desempeño del NHS, para construir nuevas obras y para asegurar que las inversiones de fondos de ayuda federal se dediquen a obtener avances en el logro de las metas establecidas dentro los planes estatales de gestión de activos que tienen incidencia en el NHS. Además de las previsiones relativas al establecimiento de medidas de desempeño y estándares mínimos por parte del DOT, y de las correspondientes metas de los estados y los MPO, MAP-21 obliga a los estados a desarrollar un plan de gestión de activos basado en el desempeño y basado en riesgos para el NHS, a fin de preservar o mejorar el estado de los activos y el desempeño del sistema. El proceso de desarrollo del plan debe ser revisado y recertificado al menos cada cuatro años. En caso de incumplir con este requerimiento en un año dado, la ley prevé una reducción de la participación federal en proyectos NHPP de 80 a 65% para ese año. 2

CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE MAP-21

La completa implementación de MAP-21se vislumbra como un proceso de mediano plazo en el que habrá de elaborarse de manera coordinada entre el gobierno federal, los gobiernos de los estados y los MPO la reglamentación que dará sustento al programa carretero basado

en el desempeño. De acuerdo con las previsiones contenidas en la propia ley, la implementación de MAP-21 deberá concluir a mediados de 2015. A continuación se describen los principales aspectos del proceso de implementación según la óptica de la FHWA (Paniati, 2013). 2.1

Etapas principales del proceso de implementación

El proceso de implementación de MAP-21 consta de las siguientes etapas:    

Definición de medidas de desempeño por parte del DOT en un periodo máximo de 18 meses contados a partir del 1º de octubre de 2012. Establecimiento de las metas de los estados a más tardar 12 meses después de que el DOT defina las medidas de desempeño. Establecimiento de las metas de los MPO a más tardar 6 meses después de que el estado defina sus metas. Incorporación de las medidas y las metas en los procesos de planeación de los estados y los MPO.

Para asegurar su consistencia, las metas se establecerán de manera coordinada entre el gobierno federal, los estados y los MPO (Stephanos, Implementation Discusion on MAP-21 and Performance Measures page 1, 2013). Podrán definirse metas diferentes para los ámbitos urbano e interurbano. Se prevé que los estados presenten un informe de avance en el cumplimiento de las metas en un plazo de 4 años medido a partir de la promulgación de la ley y, posteriormente, cada dos años. En caso de que no se alcancen las metas se aplicarán acciones correctivas (no sanciones). 2.2

Reglamentación de MAP-21

Las 12 medidas de desempeño que se establecen en MAP-21 de manera general, deberán ser objeto de especificaciones precisas en lo que se refiere al método para obtener cada medida y a los datos involucrados. La reglamentación de MAP-21 está constituida por el conjunto de especificaciones de las medidas, las metas de los estados y los MPO y los plazos para lograr estas metas. A principios de 2013, la FHWA se encontraba realizando las siguientes actividades relacionadas con este proceso:    

Consulta con los grupos de interés. Elaboración de una plantilla para las notificaciones de propuesta de reglamentación (NPRM). Finalización de una evaluación del impacto económico de la reglamentación propuesta sobre los estados, los MPO y otros grupos de interés. Coordinación con otras reglamentaciones, como las de planeación, la del plan de gestión de activos, o la de la Administración Federal de Transporte Público (Federal Transit Administration, FTA).

Para el contacto con los grupos de interés, la FHWA ha establecido los siguientes mecanismos: seminarios web, diálogos nacionales en línea, reuniones virtuales de los ayuntamientos, reuniones sobre tópicos específicos y contacto directo a través de correo electrónico. Los principales temas de la consulta con estos grupos han sido: medidas de desempeño, definición y el cumplimiento de metas, elaboración de informes, y sistemas y herramientas de apoyo informático. Se ha establecido un periodo máximo de 90 días para hacer observaciones a las NPRM; pasado este periodo, la versión final será publicada en el Registro Federal (diario oficial del gobierno federal de los EUA). La FHWA clasifica las medidas de desempeño en tres grupos o estados, de acuerdo con el grado de avance de la reglamentación correspondiente. En la Tabla 2 se resume esta clasificación, la cual se ha tomado como base para calendarizar el desarrollo de la reglamentación y cumplir con la fecha límite para su promulgación en el segundo semestre de 2015, como se muestra en la Tabla 3. Tabla 2. Clasificación de las medidas de desempeño en función del grado de avance de la reglamentación (Paniati, 2013). Grado de avance Grupos de medidas Estado I Heridos graves por vehículo-milla Muertos por vehículo-milla Número de heridos graves Número de muertos Estado II Condición del pavimento en las carreteras interestatales Condición del pavimento en el NHS (exceptuando interestatales) Condición de puentes en el NHS Estado III Congestión vial Emisiones de fuentes móviles en carreteras Movimiento de carga en el sistema interestatal Desempeño del sistema interestatal Desempeño del NHS (exceptuando interestatales) Además de la definición de medidas desempeño y de los datos necesarios para su obtención, el proceso de reglamentación comprende la especificación de la condición mínima aceptable en pavimentos de la red interestatal, bosquejos de los requisitos para la definición de metas y la elaboración de informes de desempeño, y definiciones sobre el cumplimiento de las metas. Todo lo anterior estará a cargo del DOT (Paniati, 2013). 2.3

Atributos de las medidas de desempeño

Para evaluar las medidas de desempeño que habrán de adoptarse se deben emplear dos atributos básicos: pertinencia de la medida y disponibilidad de los datos (Stephanos, Federal Perspective on Performance Management page 1, 2013). El primero, se evalúa a través de los factores que se describen en la Tabla 4.

Tabla 3. Calendarización de la reglamentación (Paniati, 2013).

2

Medidas / año fiscal

Seguridad

Año fiscal / trimestre 1o 2013 2º (año 1 de 3o MAP-21) 4º 1o 2014 2º (año 2 de 3o MAP-21) 4º 1o 2015 2º

Estado 1 Consulta / NPRM

Pavimentos y puentes Estado 2

Consulta / NPRM

CMAQ2, desempeño, carga Estado 3

Consulta / NPRM

Observaciones Reglamentación final

Observaciones Reglamentación final

Observaciones Reglamentación final

Programa de Mitigación de la Congestión y Mejora de la Calidad del Aire

Tabla 4. Factores relacionados con la pertinencia de las medidas de desempeño. Factor Enfoque Consenso Flexibilidad Impacto

La medida: Se concentra en un área de interés nacional Ha sido desarrollada en colaboración con los grupos de interés Se puede modificar en caso necesario Puede utilizarse en apoyo a la toma de decisiones relacionadas con inversiones, formulación de políticas y definición de metas. Seguimiento Se puede utilizar para analizar tendencias en el desempeño Factibilidad Se obtiene a partir de datos cuya obtención, almacenamiento y comunicación son factibles y pueden hacerse de manera práctica En cuanto a la disponibilidad de la información, se toman en cuenta factores como la organización que proveerá los datos (si es una entidad federal, estatal/local o un tercero), la existencia de procedimientos para la recopilación, almacenamiento y acceso a la información y aspectos relativos a la calidad de los datos (oportunidad, consistencia, precisión, accesibilidad e integración de datos). 2.4

Requisitos adicionales de gestión del desempeño

La implementación de MAP-21 obliga a los estados y a los MPO tomar en cuenta los siguientes requisitos adicionales relacionados con la gestión del desempeño (Paniati, 2013): 

Regulaciones sobre planeación. o Enfoque basado en el desempeño. o Informes sobre el desempeño del sistema. o Discusión sobre el cumplimiento de las metas. o Periodo de transición.



Plan de gestión de activos en el marco del NHPP.

3



Plan de mejoramiento de la seguridad vial en el marco del Programa Estratégico de Seguridad Vial (Strategic Highway Safety Plan, SHSP).



Programa de Mitigación de la Congestión y Mejora de la Calidad del Aire (Congestion Mitigation and Air Quality Improvement Program, CMAQ), a cargo de los MPO.

EVALUACIÓN DE LA RED DE CARRETERAS DE LOS EUA

Con antelación a la promulgación de MAP-21 la FHWA emprendió, a través de un consultor privado, un estudio orientado a mejorar sus habilidades para evaluar el estado de la infraestructura carretera de los EUA (Simpson, Rada, Visintine, & Groeger, 2013). El estudio consistió básicamente en analizar una serie de indicadores o medidas de desempeño, utilizando como referencia un enfoque de la AASHTO basado en “niveles” (NCHRP, 2011). En este enfoque, los niveles se refieren al grado de desarrollo del indicador y no a su importancia o prioridad relativa. Se definen tres niveles: 

 

Nivel 1. Alude a las medidas con un desarrollo completo o casi completo y que pueden implementarse de inmediato a nivel nacional. Cumplen con los siguientes criterios: o Consenso generalizado respecto a la definición de la medida. o Existencia de un procedimiento común o centralizado para el levantamiento de datos. o Garantía sobre la disponibilidad de datos coherentes. Nivel 2. Medidas que cumplen con uno o dos de los criterios anteriores pero requieren trabajo adicional para su implementación. Nivel 3. Medidas que se encuentran todavía en la etapa de propuesta y requieren trabajo adicional para su implementación.

Tomando en cuenta lo anterior, los principales objetivos del estudio fueron:    

Desarrollar un procedimiento para clasificar el estado de los pavimentos y puentes como bueno/regular/malo, que pueda utilizarse de manera consistente en todo el país. Validar al Índice de Regularidad Internacional (IRI) como una medida de nivel 1. Avanzar en la definición de medidas potenciales de nivel 2 y 3. Abordar algunas cuestiones clave como si es posible obtener las mismas conclusiones a partir de diferentes fuentes de información o si el uso de indicadores distintos ayuda a una mejor caracterización del estado del pavimento.

El estudio comprendió la evaluación de los siguientes indicadores: a) Irregularidad del pavimento, en términos del IRI. b) Deterioros superficiales, de acuerdo con el Índice de Condición del Pavimento (Pavement Condition Index, PCI).

c) Combinación de la irregularidad y deterioros superficiales seleccionados. En este caso, se desarrolló el prototipo de un índice de estado funcional (FCI por sus siglas en inglés) que combina IRI, profundidad de roderas y agrietamiento en el caso de pavimentos asfálticos; IRI, escalonamiento y agrietamiento para pavimentos de concreto tipo JPCP, e IRI y escalonamiento para pavimentos de concreto tipo CRCP. d) Capacidad estructural del pavimento, a partir de mediciones con el Rolling Weight Deflectometer (RWD) de la FHWA. Como medida de capacidad estructural se utiliza la deflexión normalizada (D0), que corresponde a la máxima deflexión del pavimento bajo la carga aplicada. e) Uso combinado de la irregularidad, deterioros seleccionados y capacidad estructural basada en el RWD. Cabe mencionar que para esta opción no se desarrolló un nuevo índice, sino que el FCI y la deflexión D0 se emplearon separadamente como medidas de la capacidad funcional y estructural, asignando al pavimento la calificación más baja entre las obtenidas para cada indicador. f) Vida remanente, con base en la herramienta de análisis PHT (Pavement Health Track) de la FHWA. Esta herramienta utiliza versiones simplificadas de los modelos de la guía de diseño mecanicista-empírica de la AASHTO, y permite calcular valores terminales de los diferentes deterioros (IRI, roderas, agrietamiento por fatiga y agrietamiento térmico). PHT sólo puede usarse para pavimentos asfálticos y mixtos (pavimentos JPCP rehabilitados con una sobrecarpeta asfáltica). Como parte del trabajo se realizó un estudio piloto en el que se utilizaron las opciones anteriores para clasificar como bueno/regular/malo el estado del pavimento de tramos carreteros. Para ello se seleccionó un corredor de la red interestatal con una longitud de 1,407 km, que cruza los estados de Dakota del Sur, Minnesota y Wisconsin. En el estudio piloto se utilizaron las siguientes fuentes de información:  



Sistema de seguimiento del desempeño de carreteras (Highway Performance Monitoring System, HPMS) de la FHWA. Comprende IRI, roderas, escalonamiento y agrietamiento. Datos diversos de los organismos de carreteras de los estados, que pueden agruparse como: documentación, inventario e información de sistemas de gestión de pavimentos. Cabe mencionar que ninguno de los estados pudo proporcionar datos de deflexiones a nivel de red obtenidas con deflectómetro de impacto (FWD). Información recopilada en 2011 como parte del mismo estudio, incluyendo imágenes del derecho de vía, IRI, roderas, escalonamiento y agrietamiento. Para este levantamiento se utilizó un vehículo multifuncional, y los datos fueron almacenados siguiendo los estándares del HPMS. Asimismo, se hicieron recorridos con el equipo RWD, a fin de reunir información sobre la capacidad estructural de los pavimentos.

Para cada indicador considerado en el estudio se identificaron las correspondientes ventajas y desventajas, las cuales se resumen en la Tabla 5. Como se aprecia en esta tabla, sólo en el caso del IRI pudieron enumerarse más ventajas que desventajas. Sin embargo, la única desventaja identificada en este caso, referente al hecho de que el IRI no proporciona información sobre la capacidad estructural, es precisamente la que ha llevado a la búsqueda de otros indicadores.

Tabla 5. Ventajas y desventajas de los indicadores evaluados por la FHWA. Indicador IRI

PCI

Ventajas  Existencia de estándares  Repetibilidad y reproducibilidad  Aceptación y comprensión generalizadas  Incluido en el programa HPMS, por lo que no se requieren levantamientos adicionales  Aceptación y comprensión generalizadas

FCI

 Considera más de un aspecto del estado del pavimento  Proporciona una descripción completa de la capacidad funcional  Los datos están incluidos en el programa HPMS

D0

 Proporciona información sobre la capacidad estructural del pavimento

FCI y D0

 Representa la evaluación más completa del pavimento  Considera los diferentes tipos de deterioro, tanto los funcionales como los estructurales

Vida remanente con PHT

3

Sistemas de Gestión de Pavimentos

Desventajas  No proporciona información sobre la condición estructural

 Requiere datos de 19 tipos de deterioro para su cálculo  Imposibilidad de levantar información precisa sin afectar al tránsito  Los datos recopilados con equipo automático deben interpretarse manualmente  Actualmente no existe un índice reconocido que considere los deterioros medidos en el HPMS  Falta de normalización de los procedimientos para la medición del agrietamiento y el escalonamiento.  El FCI es un ejemplo inicial que no ha sido sujeto de una revisión y evaluación completas  No se han desarrollado para el RWD estándares de calibración, levantamiento y análisis de los datos  No existen estándares para utilizar datos del RWD en la calificación del estado del pavimento  Los métodos de análisis actuales requieren de los espesores de las capas, que son difíciles de obtener a partir de datos a nivel de red de los SGP3  La deflexión no da una indicación de la adecuación estructural si no se la relaciona con el tránsito  Mismas de los indicadores individuales FCI y D0  En este momento arroja resultados poco realistas, con predicciones de 0 para muchos tramos  Requiere investigación adicional respecto a los valores terminales de los deterioros, así como en lo que se refiere al manejo de información sobre el historial de reparaciones y la edad del pavimento  Requiere calibración local de los modelos.

En términos generales, las desventajas de las medidas diferentes al IRI se refieren a aspectos como la complejidad del método para la obtención del indicador, la falta de estándares para los procedimientos de medición y de cálculo y la necesidad de emprender trabajos de investigación adicionales. En el caso del FCI, se menciona que se observó una marcada falta de correlación entre los datos de agrietamiento del HPMS y los obtenidos en campo, lo cual, junto con la ausencia de un método aceptado para convertir la información sobre deterioros existente en el HPMS en un índice que permita clasificar el estado de los pavimentos como bueno/regular/malo, se consideran obstáculos significativos que deben resolverse para avanzar en el desarrollo de un enfoque basado en deterioros. Respecto a la vida remanente, se hace notar que la herramienta PHT genera un gran número de valores de cero para este indicador, lo cual se recomienda revisar con un conjunto mayor de datos para determinar si los valores terminales de los deterioros deben modificarse, a fin de producir estimaciones más realistas de la vida remanente. También se señala que en este ejercicio se encontraron algunos datos con inconsistencias importantes que es necesario resolver antes de que el método pueda considerarse viable. El estudio arroja dos conclusiones principales: 



Aunque existen ventajas al considerar indicadores cada vez más complejos, los cuales proporcionan más información sobre el estado del pavimento, el estudio mostró que la adopción de estos indicadores requiere esfuerzos adicionales de investigación y desarrollo, ya que actualmente no proporcionan una imagen coherente de la condición del pavimento. En este momento, la única medida que se juzga viable para ser empleada como un indicador robusto del estado del pavimento a nivel de red es el IRI, el cual posee los siguientes atributos: facilidad de medición, repetibilidad y nivel de desarrollo.

Considerando los resultados y conclusiones del estudio descrito en el contexto de la promulgación de MAP-21, puede observarse que los grupos de interés vinculados al sistema carretero de los EUA tienen grandes retos por delante en lo que se refiere a la definición e implementación de las medidas de desempeño previstas en esta ley. 4

ASPECTOS RELEVANTES PARA MÉXICO

La promulgación de la Ley MAP-21 en los Estados Unidos de América y el correspondiente proceso de implementación que actualmente se encuentra en marcha, conllevan los siguientes aspectos que conviene tomar en cuenta a la luz de las prácticas actuales vinculadas a la preservación y desarrollo del sistema carretero en nuestro país: a) Las medidas de desempeño constituyen un medio objetivo para evaluar la eficacia de los programas de conservación y operación de redes de carreteras. b) La gestión del desempeño sólo es posible si se aborda en el marco del proceso más amplio de gestión de infraestructura carretera, preferentemente cuando éste se basa

en el enfoque moderno de gestión de activos carreteros. Este enfoque contempla la verificación del cumplimiento de los objetivos de mediano y largo plazo que se establecen como parte del proceso y, además, asegura la disponibilidad de la información necesaria para la medición del desempeño. c) La gestión del desempeño constituye una alternativa viable para responder a las exigencias de los organismos de fiscalización y del público usuario con respecto a la rendición de cuentas de los recursos destinados a los programas carreteros. Asimismo, eventualmente podría servir como un medio para justificar la asignación de mayores recursos a esos programas. d) Para que un esquema basado en el desempeño sean exitoso, requiere del liderazgo de la máxima autoridad del sistema carretero, la cual debe definir los objetivos estratégicos de los programas y establecer las bases técnicas para la especificación de los indicadores de desempeño y las correspondientes metas. e) El liderazgo al que se refiere el punto anterior requiere que la autoridad cuente con capacidades técnicas adecuadas, por lo que es necesario promover la capacitación y actualización de su personal en todos los niveles. f) Se debe involucrar a los grupos de interés vinculados a los programas carreteros (entidades públicas, organismos de fiscalización, contratistas, empresas de consultoría, universidades, centros de investigación e incluso al público usuario) en el proceso de adopción de un esquema basado en el desempeño. g) Las medidas de desempeño utilizadas como base del proceso deben estar enfocadas a medir el progreso en el logro de los objetivos y ser claras, sencillas y directas. h) Además de indicadores de índole técnica, es recomendable utilizar indicadores para evaluar la eficiencia económica de las inversiones consideradas en los programas carreteros. i) Es necesario y urgente iniciar un importante esfuerzo a nivel nacional para el desarrollo de normas vinculadas a la recopilación, almacenamiento, análisis y acceso a información de indicadores relacionados con el estado de los pavimentos. En este esfuerzo debe hacerse una clara distinción entre los datos para aplicaciones a nivel de proyecto y de red. j) Como lo demuestra la experiencia estadunidense, la definición e implementación de medidas de desempeño llevan aparejados importantes retos de índole técnica, por lo que deben abordarse como procesos de mediano plazo sujetos a una planeación cuidadosa. 5

CONCLUSIÓN

La promulgación de MAP-21 constituye un hecho de gran significación en EUA al obligar por primera vez a los estados de ese país a sujetar sus programas carreteros a criterios de

desempeño. Con ello, el gobierno federal pretende dar respuesta a las demandas del congreso y del público usuario en el sentido de conocer el grado de eficacia y eficiencia con los que se ejercen los recursos destinados a la conservación y operación de la red de carreteras. De manera implícita, la ley asume que los estados cuentan o están en vías de contar con sistemas de gestión de carreteras, ya que de otra manera no es posible contar con la información necesaria para dar sustento al proceso de gestión del desempeño. Adicionalmente, el requisito puntual relativo al desarrollo de un plan de gestión de activos basado en el desempeño y basado en riesgos sólo podrá cumplirse si los sistemas de gestión existentes se modifican para adoptar un enfoque moderno de gestión de activos carreteros. El papel de la FHWA en la implementación de MAP-21 es crucial, ya que, en consulta con los estados y los órganos de planeación metropolitana (MPO), tiene a su cargo la especificación de las medidas de desempeño que habrán de gobernar el proceso. Asimismo, debe asesorar a los estados en temas como la definición de sus metas para cada medida y la elaboración de informes. Como se vio en la sección 3, la identificación y especificación de medidas de desempeño es un proceso extremadamente complejo. En las últimas décadas las tecnologías vinculadas a la medición de datos relacionados con el estado de pavimentos han experimentado avances muy importantes, sin embargo, estos avances han encontrado su principal ámbito de aplicación en la evaluación de pavimentos en el nivel de proyecto, quedando mucho trecho por recorrer en lo que se refiere al nivel de red, que es el que corresponde a un proceso de evaluación del desempeño como el previsto en MAP-21. Así, con el IRI identificado hasta el momento como único indicador viable para caracterizar aspectos de la condición del pavimento a nivel de red, la FHWA tiene ante sí un reto mayúsculo en lo que se refiere al proceso de definición de las medidas de desempeño que constituye el núcleo de la reglamentación de la ley. La promulgación de MAP-21 es un hecho del que nuestro país puede obtener importantes enseñanzas en lo que respecta a la gestión de infraestructura vial y al uso de indicadores de desempeño para medir la eficacia de los programas carreteros. Por lo pronto, resulta urgente emprender un gran esfuerzo en el país para normalizar los procedimientos de recopilación y análisis de información sobre la condición de los pavimentos, no sólo como preparación para eventual adopción de esquemas basados en el desempeño sino aun para conferir mayor solidez técnica a los procesos de evaluación y gestión de pavimentos actualmente en uso. 6

REFERENCIAS

FHWA. (2012). Moving Ahead for Progress in the 21st Century Act (MAP-21): A Summary of Highway Provisions. US Department of Transportation, Office of Policy and Governmental Affairs. Washington, DC, EUA: Federal Highway Administration.

FHWA. (2013). MAP-21 | Federal Highway Administration. Recuperado el 8 de junio de 2013, de MAP-21 | Federal Highway Administration: http://www.fhwa.dot.gov/map21/ NCHRP. (2011). NCHRP 20-24(37)G - Technical Guidance for Deploying National Level Performance Measurements. National Cooperative Highway Research Program. Washington, DC, EUA: National Cooperative Highway Research Program. Paniati, J. F. (2013). Policy Discussion on MAP-21 and Performance Management page 1. Recuperado el 11 de junio de 2013, de Transportation Research Board Compendium of Papers Online Portal Home: http://amonline.trb.org/39fl4p/1 Simpson, A. L., Rada, G., Visintine, B., & Groeger, J. L. (2013). Evaluating Pavement Condition on the National Highway System. TRB 2013 Annual Meeting Technical Papers. Washington, DC, EUA: Omnipress. Stephanos, P. (2013). Federal Perspective on Performance Management page 1. Recuperado el 11 de junio de 2013, de Transportation Research Board Compendium of Papers Online Portal Home: http://amonline.trb.org/39g3uf/1 Stephanos, P. (2013). Implementation Discusion on MAP-21 and Performance Measures page 1. Recuperado el 11 de junio de 2013, de Transportation Research Board Compendium of Papers Online Portal Home: http://amonline.trb.org/39ftfl/1

Certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados Vicente Aragón Ruiz, Aldo Salazar Rivera, Horacio Delgado Alamilla, Paul Garnica Anguas

Resumen El conocimiento y la buena práctica de la ejecución de los ensayes se han convertido en puntos clave para garantizar la confiabilidad del desempeño de los materiales de la mezcla asfáltica. Por ende actualmente existe un programa de evaluación de laboratorios a nivel nacional, llamado Interlabs AMAAC, teniendo como finalidad evaluar la capacidad del personal, el equipo y los resultados de las pruebas a las que se hayan inscrito. En el transcurso del programa de evaluación de laboratorios antes mencionado se identificó la falta de capacitación técnica del personal en agregados. Debido a esto la sociedad AMAAC-IMT propuso un programa de certificaciones de laboratorista con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados, para garantizar la calidad de la misma. Este estudio se basó en el análisis de resultados y la aceptación que han tenido la certificación antes mencionada. Los resultados obtenidos permiten controlar la calidad del personal en agregados. Palabras claves: Mezcla asfáltica.

Antecedentes

Objetivos

En el 2010 la AMAAC, propone públicamente la certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados, creado por la necesidad de contar con laboratorios que participen dentro del proceso de evaluación para asegurar su capacidad técnica, ya sea como parte del constructor o la empresa supervisora, contando con la capacidad técnica adecuada para asegurar los resultados de los ensayos de agregados para la mezcla asfáltica. Así la AMAAC y el IMT, lanzan por primera vez la convocatoria a principios de 2011, para obtener la certificación de laboratorista con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados.

Uno de los objetivos buscados es asegurar que los laboratorios que participen dentro del proceso de evaluación, aseguren tener la capacidad técnica garantizando así la calidad de la mezcla asfáltica. Otro objetivo fundamental es garantizar la confiabilidad a través de los ensayos de agregados y detectar tendencias que permitan tomar acciones correctivas que faciliten una mejora continua por medio de:   

La capacidad técnica de los laboratoristas. La habilidad/destreza durante la ejecución de los ensayos. Conocimiento de las normas.

Alcances El certificado lo acredita como especialista en mezclas asfálticas en la categoría de agregados. Avala que el titular, está capacitado para realizar las pruebas que aplican al Protocolo AMAAC sobre diseño de mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño, en la categoría de agregados.

La importancia de este método prevalece en determinar la contaminación de limo o arcilla en el agregado fino. Ensayo No 6. Determinación de partículas planas y alargadas (ASTM D 4791-10). Es un indicador de la trabajabilidad y compactación. La trabazón de la mezcla asfáltica es más alta con formas cúbicas y más bajo para las partículas redondeadas.

Metodología La certificación se realiza con el interés de evaluar el método de prueba, ya que las determinaciones en el laboratorio están sometidas a múltiples fuentes de error, y en su conjunto determinan la calidad del análisis. Ensayos de agregado con especialidad en mezclas asfáltica s. Ensayo No 1. Reducción de muestras de agregados (ASTM C 702-11). Obtener una muestra representativa de agregado del tamaño adecuado para ser ensayada. Ensayo No 2. Análisis granulométrico de agregados gruesos y finos (ASTM C 136-06)

Ensayo No 7. Determinación de azul de metileno en material fino (filler) (RA 05/10) Determinar el grado de reactividad de los agregados finos (pasa malla # 200). Ensayo No 8. Determinación del porcentaje de partículas fracturadas en agregados gruesos (ASTM D 5821-01 (2006)). La importancia de esta prueba prevalece en la superficie áspera donde aumenta la resistencia de la mezcla influyendo a la vez en la trabajabilidad de la misma. Ensayo No 9. Determinación de la sanidad de agregados por el uso de sulfatos de sodio o de magnesio (Intemperismo) (ASTM C 8805). Es un indicador de la sanidad del agregado.

Identifica la distribución de los tamaños del agregado. Ensayo No 3. Densidad y absorción de agregados gruesos (ASTM C 127-12). Ensayo No 4. Densidad y absorción de agregados finos (ASTM C 128-12). Los resultados de este ensayo son indispensables para determinar las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica. Ensayo No 5. Determinación del valor de equivalente de arena (ASTM D 2419-09).

Ensayo No 10. Determinación de la resistencia a la degradación de agregado grueso de tamaño pequeño por abrasión e impacto en la máquina de Los Ángeles (ASTM C 131-06). Considera la abrasión que experimentará el agregado durante su transportación, mezclado, colocación y/o cargas de servicio. Ensayo No 11. Angularidad de la fracción fina (AASHTO T304-11). Esta propiedad asegura un alto grado de la fricción interna del agregado fino y de la resistencia al ahuellamiento.

Ensayo No 12. Determinación de la resistencia al desgaste del agregado pétreo mediante el equipo Micro-Deval (ASTM D 6928-10). Determinar la resistencia de un agregado pétreo al desgaste por abrasión en húmedo.

participantes en total, las sedes fueron las siguientes: 

Querétaro (Instituto Mexicano del Transporte).



Puebla (Universidad de las Américas Puebla).



Guadalajara (TraSenda Ingeniería, S.A de C.V).

Pruebas de Adherencia Ensayo No 13. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (ebullición) (ASTM D 3625-96 (2005)). Determina la pérdida de adhesión en mezclas asfalto-agregado sin compactar, debido a la acción del agua en ebullición. Ensayo No 14. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (RA 07/10). Determina la resistencia al desprendimiento del asfalto de los materiales pétreos. Ensayo No 15. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (MMP·4·04·009/03). Determina la pérdida de la película asfáltica en los materiales pétreos. Consiste en someter a la acción del agua y a varios ciclos de agitado dentro de un frasco de vidrio, una muestra de mezcla asfáltica con granulometría definida. Ensayo No 16. Desprendimiento por fricción de la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (RA 08/10). Determina la pérdida de la película asfáltica en los materiales pétreos. La prueba consiste en someter a la acción del agua y a varios ciclos de agitado dentro de un frasco de vidrio, una muestra de mezcla asfáltica. Convocatorias La convocatoria de 2011 comprendió 3 certificaciones, con una participación de 40

La evaluación consistió en un examen teórico y práctico para cada una de las 16 pruebas citadas anteriormente, la duración de la evaluación fue de 5 días, cada uno de los participantes ejecutó los ensayes, la cual tenía una duración de 4 días, en el quinto día cada uno de los participantes realizaba un examen oral de las 16 pruebas. Para la evaluación se formaron 4 grupos de 3 técnicos con un evaluador por grupo. Durante la evaluación práctica se observaba si el participante estaba familiarizado con la ejecución de la prueba. La segunda convocatoria fue lanzada en el transcurso de este año (2013), donde se efectuaron 4 certificaciones, con una participación de 48 participantes en total, las sedes fueron las siguientes:  Campeche (Universidad Autónoma de Campeche).  Puebla (Universidad de las Américas Puebla).  Querétaro (Instituto Mexicano del Transporte).  Guadalajara (TraSenda Ingeniería, S.A de C.V). Donde la evaluación consistió en un examen teórico-práctico para cada una de las 16 pruebas citadas anteriormente, la duración de la evaluación fue de 2 días lográndose identificar con plena claridad el dominio de la prueba. Para la evaluación se formaron 4 grupos de 2 técnicos con un evaluador por grupo.

 

Interpretación de resultados En esta etapa se analizaron los resultados presentados por los participantes, donde se consideraron los siguientes puntos:    

Conocimiento del objetivo de prueba. Conocimiento y manipulación de equipo y material de prueba. Procedimiento teórico-práctico de prueba. Interpretación de resultados.

Durante el análisis se identificaron notablemente deficiencias en los ensayos antes mencionados:  Ensayo No 1 (Reducción) Los puntos de mejora:  Conocimiento de los lineamientos de la norma.  Ensayo No 2 (Granulometría) Los puntos de mejora:  Reporte de resultados.  Criterio de aceptación del granulométrico.

análisis

 Ensayo No 3 y 4 (gravedad específica) Los puntos de mejora:  Preparación de la muestra a ensayar.  Identificación de la condición saturada y superficialmente seca.  Ensayo No 5 (Equivalente de Arena) Los puntos de mejora: Seguir los lineamientos de la normativa por ejemplo:   

Tener presente el significado de un ciclo en el agitado manual. Mantener la probeta fija en la mesa de trabajo durante el proceso de irrigación. Realizar el redondeo en el reporte.

 Ensayo No 6 (Planas y alargadas) Los puntos de mejora:  Obtención de la muestra a ensayar.  Conocimiento y criterio de evaluación.  Manipulación del equipo. 

Ensayo No 7 (Azul de metileno) Los puntos de mejora:  Identificación del halo color azul cian.

Precisión en el procedimiento de prueba. Reporte de resultados.

 Ensayo No 8 (Angularidad grueso) Los puntos de mejora:  Conocimiento y criterio para asignar una cara como fracturada.  Reporte de resultados.  Ensayo No 9 (Intemperismo acelerado) Los puntos de mejora:  Selección del material a ensayar  Preparación de la solución de sulfato de sodio/magnesio.  Cribado después del último ciclo por una malla menor al de la muestra designada por la norma. 

Ensayo No 10 (Desgaste de los Angeles) Los puntos de mejora:  Evitar la pérdida de material durante el procedimiento de prueba  Ensayo No 11 (Angularidad del fino) Los puntos de mejora:  Conocimiento de objetivo de prueba.  Obtención de la muestra a ensayar.  Manipulación del equipo de prueba.  Ensayo No 12 (Micro Deval) Los puntos de mejora:  Identificación de la granulometría ensayar.  Manipulación del equipo de prueba.

a

 Ensayo del No 13 al 16 (Adherencia) Los puntos de mejora:  Preparación de la muestra a ensayar.  Seguir los lineamientos de procedimiento de prueba de acuerdo a la normativa.  Conocimiento y criterio para evaluar la muestra. Resultados Para obtener la certificación, fue necesario aprobar el examen teórico-práctico con una calificación mínima de 8.0 (aprobar como mínimo 1 de los cuatro ensayes de adherencia y por lo menos 10 de los 12 ensayos restantes).

La figura 1 muestra la tendencia de la certificación en cada sede durante el 2011. 14

10 8

75 %

4

87 %

6

2

6 5 4 3 2 1 0

QUERÉTARO 13 9

No. DE PARTICIPANTES APROBADOS

GUADALAJARA 12 9

PUEBLA 15 13

Figura 1. Certificación de laboratoristas con Figura 1.- Certificación de laboratoristas con especialidd en mezclas asfálticas especialidad en mezclas en la categoría en la categoríaasfálticas de agregados. 2011 de agregados. 2011.

La figura 2 muestra la tendencia de la participación por estado de la República Mexicana durante el 2011. Como se puede apreciar la participación predomina en el centro del país y sus alrededores (Distrito Federal, Edo de México, Jalisco y San Luis Potosí). 7 6

5 4 3

Figura 4. Número de participantes por estado. Figura 4.- Numero de participantes por estado. 2013 2013.

La figura 5 muestra la distribución del personal certificado en el 2011 y 2013. Al igual en la figura 6 (mapa) se observa la distribución territorial a nivel nacional. 9

No. de participantes

0

No de Participantes

No. de Participantes

7

12

69 %

No . de Participantes

16

La figura 4 muestra la tendencia de la participación por estado de la República Mexicana durante el 2013.

8 7 6 5 4 3 2 1 0

2 1 0

5.- Numero de CertificadosCertificados por estado. Figura Figura 5. Número departicipantes participantes 2011 y 2013 por estado. 2011 y 2013. 2.- Numero de participantes por estado. 2011 por estado. Figura 2. Figura Número de participantes 2011.

La figura 3 muestra la tendencia de la certificación en cada sede durante el 2013. 16 14 12 10 8

0

No. de Participantes Aprobados

CAMPECHE 8 4

PUEBLA 12 3

QUERETARO 16 6

42 %

2

38 %

4

25 %

6 50 %

No. de Participantes

18

GUADALAJARA 12 5

Figura3. 3.- Certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas con Figura Certificación de laboratoristas en la categoríaasfálticas de agregados. 2013 especialidadasfálticas en mezclas en la categoría de agregados. 2013.

Beneficios Los técnicos aprobados, ya no son evaluados durante las visitas que se realizan para el programa de interlabs en caso de estar inscritos, ya que han demostrado con anterioridad su capacidad técnica en la categoría de agregados. Aún cuando los participantes no hayan obtenido la certificación tienen la oportunidad de conocer y manipular el equipo de las pruebas, además de retroalimentar sus conocimientos. Conclusiones Es imprescindible contar con personal calificado, ya que este podrá identificar con plena claridad los problemas a resolver durante la ejecución de las pruebas. Se incrementó el número de participantes de 40 a 48 del 2011 al 2013.

Se identifica la tendencia del personal certificado hacia el centro del país.

COMPARATIVA DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA TIBIA Y UNA MODIFICADA EMPLEANDO LA RUEDA DE HAMBURGO Y LA ESPAÑOLA Dr. Saúl Castillo Aguilar Universidad Veracruzana, Veracruz, México Coordinador del Laboratorio de Materiales Facultad de Ingeniería Civil, zona universitaria, cp. 91500 Tel: 228-8421756 [email protected], [email protected]

Dr. Demetrio Nieves Mendoza Universidad Veracruzana, Veracruz, México Coordinador de Posgrado Facultad de Ingeniería Civil, zona universitaria, cp. 91500 Tel: 228-8421756 [email protected] Ing. Ángel Lara Hernández Geoasfaltos S.A. de C.V. Director General Xalapa, Veracruz, Tel 228-8111809 [email protected]

Resumen En esta investigación se da seguimiento a un trabajo, en donde muestra una experiencia nueva obtenida y desarrollada en países de Sudamérica y que fue aplicada en el estado de Veracruz, en donde se describen los resultados de un nuevo sistema de mezclas Tibias. Considerando las implicancias ambientales en la fabricación de mezclas asfálticas en caliente se han desarrollado tecnologías para reducir estas temperaturas de trabajo de manera de generar significativos ahorros de energía, menores emisiones y mayor nivel de seguridad en obra. El sistema de Mezclas Tibias utiliza un aditivo especial fácil de mezclar en el asfalto en el orden de 0.2 a 0.5% y que no se modifica, además reduce hasta 45° de temperatura durante el proceso de mezclado y fabricación. La investigación se realizó mediante una serie de pruebas de laboratorio y de campo en un tramo de prueba durante, donde esta técnica muestra hasta el momento un buen desempeño de mezclado con temperaturas bajas y altas, estas mezclas se reducen hasta un 40 a 60°C de temperatura durante su fabricación con respecto la mezcla convencional, la investigación consiste en obtener un comportamiento mecánico de diferentes mezclas con asfalto modificado de granulometría tipo densa para ver su comportamiento a las deformaciones y estas comparadas con una que empleo una Mezcla Tibia. Los asfaltos en estudio incluyen también asfaltos modificados con polímeros y asfaltos convencionales, se elaboraron 5 mezclas, una tipo tibia y 4 con asfalto modificado. Se empleó un asfalto convencional para todas las mezclas tipo PG 76-22, por tal no se obtuvieron cambios en cuanto a este parámetro. El producto empleado mejoró la resistencia al agua o resistencia activa de las mezclas en estudio. Durante el estudio se analizaron a bajas y altas temperaturas, tanto en mezclas tibias como mezclas asfálticas convencionales, empleando los ensayos de la Rueda de Hamburgo y la Española, con la finalidad de evaluar 1

el comportamiento mecánico de una mezcla Tibia con respecto a una modificada con un asfalto y analizar su desempeño en pavimentación para un clima húmedo.

1.- Introducción En general las mezclas asfálticas pueden clasificarse por su rango de temperaturas de producción (mezclado), desde mezclas asfálticas en frío hasta las mezclas asfálticas calientes, tal como se esquematiza en la Figura 1, según A. Ulloa, unas mezclas asfálticas en frío (MAF): usualmente se mezclan a temperatura ambiente utilizando emulsiones o asfaltos espumados. Mezclas Asfálticas Semi-Tibias (MAST): producidas a temperaturas debajo de la temperatura de vaporización del agua a100°C.

Figura 1. Clasificación de las mezclas asfálticas por rango de temperaturas

Este tipo de mezclas asfálticas son productos que usualmente son mezclados y después tendidos a temperaturas cercanas a los 140°C o superiores si se trata de ligantes duros o modificados. La mezcla es calentada a esta temperatura o más con el fin de garantizar:   

Una envuelta correcta del esqueleto granular por la película de ligante asfáltico, gracias a la disminución de la viscosidad de éste al aumentar su temperatura; Elaborar una mezcla homogénea, gracias a la maleabilidad acrecentada del compuesto durante el tiempo de producción y; Realizar una compactación adecuada durante todo el proceso de tendido y compactación, gracias a la acción lubricante del ligante fluido.

Es de suma importancia visualizar los puntos críticos en la fabricación de mezclas asfálticas en caliente, es la temperatura necesaria para calentar los agregados y el asfalto es considerablemente alto. Este calentamiento no es solamente molesto, sino que también perjudicial para el medio ambiente. En efecto, el consumo de combustibles para calentar los constituyentes de la mezcla asfáltica, además del elevado costo, esto nos lleva a la emisión de contaminantes en la atmósfera productos de la combustión misma. Desde hace ya varios años, las mezclas asfálticas templadas son utilizadas en Europa y en el mundo. Se ha demostrado que el uso de estas mezclas permite reducir el consumo. Las Mezclas Asfálticas Tibias (MAT): son producidas por lo general a temperaturas en un rango entre 120°C a 140°C y que las Mezclas Asfálticas en Caliente (MAC) son producidas típicamente en un rango de 150°C a 180°C, de acuerdo al tipo de ligante empleado. A diferencia de las Mezclas Asfálticas Calientes (MAC) en donde se utilizan elevadas temperaturas en el mezclado y compactación, de las MAT buscan reducir estas 2

temperaturas aproximadamente en un 20%, lo cual permite disminuir considerablemente las emisiones de gases y polvo al medio ambiente durante el proceso de producción y colocación, sin que esto perjudique las propiedades de desempeño de la mezcla asfáltica. Por lo tanto en este trabajo se pretende mostrar algunas de las principales diferencias entre las mezclas asfálticas convencionales, empelando asfaltos modificados y las tecnologías de mezclas tipo MAT más utilizadas a nivel mundial, empleando la Rueda de Hamburgo y la Española, así como la forma en que estas pueden implementarse en nuestro país, considerando las ventajas y desventajas de su aplicación.

2.- Mezcla Asfáltica Tibia (MAT) Las mezclas asfálticas tibias (MAT) o también llamadas Warm Mix Asphalt (WMA)) son un conjunto de tecnologías desarrolladas en Europa durante el Tratado con Kyoto y la Comunidad Económica Europea en 1997, como una respuesta los gases del efecto invernadero. La National Asphalt Pavement Association (NAPA) en cooperación con la Federal Highway Administration (FHWA) introdujeron las MAT en el World Asphalt Show & Conference del 2004, en Nashville, TN, como aporte a estos problemas ambientales. El objetivo de estas tecnologías es bajar las temperaturas de trabajo, principalmente de compactación, Para ello existen diferentes técnicas que buscan reducir la viscosidad del ligante asfáltico y que pueden aplicarse tanto en mezclas continuas como discontinuas. Dichas técnicas se separan en tres categorías definidas como: 1. Disminuir la viscosidad utilizada en aditivos orgánicos. 2. Uso de Asfaltos espumados. 3. Empleo de aditivos químicos (emulsiones).

2.1.- Adición del producto al asfalto Las esferas pueden ser adicionadas de dos maneras: al tambor mezclador en forma sólida o bien pueden pre mezclarse con el asfalto antes de entrar al tambor; esta última es la más apropiada para obtener una distribución más mezclada,

2.2.- Resultados y limitaciones      

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

2.3.- Tecnologías en mezclas tibias Este tipo de tecnologías permiten producir mezclas tibias de dos formas, en la primera el asfalto espumado se inyecta en el tambor mezclador y en la segunda se adiciona agregado húmedo a la mezcla caliente. Utilizando el primer método de producción, el asfalto en su

3

estado espumado incrementa de 8 a 12 veces su volumen, lo que proporciona un recubrimiento adecuado de los agregados durante el mezclado. Este proceso implica algunas modificaciones de la planta con sistemas de doble tambor, donde uno de los tambores es giratorio y el otro se Mantiene estático, y el asfalto espumado es preparado en una cámara de expansión e inyectado a la mezcla mediante líneas de inyección hacia el interior del tambor. Además, con este tipo de tecnologías es posible dosificar material reciclado en la mezcla dado que las temperaturas de mezclado son menores.

2.4.- Comparación entre MAT y MAC Según estudios recientes realizados en Estados Unidos y algunos países de Europa, fue posible determinar:      

Reducción de las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) en comparación con mezclas asfálticas calientes Reducción las temperaturas de colocación y compactación en comparación con las temperaturas convencionales, Figura 2. Se obtienen resistencias al daño por humedad a la tensión diametral similares. •Presenta una mayor resistencia al fisuramiento por temperatura que las MAC. Mayor flexibilidad en la colocación y compactación de la MAT. Menores velocidades de enfriamiento, lo que permite distancias más largas de transporte. Las MAT pueden colocarse en climas fríos o en las noches donde baja más la temperatura del ambiente.

2.6.- Ventajas de la aplicación de mezclas asfálticas tibias La reducción de las temperaturas en las mezclas asfálticas, brindan enormes beneficios:       

Reducción en el uso de combustibles para la producción de mezclas asfálticas. Facilidad en la compactación de pavimentos asfálticos. Incremento en el uso de pavimentos reciclados (RAP) dentro de las mezclas. Mejor ambiente de trabajo para los operarios en sitio. Reducción o eliminación de gases y olores. Eliminación del envejecimiento prematuro del ligante asfáltico. Permite una apertura más rápida al tránsito.

El asfalto espumado se ha transformado en una excelente alternativa para la conservación de pavimentos asfálticos (reciclado) y construcción de caminos económicos (estabilización de caminos sin pavimentar), debido, principalmente, a su buen comportamiento, facilidad de construcción, compatibilidad con un amplio rango de tipos de agregados y ventajas energéticas. Por lo que una alternativa al uso de las mezclas asfálticas tradicionalmente utilizadas en el país, es la implementación de este tipo de mezclas asfálticas tibias; donde con algunas modificaciones en las plantas de producción existentes es posible obtener mezclas asfálticas que brindarían grandes beneficios y una importante reducción en los costos.

4

Figura 2. Proceso de mezcla con los agregados pétreos

Figura 3. Proceso de tendido de una MAC y una MAT

3.- Preparación de especímenes Todos los especímenes fueron fabricados en laboratorio de la Universidad Veracruzana y la empresa Geoasfaltos SA de CV, en la cual en todas las mezclas se diseño una sola granulometría densa y se empleo solo un agregado pétreo de un banco de la región de Xalapa, Veracruz, a este material se le realizaron todos los ensayos correspondientes de acuerdo a la normatividad mexicana, obteniendo las siguientes características representadas en la tabla 1.

Tabla 1. Características del agregado pétreo usado en el estudio Ensayos Realizados Desgaste de Los Ángeles, % Partículas alargadas, % Partículas lajeadas, % Partículas trituradas, % Absorción (agregado grueso), % Densidad (agregado grueso), gr./cm3 Equivalente de arena, %

Valor obtenido 28.6 12.5 13.5 100 1.8 2.42 60

Valor Especificado Norma mexicana 30 máx. 35 máx. 35 máx. No especificado No especificado 2.4 mín. 50 mín.

Como se ha mencionado, para todo el estudio, se empleo una sola granulometría, una sola mezcla densa, que sea más susceptible a las deformaciones permanentes, de tal manera 5

que resultará más fácil distinguir la diferencia entre el aporte a la resistencia a las deformaciones plásticas de los diferentes asfaltos utilizados en el estudio. La granulometría utilizada fue la establecida en la norma mexicana N·CMT·4·04/03 para una carpeta asfáltica de granulometría densa, para un número de ejes equivalentes menor de 1x106, con un tamaño máximo nominal de 19.0 mm a finos (3/4” - finos) y ajustada al límite superior. Es muy importante hacer mención, que para lograr el contenido de asfalto empleado en la mezcla densa, se realizo un estudio para optimizar el porcentaje de asfalto en la mezcla mediante el método Marshall. El contenido de asfalto en la mezcla fue constante e igual a 6.15% sobre el peso de los agregados en cada una de las mezclas estudiadas, y este fue definido mediante el ensayo Marshall, esto equivale a emplear 129 litros de asfalto por cada m3 de agregado pétreo.

3.1.- Proceso de fabricación de los especímenes Se fabricaron especímenes para ser ensayados en la Rueda de Hamburgo y en la Rueda Española, estos especímenes para su fabricación se realizaron con un peso de 1950 gr de material pétreo y 121.87 gr de cemento asfáltico, con el fin de que al realizar la compactación con el compactador giratorio se llegara a obtener una altura mínima de 50 mm y un diámetro de 15 pulgadas” aproximadamente. Para lograr una buen mezclado del pétreo con el asfalto, se realizo un calentamiento del pétreo al menos de 3 hrs a 150°C en horno, posteriormente se incorpora el asfalto a la temperatura de 160°C y se realiza la envuelta con una mezcladora electrica, finalmente se incorpora el filler; una vez homogeneizado, se introduce la mezcla al horno a una temperatura de 165°C por al menos 2 hrs. Finalmente el mezclado se hizo mediante un equipo mecánico y la compactación, se llevó a cabo con el equipo de compactación giratoria SHRP con un ángulo de giro de 1.25º, una presión de 600 KPa y un número de giros igual a 200. Se eligió este número de giros con el propósito de producir mezclas compactadas con un bajo porcentaje de vacíos (entre 5 y 6%), de tal manera que se asegurara que la mezcla no se deformaría en el periodo establecido de ensayo al tener una estructura granular compacta y bien formada, los valores obtenidos de las probetas se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Características volumétricas de las diferentes mezclas estudiadas Asfalto Mezcla Tibia Elvaloy EVAX Oxidado SBS

Densidad (promedio) 2.345 2.357 2.331 2.355 2.341

Vacíos (promedio) 4.5 5.5 5.5 6.0 6.0

4.- Resultados Obtenidos: Rueda de Hamburgo Tal como se mencionó anteriormente, los ensayos sobre las mezclas fabricadas con agregados provenientes de un solo banco “El Palmar”, con igual granulometría, mismo contenido de asfalto e idéntico equipo y parámetros de compactación, se llevaron a cabo en la rueda de Hamburgo a diferentes temperaturas bajo inmersión, en la cual los resultados se presentan en la tabla 3, se presentan los resultados obtenidos empleando la rueda de Hamburgo para las diferentes mezclas estudiadas en el laboratorio.

6

En la tabla 3 se puede apreciar los resultados obtenidos para la mezcla tibia y las mezclas con asfalto modificado. Se empleo la rueda de Hamburgo, esta fue desarrollada en Hamburgo, Alemania, en 1970 con la finalidad de ver el comportamiento de las mezclas asfálticas a las deformaciones plásticas; se realizaron los ensayos a una temperatura de 20, 30 y 50° bajo inmersión, aplicándole 20,000 ciclos a cada espécimen ensayado, se aplico una carga con una rueda de acero de 4.7 cm de ancho y 20.36 cm de diámetro que se mueve hacia adelante y hacia atrás a una velocidad aproximada de 34 mm/seg, (53 pasadas por minuto), aplicando una carga de 705 N sobre el espécimen sumergido en agua, finalmente el ensayo termina hasta que se presenta una máxima deformación de 30 mm o transcurran los 20,000 ciclos que marca el ensayo. ASFALTO VS TIEMPO: 20000 CICLOS 25 OXIDADO

20 D e f o 15 r m a c 10 i ó n 5 m m

ELVAX ELVALOY TIBIA SBS

0 20

30 Temperatura ºC

50

Figura 4. Comportamiento de las mezclas ensayadas en la rueda de Hamburgo, 20,000 ciclos

En la figura 4 se aprecia las diferentes mezclas ensayadas a diferentes temperaturas aplicando el máximo número de ciclos (20,000), en la curva Asfalto Vs Tiempo se aprecia lo siguiente: La mezcla Tibia (MAT), presenta la mayor deformación a temperaturas de 20, 30 y 50°C que el resto de ellas, sin embargo las mezclas en las que se empleo el asfalto modificado con polímeros sus valores oscilan entre 2 y 4 mm a una temperatura de 20°C, teniendo un ligero incremento a los 30°C, sin embargo al pasar a los 50°C, estas cambian su comportamiento, las mezclas fabricadas con Elvax y Oxidado tienen la misma tendencia al pasar de 30 a 50°C, es decir su deformación pasa de los 3 hasta los 4 mm, por tal su deformación es muy notoria, en cuanto a las mezclas en las que se empleo asfalto modificado con Elvaloy y SBS, estas tiene un comportamiento mejor que del resto, es decir; la mezcla fabricada con SBS tiene una deformación mínima a las temperaturas de 20 y 30°C y un ligero incremento a los 50°C teniendo una deformación máxima de 6 y 9 mm, en cuanto a la mezcla fabricada con Elvaloy sus deformaciones que se presentan a los 20 y 30 °C son del orden de 2.8 y 4.7 mm respectivamente y a los 50°C su deformación máxima es de 9.5 mm. Por tal se puede concluir que la mezcla tibia tiene una deformación muy elevada de 18 mm a 50ºC y la mezcla con SBS tiene una deformación mínima de 5.8 y esta presenta un mejor comportamiento de las cinco mezclas analizadas mediante la rueda de Hamburgo. El objetivo de los ensayos con la rueda Española es la determinación de las diferencias entre mezclas fabricadas con las mismas características solo con diferentes asfaltos, para el 7

estudio efectuado se consideraron como válidos los parámetros establecidos en la norma española NLT-173, donde se establece que una frecuencia de paso de la rueda igual a 42 2 pasadas por minuto, una presión de contacto entre la rueda y el espécimen de 9 kg/cm y temperatura de ensayo de 60° C , de acuerdo al diseño establecido por el método SUPERPAVE. Ésta temperatura fue considerada dentro de los ensayos para verificar si los resultados obtenidos por la caracterización reológica de los asfaltos representan el comportamiento de la mezcla, además de que se puede establecer una diferencia entre la susceptibilidad de las diferentes mezclas (asfaltos modificados) ante los cambios de temperatura. En las figuras 7, 8, 9 y 10 presentan los resultados obtenidos para cada uno de los asfaltos empleados, en donde se aprecia de forma muy clara el comportamiento mecánico de cada una de las mezclas ensayadas con asfalto modificado con respecto a la mezcla tibia, en la cual para todos los casos se puede apreciar que existe una mayor deformabilidad en milímetros cuando se emplea la mezcla Tibia.

Figura 5. Comportamiento de una mezcla con asfalto oxidado Vs MAT

Figura 6. Comportamiento de una mezcla con asfalto AC-20 Vs MAT

8

Figura 7. Comportamiento de una mezcla modificada con Elvax Vs MAT

Figura 8. Comportamiento de una mezcla modificada con Elvaloy Vs MAT

Se observa el comportamiento de las mezclas estudiadas empleando una mezcla tibia contra una mezcla modificada con polímero, empleando la rueda española, en donde las deformaciones para la mezcla Tibial, esta se deformo rápidamente al paso del tiempo, sin embargo las mezclas en las que se utilizo asfalto modificado, su comportamiento fue diferente, es decir la deformación máxima que se presento a los 120 minutos fue de 55 mm para la mezcla Tibia y la más baja fue de 30 mm para la mezcla con Elvaloy, en la tabla 3 se presenta el ranking de cada una de las mezclas para la rueda de Española.

Tabla 3. Deformación máxima de las mezclas, Rueda Española a 25 °C Tipo de Mezcla Mod. Elvaloy AC-Oxidado Mod. Elvax Mezcla Tibia

Deformación Máxima (mm) 30 43 54.5 59

Ranking 1 2 3 4

5.- Relación entre deformaciones permanentes evaluadas con la rueda de Hamburgo y Española Los ensayos de reología, rueda de Hamburgo y la rueda Española se realizaron completamente por separado, el único punto en común es que se utilizaron diferentes asfaltos y una misma granulometría. Se trabajó con este fin y de tal manera con un propósito de introducir la mayor objetividad a la investigación. La información presentada en

9

este documento fue los resultados obtenidos en la reologia de los asfaltos, así como la descripción y presentación de los resultados obtenidos de las deformaciones permanentes empelando la rueda de Hamburgo y la Española, para ambos apartados se ha concluido con un ranking de los resultados obtenidos, se han clasificado los asfaltos y las mezclas de mejor a peor comportamiento. También al inicio de este artículo se menciono el método de caracterización reológica de asfaltos propuesto por SUPERPAVE. Este hecho también se comprobó con las mezclas ensayadas en la rueda de Hamburgo y la rueda Española. Se puede apreciar en los resultados mostrados en las tabla 3, que dos de las mezclas (las fabricadas con Elvaloy y con Elvax), son las que mejor se comportan, es decir no muestran una evidente falla de la mezcla y la mezcla tibia es la que obtuvo mayor deformabilidad.

6.- Conclusiones Una vez concluido la investigación que se resume en este artículo, ha sido posible llegar a las siguientes conclusiones: 1. Existe una buena correlación entre la información proporcionada por los métodos de caracterización reológica de asfaltos y la deformación observada en la rueda de Hamburgo y la rueda Española para las mezclas fabricadas con los mismos asfaltos. 2. Se confirma con el comportamiento de las Mezclas Asfálticas Tibias MAT, evaluadas con la rueda de Hamburgo y Española sus valores son más elevados que las mezclas Asfálticas Modificada, MAM. 3. En cuanto a las mezclas ensayadas con asfalto modificado, las mezclas que presentaron mejores valores a las deformaciones fueron aquellas en donde se empleo el Elvaloy y Elvax.

7.- Bibliografia 1. Antecedentes de los métodos de ensayo de ligantes asfálticos de SUPERPAVE. Traducción de la versión en inglés del Instituto Panamericano de Carreteras. Documento editado por el Asphalt Institute de los Estados Unidos. 1998. 2. Padilla, Alejandro. Tesina de posgrado: Análisis de la resistencia a las deformaciones plásticas de las mezclas bituminosas densas de la normativa mexicana mediante el ensayo de máquina de pista. Universidad Politécnica de Cataluña. Julio 2004. 3. Lavin, Patrick. Asphalt Pavements, A practical guide to design, production and maintenance for engineers and architects. Spon Press, 2003. 4. S. Angelone, F. Martínez, Deformaciones Permanentes, Laboratorio Vial, Instituto de mecánica y estructuras, Universidad Nacional de Rosario, Arg.

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INFLUENCIA DEL ASFALTO MODIFICADO EN MEZCLAS CON DIFERENTES GRANULOMETRÍAS, EVALUADAS CON LOS ENSAYOS A TRACCIÓN INDIRECTA Y RESISTENCIA AL DESGASTE Autor correspondiente Dr. Saúl Castillo Aguilar Universidad Veracruzana Coordinador del Laboratorio de Materiales Facultad de Ingeniería Civil, zona Universitaria, CP. 91500 Xalapa, Veracruz, México Tel: 01 228 8421756 [email protected], [email protected] Dr. Gilbert Francisco Torres Morales Centro de Ciencias de la Tierra Universidad Veracruzana Xalapa, Veracruz, CP 91190 Tel: 01 228 8421700 ext 12637 [email protected]

I. RESUMEN Este trabajo de investigación muestra un estudio sobre la influencia que tienen los diferentes ligantes asfalticos modificados en diferentes mezclas asfálticas con granulometría diferentes, empleando los ensayos de tracción indirecta y resistencia al desgaste, para llegar a conocer su comportamiento mecánico de cada una de las mezclas analizadas y estudiadas en el laboratorio de materiales de la facultad de ingeniería de la Universidad Veracruzana. Se analiza en el laboratorio cada uno de los ensayos mencionados para cada tipo de mezcla que contiene el mismo agregado, mismas granulometría, contenido de asfalto, tipo de compactación, energía de compactación, misma temperatura de compactación y curado; variando solo los tipos de asfaltos convencionales y modificados con polímeros tal como: AC-20 convencional, asfalto Oxidado, Modificado con Elvax, Elvaloy y SBS, se determinaron sus características geométricas y volumétricas de todos los especímenes empleados para cada mezcla, compactados con el mismo equipo (Compactador Marshall) y fabricados a una misma temperatura (165 °C), así como el curado en condiciones normales, de acuerdo a la norma mexicana. Se realizan los ensayos a cada una de las probetas empelando el ensayo de tracción indirecta a una temperatura de ensayo de 5°C, en condiciones en seco y húmedo, finalmente para las resistencias al desgastes se obtendrán a una temperatura de 25°C en condiciones en seco y húmedo. Por último se demostrará que al usar una mezcla con asfalto convencional y un modificado. También se destaca, la gran importancia que tiene la temperatura de compactación, el tipo de granulometría, el tipo y cantidad de asfalto. Finalizando con un análisis comparativo de cada una de las mezclas modificadas con diferente granulometría.

II. INTRODUCCION Una de las principales funciones de un pavimento asfálticos es de portar al usuario características estructurales y funcionales, son de suma importancia para garantizar su resistencia, durabilidad, confort y seguridad durante su periodo de servicio Las mezclas asfálticas utilizadas en la construcción de carreteras deben conseguir parámetros de calidad para su diseño. El control de calidad sobre el producto fabricado suele realizarse mediante varios métodos de diseño; tal como, el ensayo Marshall, el ensayo tracción indirecta y resistencia al desgaste, extrayendo una muestra de la planta asfáltica o también extrayendo una muestra del pavimento. Sin embargo, la calidad final del producto de la mezcla extendida y compactada, solo se controla mediante la extracción de testigos de obra, para la determinación de su densidad y comparación respecto a su densidad patrón. Se dice que durante el proceso de transporte, extendido y compactación pueden producirse algunas irregularidades, como: escurrimiento del asfalto, segregación del pétreo grueso, trituración o machaqueo del material y el enfriamiento de la mezcla; y que pueden influir en la calidad final de la mezcla y consecuentemente en su comportamiento durante su vida útil de servicio. Uno de los factores citados que pueden producirse durante el transporte, extendido y compactación de la mezcla asfáltica, es el estudio de la influencia que tiene la temperatura de compactación en su desempeño. En esta investigación se obtuvieron los valores sobre 5 tipos de cementos asfálticos empelados en las mezclas con granulometría Densa, Semidensa y Abierta, donde se emplearon diferentes asfaltos: uno convencional y cuatro modificados con diferentes polímeros y finalmente se ensayaron a Tracción Indirecta y Resistencia al Desgaste (Ensayo Cantabro), sobre probetas fabricadas y compactadas a una sola temperatura. Es importante mencionar que no existe un control sobre la temperatura a la que se compactan las mezclas asfálticas, ya que solo se menciona que la compactación debe concluirse antes de que la mezcla alcance una temperatura por debajo del los 110 ºC. Este criterio de aceptación es objeto de controversias debido a que se ha demostrado a través de varias investigaciones, que el cumplimiento de la densidad, no garantiza el buen comportamiento de la mezcla asfáltica. III. ANTECEDENTES Nuestro país es uno de los líderes en producción a nivel mundial de petróleo y a su vez por la altísima cantidad de cemento asfáltico que produce, ha convertido a las mezclas asfálticas en la principal opción para la pavimentación de carreteras. Pues bien, los concretos asfálticos son mezclas elaboradas en plantas fijas y móviles, continuas y discontinuas, en donde se calientan los agregados y el asfalto, para posteriormente mezclarse. Para el diseño de las mezclas asfálticas, el método más usado en México es el Marshall, desarrollado en 1943, el cual determina el porcentaje óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. Con relación a los controles de calidad que se realizan en el proceso de colocación y compactación de la mezcla, la normativa mexicana para la aprobación o rechazo de una carpeta asfáltica en caliente, se limita principalmente a asegurar la densidad de la mezcla asfáltica compactada sea como mínimo el 95% de la densidad promedio de las probetas elaboradas en el laboratorio y el proceso de compactación debe concluirse antes que la mezcla alcance una temperatura muy baja. Este criterio de aceptación es objeto de controversias debido a que se ha demostrado a través de investigaciones, que su cumplimiento no garantiza los criterios

que se establecen en la norma referente a los parámetros mecánicos de estabilidad, flujo, cohesión ó algún otro parámetro mecánico, que debe tener la mezcla compactada. Tomando en cuenta la naturaleza de la mezcla asfáltica por su condición de material viscoso; propiedad que se introduce en la mezcla por la presencia del cemento asfáltico, resulta de suma importancia controlar y verificar de modo permanente durante todo el proceso la temperatura de la mezcla, debido a que el asfalto es un material termoplástico, por lo que su consistencia varía en mayor o menor grado con la temperatura. IV. EVALUACIÓN DE LOS ASFALTOS MODIFICADOS Otra de las investigaciones realizadas en el laboratorio, fue la caracterización reológica de asfaltos modificados con polímeros. Se realizó la caracterización de un asfalto convencional AC-20 de Salamanca y 4 modificados con diferentes polímeros y cuyos ensayos se representan en la tabla 1. Tabla 1.- Análisis de laboratorio de los asfaltos empleados Tipo de Prueba

Penetración a 25°C 100 gr 5 seg (1/100 mm) Penetración 4°C 200 gr 60 seg (1/100 mm) Punto de Reblandecimiento 5°C/min (°C) Viscosidad Brookfield a 135 °C

AC-20 Salamanca

AC-20 Oxidado

Mod. Elvax

Mod. Elvaloy

Mod. SBS

70 28 48 369

41 56 12 743

53 57 22 832

45 26 65 1829

42 61 62 1348

Posteriormente a esto, se procedió a realizar las pruebas correspondientes a los asfaltos, sobre la película delgada mediante el equipo RTFO, donde se obtuvieron los resultados de los cinco asfaltos empleados en el estudio y que fueron empleados en cada una de las mezclas en estudio. Presentando sus características en la tabla 2. Tabla 2.- Análisis de los asfaltos del residuo de la película delgada RTFO AC-20 AC-20 Mod. Mod. Tipo de Prueba Perdida de masa por calentamiento a 163°C (%) Penetración a 25 °C 100 gr 5 seg (1/100 mm) Penetración a 4 °C 200 gr 60 seg (1/100 mm) Punto de Reblandecimiento 5 °C/min (°C) Viscosidad Brookfield a 135 °C Penetración Retenida a 25 °C (%) Penetración Retenida a 4°C (%) Grado de desempeño PG Temperatura de falla [G*/sen δ = 2.2 KPa] Mód. Reológico Corte Dinámico PG [G*/sen δ] (KPa) Angulo de Fase (δ) a PG (°)

Salamanca

Oxidado

Elvax

Elvaloy

Mod. SBS

0.68 31 20 56 643 44 71 64 67.99 3.63 81.08

0.51 24 19 65 2222 59 69 76 78.98 3.02 70.94

0.20 24 20 66 1571 45 73 76 80.31 3.41 73.76

0.44 28 16 75 4334 63 61 76 81.92 3.52 59.11

1.37 26 17 70 2301 62 68 76 80.4 2.94 69.34

V. PREPARACION DE ESPECIMENES Todos los especimenes fueron fabricados en laboratorio de la Universidad Veracruzana por estudiantes que realizan sus Tesis de licenciatura y posgrado, en la cual se emplearon tres tipos de granulometría, Una Densa, Una Semidensa y una Abierta, empleando un solo tipo de material pétreo de un banco de la región de cercano a la Ciudad de Xalapa, Veracruz, a este material se le realizaron todos los ensayos correspondientes de acuerdo a la normatividad mexicana, obteniendo las siguientes características representadas en la tabla 3.

Tabla 3. Características del agregado pétreo usado en el estudio Valor obtenido Valor Especificado Norma mexicana Desgaste de Los Ángeles, % 28.6 30 máx. Partículas alargadas, % 17.5 35 máx. Partículas lajeadas, % 12.5 35 máx. Partículas trituradas, % 100 No especificado Absorción (agregado grueso), % 1.7 No especificado Densidad (agregado grueso), ton/ cm3 2.32 2.4 mín. Equivalente de arena, % 69 50 mín. Ensayos Realizados

La granulometría utilizada fue la establecida en la norma mexicana N·CMT·4.04/01, 4.04/02 y 4·04/03 para una carpeta asfáltica de granulometría densa, semidensa y abierta para un número de ejes equivalentes menor de 1x106, con un tamaño máximo nominal de 19.0 mm y ajustada al límite superior. El contenido de asfalto en la mezcla fue constante e igual a 6.25%, 6.15% y 5.75% respectivamente sobre el peso de los agregados en cada una de las mezclas estudiadas, y este fue definido mediante el ensayo Marshall. VI.1. Proceso de Fabricación Se fabricaron especimenes para ser ensayados a tracción indirecta y resistencia al desgaste, estos especímenes para su fabricación se realizaron con un peso entre 1000 a 1150 gr de material pétreo y 65.5 hasta 62.5 gr de cemento asfáltico, con el fin de que al realizar la compactación con el equipo Marshall, esto con el fin de llegar a obtener una altura minima de 50 mm y un diámetro de 4” (10.1 cm) aproximadamente. Para lograr una buen mezclado del pétreo con el asfalto, se realizo un calentamiento del pétreo al menos de 2 hrs a 150°C en horno, posteriormente se incorpora el asfalto a la temperatura de 155 y 165 °C y se realiza la envuelta con una mezcladora, finalmente se incorpora el filler. Finalmente el mezclado se hizo mediante un equipo mecánico y la compactación con equipo Marshall aplicando 75 golpes por cara con el propósito de producir mezclas compactadas con un bajo porcentaje de vacíos según el tipo de mezcla, con el fin de obtener estas propiedades en condiciones seco y húmedo. Finalmente, con la compacidad y el contenido de cemento asfáltico óptimos, hacer un análisis comparativo de los resultados obtenidos Esta investigación se plantea principalmente para estudiar el comportamiento mecánico de diferentes mezclas asfálticas de graduación Densa, Semidensa y Abierta para ver la resistencia que se producen a Tracción Indirecta y el ensayo Cántaro aplicando a las mezclas un porcentaje de de ligante (cemento asfáltico normal y modificados) antes mencionado y una misma compacidad. Los objetivos principales que se plantean en esta investigación son los siguientes: 1. 2. 3. 4.

Estudiar el comportamiento mecánico de las diferentes mezclas contempladas en el trabajo. Estudiar el comportamiento mecánicos de cada uno de los asfaltos al ser sometidos a diferentes ensayos. Realizar un análisis comparativo de este estudio para cada uno de los ensayos y evaluar aquellas mezclas que tiene el mejor comportamiento mecánico. Obtener valores medios de resistencia a tensión indirecta y desgaste, de cada una de las mezclas asfálticas de cada una de las granulometrías empleadas y realizar un análisis comparativo entre ellas.

VI.2 Equipos y aparatos para el ensaye El Ensayo de tracción indirecta se emplea una prensa servo hidráulica, en la cual se aplica la velocidad Marshall (50.8 mm/min), aplicando una carga sobre distribuida sobre una barras de acero (fig. x), los módulos de resiliencia se obtienen con una prensa de carga dinámica, aplicando cargas que oscilan entre 100 y 120 kg y que oscilan entre 0.33, 0.5 y 1 Hz y finalmente el ensayo Cantabro desarrollado, se realiza con probetas tipo Marshall introducidas en el cilindro de Los Ángeles, sin esferas, se mide la perdida (en peso) del material después de 300 vueltas del cilindro, dando como resultado el porcentaje en peso del material desprendido respecto al original antes del ensayo.

Figura 1.- Ensayos realizados, a) tracción indirecta b) probeta ensayada c) Equipo

Las probetas se fabrican con el compactador giratorio y con un pisón y molde Marshall: Este equipo se utiliza para la elaboración de probetas aplicando una compactación dinámica de 75 golpes/cara para después ser ensayadas en la prueba de desgaste. Los moldes que se emplean para elaborar los especimenes tienen un diámetro interior de 10.1 cm y una altura de 8.7 cm. El molde tiene una extensión a collarín de 6.98 cm y una placa metálica estándar para apoyar el molde. Para elaborar las probetas, previamente al momento de la mezcla el agregado pétreo y el cemento asfáltico deben mantenerse a una temperatura mínima de 120ºC y así, realizar un mezclado homogéneo entre dichos agregados. Se vierte la mezcla en el molde y con el compactador giratorio o el pisón se aplica la compacidad indicada. Se emplea un cilindro de los Ángeles V. ANALISIS DE RESULTADOS V.1. Resultados a Tensión Indirecta A continuación se presentan los resultados obtenidos de cada una de las mezclas estudiadas y analizadas en el laboratorio, en la cual se emplearon dos condiciones de ensayos, en seco y en húmedo, el ensayo se realizo a una temperatura de 5°C. En la tabla 4, los valores que se presentan son el producto de realizar al menos 6 especimenes por cada una de las mezclas en el estudio, cabe mencionar que el procedimiento de curado fue el siguiente: 3 días a temperatura ambiente las de condiciones en seco y las de en húmedo, después de este proceso se dejaron bajo inmersión al menos 4 hrs a 60°C, finalmente todas reintrodujeron a una temperatura de 5°C al menos 4 horas para que finalmente se realizara el ensayo.

Resistencias a Tensión Indirecta

35

Resistencias en kg/cm2

30

25

20

15

10 SECO HUMEDO

5

0 AC20

OX

ELVAX

ELVALOY

SBS

Tipo de Cemento Asfáltico

Figura 2.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Densa

En la figura 2 se puede apreciar de forma muy clara el comportamiento de cada una de las mezclas estudiadas con diferentes tipos de asfaltos convencional y modificados, donde tenemos dos curvas, una representa los resultados en seco y la otra en húmedo, por tal los valores obtenidos en seco son aquellos que tienen mayor resistencia, la mezcla que solo contiene AC-20 de Salamanca, es la que tiene valores más bajos que oscilan entre 26.56 y 22.68 kf/cm2, sin embargo las mezclas que se empleo un asfalto modificado con polímero son las que tienen mejores resistencias a la tracción indirecta, teniendo un mejor comportamiento la mezcla con Elvaloy, ya que sus valores oscilan en seco y húmedo, entre 32.1 y 28.14 kg/cm2 respectivamente, sin embargo es muy importante mencionar que el incremento de las resistencias de las mezclas asfálticas con asfaltos modificados, son mayores que la que tiene solo asfalto convencional.

Figura 3.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Semi abierta

Figura 4.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Abierta

Figura 5.- Tendencia de los valores obtenidos en las cada una de las mezclas

V.2. Resultados de Resistencia al Desgaste En cuanto a valores de desgaste (ensayo cantabro) para cada una de las mezclas en estudio, a estas se les realizo el ensayo a diferentes temperaturas (-5, 5, 25 y 40 °C) con el fin de conocer su comportamiento mecánico, cabe hacer mención que se ensayaron tres probetas por cada temperatura, obteniendo lo siguiente: Se aprecia en la tabla 4 cada uno de los resultados promedio obtenidos para cada temperatura y para cada una de las mezclas ensayadas.

Tabla 4.- Resultados obtenidos de resistencias al desgaste: Mezcla Densa Temperatura

AC-20

OXIDADO

ELVAX

ELVALOY

SBS

-5

2.66

2.47

2.26

3.48

4.81

5

3.97

3.76

3.45

3.7

6.12

25

11.96

8.27

6.98

12.3

15.18

40

33.55

29.87

29.28

28.66

30.46

Figura 6.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Densa

Tabla 5.- Resistencias desgaste de mezclas asfálticas: Mezcla Semi abierta Temperatura

AC-20

OXIDADO

ELVAX

ELVALOY

SBS

-5

7.14

7.05

5.45

7.12

5.85

5

10.25

9.45

8.47

7.95

6.5

25

16.31

13.45

10.5

12.5

9.5

40

35.6

33.2

28.9

27.8

25.1

Figura 7.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Semi abierta

Tabla 6.- Resultados obtenidos de resistencias al desgaste: Mezcla Abierta Temperatura

AC-20

OXIDADO

ELVAX

ELVALOY

SBS

-5

15.6

13.2

11.2

9.45

8.9

5

17.5

16.5

14.5

11.9

12.3

25

21.5

19.5

17.5

15.6

16.9

40

46.1

41.2

38.1

32.2

29.9

Figura 8.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Abierta

En las figuras 6, 7 y 8 se aprecian de forma muy clara el comportamiento de las mezclas estudiadas en el laboratorio, todas las curvan tienen un comportamiento

similar, sin embargo sus valores son diferentes, las curvas de la mezcla con AC-20 sus resistencias al desgaste son más elevadas en todas las temperatura con respecto a las demás mezclas, esto significa que tienen baja cohesión y que el desprendimiento de los agregados pétreos es más alto, por otro lado se puede apreciar que la curva que tiene resistencia más bajas o mejor cohesión es que en la que se empleo un asfalto Oxidado sobre todo a temperatura muy bajas, teniendo un incremento de resistencia a temperatura altas, también se puede apreciar que la mezcla con Elvaloy a temperaturas altas tiene una mejor cohesión lo cual significa que su resistencia al desgaste no sea muy elevada. También se aprecia que las mezclas que se empleo asfalto modificado a temperatura de 40°C, sus valores son muy similares, lo cual puede decirse que tiene una mejor cohesión.

VI. RELACIÓN ENTRE LOS ENSAYOS REALIZADOS Los ensayos de tracción indirecta, resistencia al desgaste y módulos de resiliencia se realizaron completamente por separado, el único punto en común es que se utilizaron los mismos asfaltos y la misma granulometría. Se trabajó con este fin y de tal manera con un propósito de introducir la mayor objetividad a la investigación. La información presentada en este documento fue los resultados obtenidos en la reología de los asfaltos, así como la descripción y presentación de los resultados obtenidos de la cohesión de cada una de las mezclas, mediante los ensayos ya mencionados, para estos tres ensayos se ha concluido con un rankin de los resultados obtenidos, se han clasificado los asfaltos y las mezclas de mejor a peor comportamiento. Se puede apreciar en los resultados mostrados en las tabla 7 el rankin que obtienen las mezclas sobre cada ensayo realizado, por tal se aprecia que su comportamiento no es igual en ningún ensayo, por tal se puede predecir que la cohesión de las mezclas son diferentes, esto puede influir en el tipo de compactación, temperatura de fabricación y temperatura de ensayo y mezclado. Tabla 7. Rankin de las mezclas de acuerdo al ensayo realizado Tipo de Mezcla Tensión Indirecta Resistencia al desgaste Mod. resiliencia

Mod. Elvaloy Mod. S B S AC-Oxidado Mod. Elvax AC-20 Salamanca

1 2 4 3 5

2 1 4 3 5

2 1 4 3 5

VII. CONCLUSIONES Una vez concluido la investigación que se resume en este artículo, ha sido posible llegar a las siguientes conclusiones: 1. Existe una buena correlación entre la información proporcionada por los métodos de caracterización reológica de asfaltos y la cohesión presentada en cada uno de los ensayos realizados, tracción indirecta y resistencia al desgaste. 2. Se confirma con el comportamiento de las mezclas asfálticas con asfalto convencional o modificado son muy similares en cada una de las mezclas ensayadas. 3. En cuanto a las mezclas ensayadas con asfalto modificado, estas presentaron mejores valores son aquellas en las que sus valores a tracción indirecta y resistencia al desgaste, fueron aquellas en donde se empleo el Elvaloy y SBS.

4. Cuando se eleva la temperatura de fabricación, de 155 a 165 °C el incremento no es mayor del 25%. 5. Los ensayos realizados a las mezclas con asfalto modificado con polímero, indican que la cohesión de cada una de ellas es muy bueno en relación a mezclas cunado se emplea un asfalto normal. VII.- BIBLIOGRAFÍA 1. Normas NLT I. Ensayos de carreteras CEDEX, 1992: NLT-346/96. Resistencia a compresión diametral (ensayo brasileño 2. Perfomance Tests for Hot Mix Asphalt (HMA). ASTM. STP 1469 3. Placement and Compaction of Asphalt Mixture. F.T. Wagner. ASTM. STP 829. 1982. 4. SUPERPAVE “Antecedentes y métodos de ensayos asfálticos y mezclas asfálticas”. ASPHALT INSTITUTE. 1998. 5. Tesis Doctoral “Técnicas y Metodologías empleadas en el diseño y construcción de una mezcla mixta reciclada con cemento y emulsión” S. Castillo Aguilar, R. Miro, F. Pérez. Barcelona, España. 1999.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO ASOCIACIÓN MEXICANA TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO DEL ASFALTO, A.C.

OCTAVO CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO “MEZCLAS ASFALTICAS EN FRIO BAJO EL PROTOCOLO AMAAC” ING. VICTOR M. CINCIRE ROMERO A. Gerente de Proyectos SemMaterials México [email protected]

RESUMEN Es evidente la necesidad que existe en nuestro país de retomar el uso de las mezclas asfálticas en frío, con nuevas tecnologías que permitan obtener el desempeño solicitado de este tipo de aplicaciones, principalmente en regiones de media a alta precipitación pluvial, zonas alejadas y donde en años anteriores se sustituyó su uso por mezclas en caliente que han presentado pobres desempeños debido a las dificultades para su producción y colocación en condiciones adversas de clima, complicaciones para el traslado de equipos o grandes distancias de acarreo de las mezclas. Las Dependencias de Gobierno dedicadas a la construcción y conservación de la red carretera nacional han hecho patente esta necesidad, sobre todo aquellas que administran un alto porcentaje de la red que se ubica en zonas con las características señaladas y que representan un alto porcentaje del territorio nacional. Para atender la necesidad del uso de mezclas asfálticas en frío, la AMAAC está desarrollando dentro del Protocolo de Emulsiones el documento de mezclas asfálticas en frío, a manera de prácticas recomendadas. Las recomendaciones se podrán ajustar en función de las condiciones específicas de cada proyecto, integrando la experiencia local para generar especificaciones particulares que satisfagan las necesidades de la obra. La recomendación de mezclas asfálticas en frío de la AMAAC, proporciona los criterios de uso actual, incluyendo metodologías de diseño, construcción y especificaciones con los avances más recientes en el ámbito nacional e

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

internacional y está orientada a servir como una herramienta que contribuya al buen uso de estas tecnologías. En este trabajo se presentan los principales aspectos a los que se debe prestar atención en los procesos de diseño y construcción para obtener mezclas asfálticas en frío que satisfagan los requisitos del protocolo AMAAC y tengan el desempeño esperado de las mezclas diseñadas y construidas bajo este concepto. ANTECEDENTES En México, las mezclas asfálticas con emulsión se utilizan desde la década de los 60´s. Tradicionalmente se usaron para caminos de mediano y bajo tránsito y tuvieron un gran auge en los 90´s. Sin embargo su uso disminuyó considerablemente en la última década, ya que en muchos casos no se obtenían los resultados esperados, por factores como el uso de emulsiones no formuladas correctamente para cada proyecto específico, procedimientos constructivos deficientes, diseños de normativa limitados y escasos controles de calidad. Lo anterior contribuyó al incremento de aplicaciones de mezcla en caliente en caminos secundarios que también han presentado deficiencias por la producción de mezclas de mala calidad, largos traslados de mezcla y obras localizadas en zonas de alta precipitación pluvial que afectan su construcción y desempeño al aplicarse a temperaturas menores de las recomendadas o en presencia de lluvia, retrasando también los periodos de ejecución. Sin embargo la actual situación mundial con respecto al agotamiento de recursos naturales, la alta emisión de gases de efecto invernadero y el alto consumo energético en la construcción y mantenimiento de pavimentos, requieren considerar tecnologías eco-ambientales y sustentables. Esto ha impulsado el desarrollo y uso de técnicas innovadoras de emulsiones y aditivos que permitan aplicaciones de mayor calidad y optimizar el consumo energético diferenciado por rangos de temperatura de aplicación como se muestra en la figura 1. De esta manera, se propició que la Asociación Mexicana del Asfalto (AMAAC) estableciera el comité técnico de emulsiones para desarrollar un protocolo que sirva como propuesta de guía y prácticas recomendables en el uso de las emulsiones para las diferentes aplicaciones tanto de mantenimiento como de

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construcción de pavimentos, para contar con herramientas y especificaciones que faciliten la toma de decisiones en la selección del tipo de mezcla más adecuado para un proyecto específico. Se espera que en la industria se mantenga siempre la ética de hacer las cosas bien y con un alto nivel de calidad, apoyándose en el conocimiento y experiencia de empresas líderes y con el soporte de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes y el Instituto Mexicano del Transporte.

Figura 1.- Clasificación de las mezclas asfálticas en base a su temperatura de aplicación

MEZCLAS EN FRIO DE ALTO DESEMPEÑO Las mezclas asfálticas en frío de alto desempeño de granulometría densa, son aquellas que se elaboran en planta mezcladora de dosificación controlada y automatizada, con materiales como emulsión asfáltica (que puede ser convencional o modificada), agregado pétreo, o material recuperado RAP, agua y aditivos cuando se requiera (promotores de adherencia, fillers, fibras, etc.), en las proporciones adecuadas, para que cumplan con los requerimientos especificados en el diseño, como se resume en la figura 2.

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Mezcla en frío de alto desempeño Calidad de agregados similar a una mezcla en caliente Uso de emulsiones especiales Diseño especializado Elaboración con planta

Figura 2. Mezcla en frío de alto desempeño

BENEFICIOS Las mezclas en frío de alto desempeño presentan los siguientes beneficios comparados con las mezclas en caliente: 1. En el proceso de mezclado se evita la oxidación del asfalto debido a que la mezcla con emulsión se produce a temperaturas cercanas a la ambiente. 2. No existen inconvenientes relacionados con la temperatura de aplicación, por lo que se pueden incrementar las distancias de acarreo. 3. Debido al uso de tensoactivos que se utilizan para emulsionar el asfalto, presentan mejor afinidad ligante-agregado. 4. Estas mezclas son aplicables incluso en temporada de lluvias, ampliando los periodos de ejecución. 5. Se pueden almacenar a temperatura ambiente. 6. Típicamente la producción de mezcla en caliente consume 275 MJ/ton con respecto a las mezclas en frio que consumen 14 MJ/ton, lo cual genera un ahorro de energía en el proceso de construcción de pavimentos. 7. Reducción en la emisión de gases de efecto invernadero, ya que las mezclas en caliente típicamente emiten 22 Kg CO2/ton, mientras que las mezclas en frío emiten 1 Kg CO2/ton. 8. Desarrollan Módulos elásticos similares a los de mezclas en caliente. 9. Presentan mayor flexibilidad (son auto-reparables). LIMITACIONES En virtud de que las mezclas asfálticas con emulsión curan gradualmente en el tiempo por su contenido de humedad, la resistencia se

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desarrolla progresivamente. Sin embargo, con el objetivo de reducir los tiempos de ruptura de la emulsión y curado y cohesión de la mezcla se han desarrollado emulsiones especiales que permiten utilizar menores contenidos de humedad e incrementar la cohesión inicial. El uso de aditivos como el cemento Portland en conjunto con la emulsión asfáltica también permite incrementar dicha cohesión. En la actualidad también se están desarrollando micro-emulsiones (emulsiones con tamaño de partícula de los glóbulos de asfalto menores a 1 micra) para estas aplicaciones con la finalidad de desarrollar mezclas de altas prestaciones iniciales mejorando el comportamiento y requiriendo menor tiempo de curado.

PRINCIPALES ASPECTOS QUE SE DEBEN CUIDAR PARA OBTENER MEZCLAS CON LA CALIDAD RECOMENDADA EN EL PROTOCOLO AMAAC En las páginas subsecuentes, se presentan los principales aspectos que se deben cuidar durante los procesos de diseño y construcción de mezclas asfálticas en frío, para que los proyectos se apeguen a los criterios de las prácticas recomendadas en el protocolo AMAAC y las mezclas presenten el desempeño esperado, cuando son diseñadas y construidas bajo este protocolo. Así mismo, para obtener un correcto funcionamiento de la capa estructural de la mezcla en frío de granulometría densa, se debe considerar lo siguiente: •

Contar con un diseño estructural adecuado, de acuerdo a la calidad de los materiales y en base al tránsito y tasa de crecimiento esperado durante su vida útil.

•

Se requiere realizar el diseño de la mezcla previo al inicio de los trabajos. En esta etapa se define el tipo y cantidad de emulsión asfáltica y sí se requiere del filler como cemento o cal, humedad requerida durante el mezclado y compactación y RAP (mezcla asfáltica reciclada) si es el caso.

•

Las diferentes capas de la estructura deben cumplir con los requerimientos estructurales particulares del proyecto. Asegurar un adecuado procedimiento constructivo, incluyendo una correcta compactación de las capas, es crítico para obtener un buen desempeño y prevenir asentamientos y otro tipo de fallas posteriores.

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

CALIDAD DE MATERIALES. Emulsión asfáltica. Las emulsiones recomendadas en el protocolo para este tipo de aplicaciones se indican en la Tabla 1. La emulsión se selecciona de acuerdo al diseño particular considerando que debe aportar una buena manejabilidad y cubrimiento, permitir la ruptura y curado adecuado, ayudar a mejorar la resistencia a la humedad y contribuir a alcanzar el valor del módulo dinámico especificado.

Tabla 1. Propiedades de las emulsiones asfálticas PROPIEDAD

ECM-60 Mín. Máx.

ECM-65 Mín. Máx .

ECM-60P Mín Máx . .

Viscosidad ----Saybolt Furol a 25°C, s Viscosidad 10 25 10 -Saybolt Furol a 50°C, s Carga de la Positiva Positiva Positiva particular Residuo asfáltico, 60 65 60 % Agente fluxante 5 5 5 por destilación, % Retenido en malla 0.1 0.1 0.1 no. 20, % Pasa malla #20 y 0.25 0.2 0.2 retiene en malla 5 5 núm. 60 en la prueba de tamiz, % máximo Pruebas al residuo de la emulsión por destilación. Penetración a 100 250 100 250 100 250 25°C, 100g, 5 segundos, 0.1mm Ductilidad a 25°C 40 -40 -40 -y 5 cm/min, cm Recuperación ----30 -elástica por ductilómetro a 10°C, % Solubilidad en 97.5 -97.5 -97. --tricloroetileno, % 5

ECL-60 Mín Máx . .

ECL-65 Mín. Máx.

ECL60-P Mín. Máx.

10

-

25

-

10

-

-

-

-

-

-

-

Positiva 60

Positiva 65

Positiva 60

5

5

5

0.1

0.1

0.1

0.2 5

0.25

0.25

100

250

100

250

100

250

40

--

40

--

40

--

--

--

--

--

30

--

97. 5

--

97.5

--

97.5

--

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Nota: Cuando el proyecto lo requiera se podrán utilizar penetraciones de 40 a 90 dmm para cumplir los requerimientos de diseño de esta EP.

En México se cuenta con la tecnología en formulación y plantas de fabricación necesarias, para producir emulsiones que cumplan los parámetros indicados en la tabla anterior. Material pétreo. Se recomienda que el agregado cumpla los requisitos de granulometría que se establecen en la tabla 2 y las características indicadas en las tablas 3 y 4. Tabla 2. Requisitos de granulometría del material pétreo para mezclas asfálticas en frío de alta calidad. Mallas

Designación

Tamaño nominal del material pétreo mm (pulgadas)

Abertura

25

19

12.5

(1”)

(3/4’’)

(1/2”)

Mm

9,5 (3/8”)

Porcentaje que pasa

2”

50

-

-

1 ½”

37,5

1”

25

90-100

100 – 100

-

-

¾”

19

– 90

90 – 100

100-100

-

1/2”

12,5

-

– 90

90 – 100

100 – 100

3/8”

9,5

-

-

- 90

90 – 100

4

4,75

-

-

-

- 90

8

2,36

16

1,18

-

-

-

-

30

0,60

-

-

-

-

50

0,30

-

-

-

-

100

0,15

-

-

-

-

200

0,075

0-6

2–8

2-10

2-10

100-100

15-41

-

23 – 49

-

28-58

-

32 – 67

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Como ejemplo, la figura 3 ilustra los límites establecidos para una mezcla con tamaño nominal de 19mm (3/4”). La escala de la abertura de la malla está elevada a la potencia 0,45.

Figura 3.- Granulometría para mezclas con tamaño nominal de 19 mm (3/4”).

Tabla 3. Requisitos de calidad de la fracción gruesa del material pétreo para mezclas asfálticas en frío de granulometría densa, de alta calidad. Característica

Norma

Especificación

Desgaste Los Ángeles, %

ASTM C131

30 máx. (capas estructurales)

Desgaste Microdeval, %

AASHTO TP 58-99

18 máx. (capas estructurales) 15 máx. para sulfato de sodio

Intemperismo acelerado, %

AASHTO T 104

20 máx. para sulfato de magnesio

Caras fracturadas, % (2 caras o más)

ASTM D 5821

90 mín.

Partículas alargadas, %

ASTM D 4791

3 a 1 %, 15 máx.

Partículas lajeadas, %

ASTM D 4791

3 a 1 %, 15 máx.

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Tabla 4. Requisitos de calidad de la fracción fina del material pétreo para mezclas asfálticas en frío de granulometría densa, de alta calidad. Característica

Norma

Especificación

Equivalente de arena,%

ASTM D 2419

50 min. (capas estructurales)

Angularidad, %

AASHTO T 304

40 mín.

Azul de metileno, mg/g

Recomendación AMAAC RA-05/2008

15 máx. (capas estructurales)

Otros materiales. Si se requieren aditivos o fillers para cumplir los requerimientos del diseño de la mezcla, el tipo y porcentaje por utilizar deben ser especificados en el diseño para su aprobación. Observaciones. En la mayor parte del territorio nacional existen bancos de agregados que satisfacen los requisitos mencionados. En algunos casos particulares se dificulta obtener agregados que cumplan los valores de desgaste e intemperismo requeridos, por lo que se debe realizar un estudio de costo-beneficio para definir si es conveniente transportar los agregados de mayores distancias, o si es necesario utilizar los agregados locales y generar especificaciones particulares que permitan obtener una aceptable calidad de la mezcla considerando estas deficiencias. Las características de caras fracturadas, forma de la partícula y angularidad del agregado fino están asociadas al equipo de trituración, por lo que se debe contar con apropiados equipos para este fin.

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El desgaste, intemperismo, equivalente de arena y azul de metileno son propiedades inherentes al origen de la fuente del agregado. DISEÑO DE LA MEZCLA El protocolo AMAAC establece que la mezcla asfáltica deberá cumplir los requisitos de calidad indicados en la tabla 8, El contenido de asfalto óptimo será el necesario para obtener un porcentaje de vacíos de aire (Va) en la mezcla de 4 a 10 %, cumpliéndose además los requerimientos en pruebas de desempeño indicadas en la misma tabla.

Tabla 8. Requisitos de calidad de la mezcla asfáltica en frío, con emulsión asfáltica. Propiedad Afinidad con el asfalto cubrimiento mínimo

ASTM

Criterio D3625,

%

de

90

Compactación usando el SGC (Compactador giratorio de Superpave); ángulo 1.25°, 600kPa, giros.

40

Vacíos del agregado mineral (VAM), % mín.

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Vacíos llenos de aire, %.

4 a 10

Retención de tensión indirecta, ASTM D 4867, % mínimo.

80

Modulo dinámico @ 20°C, AASHTO TP 62-07, MPa mínimo.

3,000

Observaciones Los vacíos de aire se establecen del 4 al 10 % ya que inicialmente la mezcla contiene humedad y va curando gradualmente.

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Cuando se cumplen los requisitos del agregado y se utiliza una emulsión apropiadamente formulada, se puede alcanzar el módulo dinámico solicitado. Si es necesario se puede utilizar un estabilizador como cal o cemento para obtener el valor inicial del Módulo, el cual va incrementándose con el curado de la mezcla.

Compactación giratoria

Tensión indirecta

Módulo dinámico

CONSTRUCCIÓN Planta de mezclado. Se recomienda que la planta de mezclado tenga las características solicitadas en el protocolo, como se indica a continuación. -

Capacidad de producción mínima de 100 toneladas por hora

-

Dos tolvas con cribas para eliminar sobre-tamaños, protegidas de la lluvia y el polvo, con capacidad suficiente para asegurar la operación continúa durante un mínimo de 15 minutos sin ser alimentadas.

-

Silo para almacenar y proteger el filler de aporte, con sistema para dosificación ajustable.

-

Dispositivos computarizados para dosificar los materiales por masa y/o por volumen que permitan un fácil ajuste de la dosificación de los componentes de la mezcla asfáltica y con la precisión requerida.

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

-

Mezcladora de paletas con doble eje mezclador para lograr un mezclado homogéneo de los materiales.

Observaciones Existen plantas de doble mezclado, para mejorar el cubrimiento del agregado, como la que se muestra en las siguientes fotografías, totalmente automatizadas y que cuentan con dispositivos de incorporación de filler.

Panorámica de la planta

Descarga de materiales al doble mezclador

Centro de control

Así mismo otras plantas con las que se producen mezclas de muy buena calidad, también totalmente automatizadas y que cuentan con dispositivos de incorporación de filler son las siguientes.

Panorámica de la planta

Centro de control

Mezclador

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Equipo de construcción. El equipo de construcción, como pavimentadoras, compactadores y barredoras, debe cumplir con requerimientos similares a los utilizados para mezcla en caliente y se especifican en el Protocolo

Tendido con pavimentadora

Compactación de la mezcla

El procedimiento constructivo debe asegurar la correcta colocación y compactación de la mezcla, como se describe en el Protocolo AMAAC. Previo al inicio formal de los trabajos se deberá realizar un tramo de prueba para definir el proceso constructivo y de compactación de la mezcla para asegurar el cumplimiento de los requerimientos del proyecto. Consideraciones antes de aplicar un tratamiento. Antes de colocar cualquier tratamiento sobre la carpeta se debe permitir el curado hasta que el contenido de humedad en el material sea reducida a 2.5% o menos, o según lo que especifique la Dependencia. El control de calidad también se especifica en el protocolo AMAAC y básicamente se recomienda lo siguiente. Personal de supervisión del Contratista y laboratorio de control deben llevar a cabo una reunión con la Dependencia para llegar a un mutuo acuerdo acerca de los métodos de aseguramiento de la calidad de las diferentes fases del proyecto, previo al inicio de la obra.

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

El Contratista será el responsable del control de calidad de la mezcla asfáltica. El control de calidad debe cubrir las siguientes mediciones: granulometría, contenido de humedad, contenido de asfalto residual, retención de tensión indirecta de la mezcla y grado de compactación en campo, complementándolo de acuerdo a lo solicitado en especificación particular para los diferentes materiales utilizados y mezcla final. Emulsión asfáltica. Un representante de la compañía que suministrará la emulsión deberá verificar las propiedades de mezclado, rompimiento y fraguado de la emulsión cuando se requiera, para realizar los ajustes a la formulación de la emulsión, si fuera necesario. Material pétreo. El material pétreo debe ser consistente y cumplir los requisitos solicitados. Contenido de humedad del agregado. Previo a la producción de la mezcla, el contenido de humedad del agregado pétreo debe ser determinado en campo para definir la humedad que se adicionará a fin de lograr la humedad óptima de mezclado. Contenido de emulsión. La cantidad de emulsión asfáltica debe ser la determinada en el diseño de la mezcla. Cualquier cambio en el contenido debe ser aprobado por la Dependencia. El porcentaje de emulsión adicionada debe ser verificada por medio de medidores de flujo y por el contenido de asfalto residual de la mezcla. Control de espesores. Los espesores deben ser monitoreados regularmente para determinar el cumplimiento de lo especificado en el proyecto. Control de la compactación. Para la medición de densidad real y definir el patrón de compactación se requiere efectuar el tramo de prueba

CONCLUSIONES •

Las prácticas recomendadas de mezclas asfálticas en frío son una herramienta que contribuye al buen uso de estas tecnologías y permite tener mayor certidumbre en obtener mezclas asfálticas en frío de alta calidad,

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

•

• • • •

La recomendación de mezclas asfálticas en frío se puede ajustar a las necesidades específicas del proyecto y experiencia local utilizando especificaciones particulares. En la mayor parte del territorio nacional se dispone de agregados y plantas de emulsión, para cumplir los requisitos del diseño. En México se cuenta con laboratorios equipados para realizar el diseño, control y verificación de calidad, solicitados. Se dispone de los equipos de producción y construcción para obtener la calidad deseada de la mezcla en obra. Lograr aplicaciones de buena calidad, requieren que la Dependencia haga cumplir los parámetros establecidos en las especificaciones particulares.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 1. Emulsion Mix Design Methods: An Overview, H Fred Waller, TRB 754, 1-9 2. Protocolo AMAAC PA-MA 01/2008. Granulometría Densa de Alto Desempeño.

Diseño

de

Mezclas

Asfálticas

de

3. Standard Test Method for determining the Workability of Asphalt Cold Mix Patching Material, ASTM D6704. 4. Diseño de Mezclas en frío, Didier Lesueur, Juan José Potti. Revista Técnica De la Asociación Española de Carreteras Marzo/Abril 2005. P. 48-63 5. Mechanical characteristics of emulsion cold mixes”, Caronneau X Henrat et all, Revenue générale des routes aédromes No. 804 2002, p. 58-66 6. Influence of curing on cold mix mechanical performance. Serfass J. P. Poirier, J..E. Henra, P. and Carbonneau, Proc 6th RILIEM Symposium on Performance Testing Evalution Materials, 2003. 7. Basic Asphalt Recycling Manual, Asphalt Reclaiming and Recycling Association.

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Pavimentos Rígidos vs Flexibles: ¿Cuál es mejor? José de Jesús Espinosa Arreola Jorge Alarcón Ibarra Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Ingeniería Civil, Maestría en Infraestructura del Transporte en la Rama de las Vías Terrestres, Morelia, Michoacán, México Julio-2012 Resumen El objetivo de este trabajo es analizar algunas variables de los pavimentos rígidos y flexibles que se deben de tomar en cuenta en la elección de la estructura del pavimento, en función de lo que el proyecto a ejecutar requiera, mismas que proporcionen al público en general un panorama más amplio para su concepción; suministrando ventajas y desventajas que tiene uno frente a otro para evitar caer en la premisa de señalar a alguno como mejor pavimento, de manera generalizada. Palabras clave: pavimento flexible, pavimento rígido, costos de operación, impacto ambiental, ruido.

Abstract The aim of this paper is to analyze some variables of flexible and rigid pavements which should be taken into account in the choice of the pavement structure, depending on what the project to run required them to provide to the public in general a broader picture to its conception; providing advantages and disadvantages has one over another to avoid falling into the premise of draw one as better paving, widely. Keywords: flexible pavement, rigid pavement, cost of operation, environmental impact, noise.

Introducción

construcción, sin evaluar una serie de alternativas como las que en parte se presentan en este trabajo.

En la infraestructura carretera es común que surja la pregunta de cuál opción es la mejor entre un pavimento rígido y uno asfáltico. A decir verdad no existe, de una manera generalizada, una respuesta a esta interrogante, pues es claro que se deben de tener en cuenta las variables que intervienen en la elección del tipo de estructura, para las cuales una alternativa puede resultar mejor que otra bajo las mismas circunstancias. Y es que, en la práctica común, no es raro ver que se opte por la solución de menor costo, pero únicamente considerando la variable de

De acuerdo con el Atlas de la Red Carretera de México, entre los años 2007 y 2008 se tenía una red asfaltada de 136,780 km mientras que la longitud carretera pavimentada con concreto hidráulico limitadamente llegaba a los 3,097 km, representando el 2.3% de las carreteras revestidas con asfalto. Es claro el uso común de los pavimentos asfálticos en México; de la misma forma que ocurre en casi todo el mundo.

Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

En México, se cree que los pavimentos rígidos duran más que los asfálticos, y es que si se le pregunta a casi cualquier ciudadano que no tenga un conocimiento amplio del tema, cuál de los dos prefiere, seguramente contestarán que uno rígido debido a que aparentemente duran mucho más. Y en realidad no es que duren más, sino que las circunstancias en que se construyen en la práctica común, los rígidos presentan una ventaja ante los asfálticos. Las carpetas asfálticas son nobles, en el sentido que permiten la construcción en espesores menores que los rígidos, lo cual lleva a los constructores a abusar de esa nobleza para abaratar los costos de construcción y que la obra resulte “económica” dejando de lado los costos que se van a generar por conservación y por operación. En el caso de las losas de concreto, los espesores de construcción mínimos son mayores que los de las carpetas asfálticas, debido a esto es que llevan una ventaja por si mismos sobre las vialidades construidas con asfalto.

Desarrollo Es racional pensar en que las empresas dedicadas a la venta de cemento y asfalto, o convenientemente dicho, de concreto y de mezcla asfáltica, aseguran que cada uno aporta la mejor solución para la construcción de vías carreteras. Los productos que cada uno ofrece aparentemente satisfacen las necesidades que se tienen en la construcción de vialidades, pero en realidad se deben tomar una serie de variables que intervienen en proyectos con características particulares.

Costos Los costos de los pavimentos se pueden englobar en costos de construcción, de mantenimiento y rehabilitación. Estos costos quedan en función de otras variables principales como son:

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• • • •

El espesor de la losa de concreto o de la carpeta asfáltica. El intervalo entre acciones de mantenimiento. El TDPA El IRI promedio.

Una diversidad de resultados pueden obtenerse del análisis del costo de un pavimento durante su vida útil si se varía cualquiera de los puntos anteriores. El IMT realizó un estudio en 1998 considerando los aspectos anteriormente señalados (incluyendo costos de operación) del cual se desprenden una serie de conclusiones. Encontraron que el pavimento rígido resulta preferente en tránsitos elevados (mayores a 20 mil vehículos diarios), que en general el costo de construcción inicial y de conservación en un periodo de 30 años es mayor en los pavimentos rígidos que en los flexibles, aunque si bien, para tránsitos elevados el rígido tiene una reducción en los costos de operación lo cual da como resultado un mejor desempeño que el flexible en el balance general. Además se debe tomar en cuenta el precio del petróleo, resultando en cada caso más conveniente uno y otro, y evitar que el IRI sea muy alto antes de realizar acciones de conservación; pues resultaría muy costoso bajarlo a niveles aceptables (Rico Rodríguez, Mendoza Díaz, Téllez Gutiérrez, & Mayoral Grajeda, 1998)

Impacto ambiental Esta parte es compleja puesto que queda determinada principalmente desde el enfoque que tenga el análisis. La cantidad de variables que intervienen, y muchas de ellas en unidades que no son equivalentes, hacen que el análisis se haga complejo y que no se pueda determinar en términos generales cuál contamina más. Actualmente es imperante la consideración del impacto ambiental que genera cualquier construcción, a causa del calentamiento global que como planeta estamos generando y enfrentando. La EUPAVE (European Concrete Paving Association) realizó un estudio en Julio de 2011, donde se simuló el impacto ambiental que genera 1 km de autopista en un

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

periodo de 30 años. Los puntos considerados en este análisis fueron por concepto de construcción, uso y mantenimiento de la autopista en el periodo ya señalado. Adicionalmente se incluyó el impacto ambiental generado por el tránsito esperado en una autopista de este tipo. Los indicadores de impacto ambiental evaluados fueron los siguientes: GWP: Potencial de calentamiento global.

Figura 2 Sección de estudio para pavimento rígido (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011)

ODP: Potencial de Reducción de Ozono. POCP: Potencial de creación de ozono fotoquímico. AP: Potencial de acidificación. EP= Potencial de eutrofización. El estudio contempla dos secciones de pavimento flexible; superficie porosa de asfalto (PA) y una microcarpeta de mástico asfáltico (MA) y dos de pavimento rígido; uno con superficie texturizada (tC) y otro con agregado expuesto (EAC) como se muestran en la Figura 1 y Figura 2.

Figura 1 Sección de estudio para pavimento asfáltico (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011)

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Se evaluaron distintos escenarios los cuales comprendían el uso de material reciclado, así como el uso de diferente tipo de cemento. Los resultados de los indicadores se muestran en la Tabla 1 y Tabla 2. Se asumió un tránsito vehicular de 42,000 ligeros y 10,000 pesados diarios, resultando que el impacto ambiental que genera el paso de los vehículos es superior a 5000 veces el impacto por conservación de los pavimentos. Todos los indicadores de impacto ambiental por mantenimiento de un camino con asfalto son superiores que con concreto, debido prácticamente a la movilización de la maquinaria. También el impacto ambiental generado por el paso de vehículos es aproximadamente 100 veces mayor que el generado por la construcción y mantenimiento juntos. Por lo tanto la reducción en el impacto ambiental se encuentra mayormente en la que generan los vehículos (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011). Una de las variables de más impacto y mayormente analizada por los investigadores es la cantidad de emisiones de CO2 equivalente, que en este caso corresponde a la variable WGP. En términos de esta variable se observó en este estudio que en la construcción con concreto las emisiones son 166% más que con asfalto, principalmente por el proceso de producción del cemento portland.

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

Tabla 1 Indicadores de impacto ambiental para la construcción de 1 km de autopista (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011).

Tabla 2 Indicadores de impacto ambiental por mantenimiento y por uso del tránsito de 1 km de autopista (Milachowski, Stengel, & Gehlen, 2011)

Los resultados fueron contundentes al mostrar el impacto generado por la construcción, uso y mantenimiento de la autopista en relación con el generado por el tránsito vehicular. La diferencia es sustancial, y es que en este sentido los estudios más agudos deberán dirigirse hacia la reducción y optimización del uso de combustibles fósiles, así como la moderación en el uso del transporte privado sustituido por un medio de transporte público más eficiente, como el tren de pasajeros en grandes distancias y en lo urbano el metro.

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En otro estudio realizado en 2009, se examinó la huella de carbono de pavimentos asfálticos y de concreto para pavimentos residenciales, vías colectoras y de carreteras construidas en Ontario, Canadá. Los resultados de las emisiones de CO2 se muestran en la Tabla 3. En este estudio se utilizaron materiales vírgenes tanto para pavimento asfáltico como de concreto, además de que se analizó únicamente la opción con mezcla asfáltica en caliente, no tomando en

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? cuenta el reciclado y las mezclas tibias; cuyo valor de emisiones hubiesen sido menores. Se observa como son alrededor de 10 veces mayores las emisiones con un pavimento de concreto, que con uno asfáltico, que como ya se mencionó, es principalmente debido a la elaboración del cemento; en los procesos que ocurren en la producción del cemento Portland por cada 1,000 kg de cemento, aproximadamente se producen 730 kg de bióxido de carbono. Actualmente las tendencias de investigación en mezclas asfálticas son principalmente en el reciclado de pavimentos, la incorporación de hule

molido y la utilización de mezclas tibias. Todo esto contribuye en gran medida a la reducción del impacto ambiental generado por la elaboración de mezclas asfálticas. Por ejemplo, la temperatura de elaboración, colocación y compactado de las mezclas tibias es alrededor de 10 a 40°C menos que las elaboradas en caliente; cuya temperatura de fabricación es alrededor de los 155°C. Esto de acuerdo con Agnusdei (2010), permite una reducción en el CO2 entre el 30 y 40% y una reducción en el consumo de energía entre el 20 y 35%.

Tabla 3 Valores de conversión de CO2 equivalente (Asphalt Pavement Alliance, 2010) Material

Emisiones de CO2 eq (Toneladas/Toneladas)

Pavimento asfáltico 0.0103 (al 5.0% de cemento asfáltico) Estructura granular A 0.00080 (Agregado, molido, cernido y lavado) Estructura granular B 0.0053 (agregado, cernido y lavado) Pavimento de concreto 0.1073 (a 32 MPa [4640 lb/pulg2]) OGDL* 0.0090 *Carpeta drenante de graduación abierta de asfalto estabilizado en 1.8% de cemento asfáltico

Ruido El ruido ocasionado por el tráfico de los vehículos ha sido motivo de estudios en muchos países que han decidido tomar medidas para reducirlo, con el fin de englobar las carreteras en el ámbito sustentable. Son tres fuentes principales las que causan el ruido producido por el tráfico vehicular: el contacto entre llanta y superficie de rodamiento, el motor del vehículo y el ducto de evacuación de gases (escape) del mismo. Caltrans (2003) ha establecido una participación entre el 70 y 90% de la energía sonora global cuando el vehículo transita a una velocidad de 80 km/h o mayor. Existen varios factores que determinan la frecuencia e intensidad del ruido generado por la interacción llanta-pavimento, los cuales son: la dureza de la superficie de rodamiento (rígido o

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flexible), el tamaño de las llantas, los vacíos en la superficie de rodamiento, la velocidad a la cual transitan los vehículos, las juntas (en pavimentos rígidos). Algunas mezclas asfálticas ayudan a la reducción del ruido de rodadura, especialmente las mezclas de granulometría abierta, tipo SMA (Stone Mastic Asphalt) y las mezclas asfálticas denominadas BBTM B en la normativa europea (microaglomerados de granulometría fuertemente discontinua), que además ofrecen una drenabilidad superficial y por consiguiente una resistencia al deslizamiento mayor, teniendo una reducción del ruido de rodadura del orden de 3 db (Del Val, 2010). Respecto a este punto, y debido a que la escala de decibeles es una función logarítmica, cuando se duplica la fuente generadora del ruido, el nivel de ruido se incrementa en 3 dBA (en términos de escala “A” de mejor respuesta al oído humano) (Martínez &

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? Torregroza, 2010). Esto quiere decir que el paso de dos vehículos sobre la superficie de rodamiento de una mezcla discontinua se equipara con el ruido generado por el paso de un vehículo en una superficie de graduación continua ((Figura 3).

En las losas de concreto, la profundidad y el ancho de la ranura influyen en el nivel de ruido, teniendo que las losas de concreto con ranura transversal (la más común) es la que genera niveles de ruido mayores (Martínez & Torregroza, 2010).

Figura 3 Esquema del ruido generado con distintas superficies de rodadura

Operación Esta variable está dirig dirigida al usuario de las autovías, principalmente en lo referente al confort y la mejora en el transitar de los vehículos. Con las mezclas asfálticas se tienen algunas ventajas sobre el concreto las cuales se mencionan a continuación: Confort: La sensación de confort que experimentan los pasajeros a bordo del vehículo es mayor sobre pavimentos asfálticos asfá que sobre rígidos, debido a la naturaleza misma del pavimento asfáltico, su flexibilidad y a que las mezclass asfálticas se disponen en varias capas y no solo en una, como en el concreto (Del Val, 2010). Además de que aumenta umenta la comodidad en la circulación, también aumenta la seguridad, puesto que ell conductor experimenta una tensión menor al volante a causa del amortiguamiento proporcionado por la carpeta asfáltica, no así para

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una losa de concreto la cual transmite directamente al vehículo cualquier solicitación que se presente a causa de irregularidades, inclusive de las mismas juntas transversales entre losa y losa de concreto (escalonamiento). Visibilidad: El color claro del concreto dificulta la visibilidad del alineamiento horizontal y vertical, debido a la luz del día reflejada hacia el conductor condu sobre todo cuando se transita en dirección de la puesta del sol, incluso cuando se transita en presencia de lluvia es mucho mayor el reflejo de la luz del sol, puesto que ue la superficie de concreto conc no tiene una macrotextura que permita el desalojo del agua debajo de ella y prácticamente el desalojo se hace por la superficie creando un espejo que refleja la luz del sol.. Este factor es desfavorable pues el conductor al no tener una visibilidad suficiente para manejar con seguridad, segur reduce la velocidad. Aunque no todo es desfavorable debido al color claro del concreto, puesto que Mora (2006) hace mención a los estudios realizado por

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? el Ing. Richard Stark (Presidente del TRBVC TRBVCTransportation Research Board’s Visibility Committee) quien indica que se puede ahorrar más de US$ 24,000/milla por requerir menos instalaciones eléctricas para la iluminación de la carretera.

Mantenimiento La calidad superficial del pavimento, a través del tiempo, será el indicador que determine las acciones nes de conservación necesarias para mantener el pavimento en las mejores condiciones posibles. Se deben considerar las acciones de

conservación rutinaria, periódica y los trabajos de reconstrucción. La Figura 4 muestra el deterioro que sufre el pavimento a través del tiempo y el incremento de los costos cuando se aplazan las acciones accio de mantenimiento que aumentan aumenta la calidad superficial. Es una curva típica del deterioro de un pavimento, en la cual se puede observar cómo el 40% del deterioro se presenta cuando su vida útil es del 75%; en cuyo valor se deben realizar las acciones preventivas que permitan conservar la estructura en las mejores res condiciones posibles; de no ser así se creará la necesidad de rehabilitar o reconstruir el pavimento, con una inversión mucho mayor, como se muestra en la Figura 5.

Figura 4 Curva de deterioro de un pavimento (Salomón, 2009).

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? Figura 5 Costos relativos de mantenimiento preventivo, rehabilitación y reconstrucción en pavimentos (Salomón, 2009).

En la Figura 6 se presenta un esquema también de los ahorros que se obtendrían en los costos de operación vehicular realizando distintas acciones de mantenimiento. Se puede observar que los costos de operación pueden disminuir de manera sustancial cuando se realizan trabajos de

conservación en los periodos necesarios. En caso de no hacer nada, dichos costos son excesivos, además de crear la necesidad de una reconstrucción que seguramente resultará más costosa que haber realizado las acciones de mantenimiento requeridas en tiempo y forma.

Figura 6 Ahorros en los costos de operación en un pavimento flexible (Ávila Correa & Alarcón Ibarra, 2006).

Ventajas adicionales Pavimento flexible: Pavimento rígido: El comportamiento del concreto ante el ataque del agua es mejor que el que presentan las mezclas asfálticas, por lo cual es una buena opción utilizarlo en zonas donde estará en contacto continuo con el agua, como por ejemplo en zonas bajas o de frecuente inundación. También su uso es conveniente en cruces vehiculares, en donde se tiene un TDPA elevado y el tiempo de concentración de las cargas de los vehículos pesados es prolongado. También su periodo de mantenimiento es más espaciado, por lo que se evitan los problemas generados como el congestionamiento de tránsito, costos de operación y contaminación.

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Mayor drenabilidad: Las mezclas asfálticas de granulometría abierta proporcionan una drenabilidad mayor al permitir el desalojo del agua transversalmente sobre la macrotextura superficial que presentan, reduciendo el hidroplaneo y la proyección de agua (Figura 7). Aunque si bien las mezclas asfálticas de graduación abierta son muy recomendables en camino abierto y con condiciones de lluvia frecuente, en Europa se ha prohibido, como práctica común, el empleo de mezclas asfálticas drenantes en los túneles, debido a que permiten que los combustibles o líquidos flamables vertidos se desplacen por su interior facilitando la propagación del fuego en caso de incendio (Del Val, 2010).

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

Figura 7 Carril externo con mezcla de graduación abierta (OGFC) vs carriles centrales con mezcla convencional Fuente: Rubber Pavement Association.

Deterioros frecuentes

Pavimento Rígido: Escalonamiento: Debido a la erosión de la base por flujo de agua en la proximidad de las juntas o grietas. También puede ocasionarlo un asentamiento diferencial en la capa subrasante. Agrietamiento de esquina: Se origina por la erosión de la base, lo que ocasiona una falta fal de apoyo de la losa, así como por sobrecargas en las esquinas o una deficiente transmisión de carga entre juntas.

Escalonamiento

Agrietamiento transversal y longitudinal: En el sentido transversal es debido a una longitud excesiva en la losa y en la longitudinal un ancho a excesivo; además de que carezca de una junta longitudinal. También es debido en ambos casos a un diseño deficiente (menor espesor del requerido). Otro aspecto a considerar es la recuperación de la rugosidad; obtener btener la rugosidad inicial de la losa de concreto después de un periodo de puesta en servicio se torna más difícil y costoso, por lo que implica el rayado de las losas con discos de diamante.

Agrietamiento en esquina

Agrietamiento transversal y longitudinal

Figura 8 Deterioro en pavimentos rígidos.

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor?

Pavimento Flexible: Agrietamientos: Resultado de una superficie de rodadura fatigada, que en muchas ocasiones puede deberse a deformaciones permanentes en las capas inferiores de la estructura del pavimento, que reducen su capacidad portante, llevando a la superficie de rodadura a fatigarse prematuramente. Así como también al uso de ligante asfáltico muy duro. Deformaciones permanentes: Se presentan las llamadas “roderas” que dificultan la

Agrietamientos

transitabilidad y permiten la acumulación de agua, que al igual que en el punto anterior, puede deberse a las capas inferiores (mala compactación de la base) o únicamente a la carpeta asfáltica (asfalto en exceso o uso de asfaltos blandos en zonas de temperatura alta). Desprendimiento de agregados: Provocado por varios factores como la mala adherencia entre el pétreo y el asfalto, un ligante asfáltico inadecuado, agregado con polvo adherido o presencia de lluvia durante el tendido de la mezcla asfáltica; que posteriormente se reflejan como baches.

Roderas

Desprendimientos

Figura 9 Deterioro ro en pavimentos flexibles (Consejo de directores de carreteras de Iberia e Iberoamérica, 2002)

Conclusiones Ell impacto ambiental queda a disposición del analista de cada caso, y depende de los escenarios que se tomen en cuenta, las condiciones y variables en el proceso de construcción, mantenimiento y operación de un pavimento. Algo que queda bien claro en la etapa de construcción del pavimento es la cantidad superior de CO2 emitida por la elaboración de cemento to Portland, para el caso del pavimento rígido. No se puede decir con exactitud cuál contamina más aunque la variable que rige la mayoría de las investigaciones acerca del tema en cuestión son las emisiones de CO CO2 equivalentes.

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Referente al mantenimiento, en este sentido es muy común recurrir a los pavimentos rígidos para evitar las acciones de mantenimiento a corto plazo, aunque este hecho de ninguna manera justifica que se “abandone” el pavimento una vez puesto en servicio, ya que también se pueden presentar tar diversos deterioros que de no ser atendidos de manera pronta y acertada, la estructura del pavimento quedará condenada a una vida útil menor y a una reconstrucción en un tiempo más corto de lo previsto. Como conclusión general se puede decir que la determinación del mejor pavimento no puede ser juzgada a priori, es necesario realizar toda una evaluación de las condiciones y características de la obra, para poder elegir la opción más idónea. Es decir, se debe evaluar desde los costos de

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Pavimentos Rígidos y Flexibles: ¿Cuál es mejor? construcción, mantenimiento y operación (el generado a los usuarios por consumo de combustible y mantenimiento del vehículo) así como el impacto ambiental generado; el que resulte más económico será el más adecuado, incluyendo el costo social que implica el impacto ambiental. Además de tener en cuenta ventajas que ofrece uno frente al otro en igualdad de circunstancias, así como los problemas que presentan, para poder tomar la decisión técnica más conveniente.

Referencias

Agnusdei, J. O. (2010). Nuevas tecnologías sustentables aplicadas a la pavimentación asfáltica. XII Congreso Nacional del Asfalto y III Congreso Nacional de Concreto, (págs. 1-48). Lima, Perú. Asphalt Pavement Alliance. (2010). Huella de carbono: ¿en qué posición se encuentra el asfalto? Asfáltica #24, 6-9. Ávila Correa, R., & Alarcón Ibarra, J. (2006). Cálculo de los costos de operación vehicular en la carretera Cuitzeo – Puruándiro – Zináparo y su impacto en los usuarios. Ciencia Nicolaita. Consejo de directores de carreteras de Iberia e Iberoamérica. (Abril de 2002). Catálogo de deterioros de pavimentos flexibles. Viña del mar, Chile.

Un caso práctico: la pavimentación de la autopista de circunvalación M30 de Madrid. Asfáltica, 5-10. Martínez, G., & Torregroza, L. M. (2010). XV CILA. El rol de los pavimentos en la mitigación del ruido llantapavimento, (págs. 1-10). Lisboa. Milachowski, C., Stengel, T., & Gehlen, C. (Julio de 2011). EUPAVE. Life cycle assessment for road construction and use. München: Centre for building materials, Technische Universität. Mora Q., S. (2006). Pavimentos de concreto hidráulico. III Seminario nacional de gestión y normatividad vial. Mukherjee, A., & Cass, D. (Mayo de 2011). Carbon footprint for HMA and PCC pavements. Michigan Technological University. Rico Rodríguez, A., Mendoza Díaz, A., Téllez Gutiérrez, R., & Mayoral Grajeda, E. (1998). Algunos aspectos comparativos entre pavimentos flexibles y rígidos. Publicación Técnica No. 103. San Fandila, Querétaro, México: IMT. Salomón, D. (2009). Conservación de pavimentos: Metodología y estrategias. Boise. Secretaría de Comunicaciones y Transportes. (2011). Atlas de la red carretera de México. México.

Del Val, M. (2010). Pavimentación asfáltica frente a pavimentación en concreto.

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VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

UN NUEVO MODELO DE CONSERVACIÓN DE CARRETERAS EXPERIENCIAS E INNOVACIONES TECNOLÓGICAS Ing. Javier Fernández Almanza Gerente de Proyecto COCONAL, SA de CV [email protected] RESUMEN La infraestructura carretera del país es fundamental para el crecimiento económico y el desarrollo social, por lo que es necesario preservar el patrimonio vial manteniendo la red en buenas condiciones de operación. Una red carretera en buen estado permite costos de operación vehicular bajos que a su vez disminuyen los costos

asociados

de

traslado

de

personas,

bienes

y

servicios,

impactando

favorablemente la economía y el bienestar social. En este contexto la Dirección General de Conservación de Carreteras (DGCC) de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT) ha desarrollado diferentes formas de contratación en el tiempo para la conservación de los tramos prioritarios de Carreteras Federales Libres de Peaje, buscando la calidad, el confort, la seguridad y el servicio al usuario, perfeccionando estos esquemas en el Contrato

Plurianual de

Conservación de Carreteras (CPCC) que permitan a la Dependencia ser más efectiva en el uso de los recursos y mejorar sustancialmente el servicio a los usuarios y al privado asuma la responsabilidad en los estudios, proyecto ejecutivo y su ejecución en la reestructuración y conservación de pavimentos, evaluados a través de sistemas ingenieriles. En el presente documento se muestra como se ha mejorado la calidad funcional y estructural del pavimento para beneficio de los usuarios, en los 754 km que constituyen el primer CPCC contratado en México, en el Estado de San Luis Potosí, a cargo de la empresa COCONAL. La medición de la calidad se hace a través de indicadores de desempeño funcional y estructural del pavimento y para cumplir con estos indicadores se utilizan capas de rodadura de alta calidad funcional, mezclas asfálticas de alto desempeño y

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO recuperación de pavimentos con emulsión y espuma asfáltica que presentan resultados muy efectivos. También

se

describen

la

evolución

con

tecnologías

y

procedimientos

constructivos modernos y con maquinaria de última generación. INTRODUCCION Las principal infraestructura vial y servicios que están a cargo del Contratista son los siguientes: I. Conservación periódica y rutinaria de la superficie de rodamiento y de los puentes II. Conservación de las señales y elementos de seguridad en las carreteras III. Servicios de vialidad para propiciar el uso seguro, cómodo y eficiente de las carreteras IV. Reconstrucción del pavimento y de puentes El primer CPCC convocado a licitación por la SCT fue en el estado de San Luis Potosí, contratado a COCONAL, empresa mexicana con una amplia experiencia en la operación, construcción, modernización y conservación de carreteras. 

En septiembre del 2010, se contrató el paquete carretero de conservación de carreteras de San Luis Potosí.



La longitud de esta red es de 754.51 km. con 3 carreteras Federales; carretera 57 México, carretera 80 Guadalajara y carretera 49 Zacatecas. El modelo de contrato del CPCC es adecuado, distribuye muy bien los riesgos,

la calificación y pago de los trabajos es en base a 17 indicadores de servicio, siempre orientado a los usuarios de las vías. Se han tenido excelentes resultados, elevando a un nivel óptimo tanto en conservación como en la atención a los usuarios de las vías.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO Por

estas

carreteras

transitan

en

promedio al año 37,000 vehículos diarios: entre autos, autobuses y camiones de carga; anualmente se da servicio a más de 13.5 millones de vehículos que considerando 3 pasajeros por vehículo, se da servicio a más de

40.5

millones

de

personas,

más el

traslado de mercancías correspondientes en los camiones de carga, de ahí la importancia de conservar las carreteras en óptimas condiciones de transitabilidad y seguridad al usuario, así como ofrecer servicios de atención y emergencias las 24 horas con cobertura en todo el CPCC.

ESTUDIOS Y PROYECTOS Todos los estudios y proyectos se realizan previendo el cumplimiento de los Estándares de Desempeño, cubriendo los siguientes aspectos en el paquete carretero. 

Estudios

de

evaluación

de

pavimentos y proyectos ejecutivos para la conservación. 

Proyecto de señalización y



dispositivos de seguridad.



Estudio y proyecto ejecutivo de entronques.



Estudios y proyectos de reconstrucción y rehabilitación de Puentes y Estructuras.



Estudios y proyectos de reconstrucción y rehabilitación de Obras de Drenaje y Complementarias.



Solución de puntos de conflicto.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO AUTOEVALUACIÓN DEL CONTRATO La empresa implementó los instrumentos de verificación siguientes para la autoevaluación de

los

trabajos

ejecutados

en

los

tramos

carreteros. Cumplimiento de los trabajos por PUM. 

Unidad de Auto-Control



Recorridos de inspección (diarios)



Inspecciones Programadas mensualmente entre COCONAL y S.C.T. de San Luis Potosí.



Inspecciones no Programadas por la S.C.T. de San Luis Potosí.

Cumplimiento de los trabajos por PUOT. 

Sistema de Gestión de Calidad durante la ejecución de los trabajos.



Inspecciones Programadas y No Programadas durante la ejecución de los trabajos.



Supervisión permanente de la S.C.T. de San Luis Potosí.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

SERVICIOS DE VIALIDAD Estas

actividades

involucran

los

siguientes servicios: 

Comunicación con el usuario y las instituciones

correspondientes,

incluyendo a la S.C.T. en primer lugar, a fin de requerir información y dar asistencia en caso de incidentes, 

Coordinar

acciones

conjuntas

de

emergencia. 

Atención de incidencias, para resolver eventos que hayan producido alguna alteración a las operaciones normales del Paquete Carretero CPCC - San Luis Potosí.

ATENCIÓN DE EMERGENCIAS Las actividades para atender emergencias, tienen por objeto solucionar aquellos daños a la infraestructura del CPCC causados por Fenómenos Naturales. Los Fenómenos Naturales más frecuentes son: • Precipitaciones y vientos de una intensidad y/o duración extraordinarias. • Deslizamientos o deslaves menores y mayores, los cuales tienen origen dentro o fuera del Derecho de Vía de la carretera.

• Inundaciones o crecientes en que los niveles de agua suban por arriba de un máximo. • Terremotos, etc. ATENCIÓN AL USUARIO En las carreteras que integran el CPCC se dispuso de un Centro de Atención Telefónica (CAT) que brinda apoyo e información a los usuarios en tránsito y a

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO usuarios potenciales las 24 horas del día los 365 días del año. Entre las funciones del CAT, destacan: 

Información General: Servicios disponibles, distancias, tiempos de recorrido y lugares de interés.



Apoyo Vial: Asistencia en el camino a vehículos con falla mecánica con cargo al usuario.



Apoyo en Emergencias: Canaliza y notifica a autoridades o instancias competentes.

BASES DE MANTENIMIENTO Para

cumplir

con

los

requerimientos

contractuales, COCONAL construyó siete bases de mantenimiento

ubicadas

en

los

tres

tramos

carreteros, estos están coordinados por la Oficina Central de San Luis Potosí, S.L.P., en donde se encuentra el CAT, las oficinas administrativas de la empresa y base de mantenimiento central. Cada base de mantenimiento cuenta con oficinas, almacén, taller de mantenimiento y patio de resguardo para vehículos y maquinaria. Por requerimientos del proyecto la ubicación de las bases guarda una distancia no mayor a 70 km entre ellas, de tal manera que la atención a incidencias y emergencias no sea superior a 30 minutos a partir del reporte.

MAQUINARIA MAYOR, MENOR Y VEHÍCULOS Para realizar los trabajos de las Etapas de Desarrollo y Conservación se cuenta con 37 máquinas mayores entre trituradoras, tractores,

recuperadoras,

motoconformadoras,

barredoras, compactadores,

cargadores y excavadoras, etc., así como 68 máquinas

menores

entre

torres

de

iluminación, reglas vibratorias, revolvedoras manuales, apisonadoras, equipos de lubricación, lavadoras de presión, rompedoras de

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO pavimento, soldadoras de combustión, tractores agrícolas, etc., y 54 vehículos entre autobuses de pasajeros, tractocamiones, camionetas estacas, camionetas pick-up, remolques oficina, camiones de volteo, camiones pipa de agua, etc.

CAPITAL HUMANO El personal dispuesto para el CPCC S.L.P.

por

COCONAL

lo

integran

450

personas, preferentemente originarios de la zona, está compuesto por Ingenieros Civiles, Licenciados en Administración de Empresas, Contadores

Públicos,

Licenciados

en

Sistemas, Superintendentes, Jefes de Frente, Sobrestantes carpinteros,

y

obreros

fierreros,

(albañiles,

operadores

de

maquinaria, choferes, etc.) entre otros. El efecto multiplicador de empleo en la Construcción y Conservación de Carreteras es de 7 y la derrama económica del 50% de los ingresos del contrato, por lo que las comunidades se ven beneficiadas en gran medida por proyectos plurianuales como éste.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO VENTAJAS PARA EL USUARIO 1.-Centro de Atención Telefónica Las 24 hrs. 365 días del año, con un número

gratuito

proporcionando

(01-800-camino9)

información

turística,

reporte de accidentes y asistencia vial, así también a través del número 074. 2.-Auxilio

Vial,

las

brigadas

trabajan permanentemente durante todo el año, atendiendo emergencias, fallas mecánicas, siniestros, resguardando el lugar de los accidentes. Se tienen centros de conservación cada 50 km para atender cualquier evento en menos de 30 minutos del reporte de la eventualidad. 3.- Calzada y derecho de vía limpio y libre de obstáculos. Tramos carreteros en óptimas condiciones y permanente conservación 4.-

Disminución de accidentes y auxilio

vial permanente. 5.- Señalamiento horizontal y vertical en perfecto estado. 6.- Confort y seguridad. 7.- Carreteras Libres de peaje. VENTAJAS PARA LA SCT 1.- Contrato plurianual por 7 años. 2.- Reducción de costos en los sistemas de conservación correctivo y preventivo de las carreteras y puentes, seguimiento constante a los sistemas de administración de infraestructura carretera como son: el HDM-4, SIPUMEX y SAIC. (Atención oportuna a los trabajos de conservación y mayor eficacia en la programación de recursos) 3.- Atención permanente contingencia.

para emergencias e incidencias en caso de

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO 4.- Actualización constante del banco de estudios y proyectos ejecutivos de reestructuración y evaluaciones de pavimentos. 5.- Se cuenta con dos empresas MYPIME, una de Ingeniería que tiene todo el desarrollo de estudios y proyectos ejecutivos en la conservación de manera integral y otra para la evaluación técnica de las acciones implementadas: se evalúan pavimentos, se hacen dictámenes de construcción y conservación, favoreciendo a la Dependencia y economizando el costo. 6.- Se ha logrado la identificación y explotación de bancos de materiales de origen basáltico para asegurar la calidad de los trabajos. 7.- Se han propuesto nuevas técnicas de estructuración de pavimentos más económicos y con mejoras estructurales. VENTAJAS COCONAL 1.- El contrato tiene la particularidad de ser plurianual y así se reducen costos por la permanencia de la empresa a largo plazo, evitando la rotación de personal y el retiro y vuelta del equipo. 2.- Optimización integral de recursos por trabajos programados, y de seguimiento, ya que la empresa es propietaria de estos sistemas (HDM4, SIPUMEX Y SAIC). 3.- Programación eficiente de los recursos con inversiones de largo plazo. 4.- Comunicación y discusión constante entre la Dependencia y Coconal para soluciones técnicas programables y problemas en tiempo y forma para optimizar el desarrollo del proyecto. 5.- Nueva tecnología con equipos de última generación. 6.- Estudio y determinación de bancos de basalto con excelente calidad.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO ETAPAS DEL CONTRATO DEL CPCC El proyecto de conservación CPCC-San Luis Potosí contempla tres etapas: PREPARATORIA

2 meses

DESARROLLO

3 años

CONSERVACION

4 años 7 años + 2 meses

Actualmente el CPCC se encuentra en la etapa de desarrollo. Etapas

Actividades Esta etapa inicia con la firma del CPCC y termina cuando la SCT

Preparatoria

entrega al Contratista cada uno de los Tramos del Paquete Carretero, en un plazo máximo de dos meses. Esta etapa inicia para cada uno de los Tramos cuando el Contratista

Desarrollo

obtiene el Certificado de Inicio y concluye cuando cumple con el 100% de los Estándares de Desempeño requeridos y recibe el Certificado de Cumplimiento, en un plazo máximo de 36 meses. La etapa inicia para cada uno de los Tramos cuando el Contratista obtiene el Certificado de Cumplimiento del Tramo y concluye al término del plazo del Contrato. En esta etapa el Contratista deberá

Conservación

cumplir con los Estándares de Desempeño de cada Tramo y de todo el Paquete, con excepción de los plazos en que se lleven a cabo Trabajos de reconstrucción. En el último año el Contratista deberá efectuar trabajos

para cumplir con

los

Requerimientos

Técnicos

a la

Devolución del Paquete Carretero a la SCT

ETAPA DE DESARROLLO Las acciones y actividades que realiza el Contratista durante esta etapa por cada Segmento y Tramo, son las establecidas en los Programas de Conservación y la propuesta del Contratista, e incluyen las obras y actividades necesarias para que cada uno de los Tramos del Paquete Carretero cumpla con los Estándares de Desempeño

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO ESTANDARES DE DESEMPEÑO Los Estándares de Desempeño que se utilizan para verificar la calidad de los Trabajos del Contratista son indicadores que se agrupan conforme a los siguientes elementos:

Número de

Elemento

indicadores

Corona

4

Terracerías

1

Drenaje

2

Señalamiento y dispositivos de seguridad

3

Puentes y pasos a desnivel

3

Funcionalidad del derecho de vía

2

Servicios de vialidad

2 17

Total

ESTANDARES DE DESEMPEÑO DE LA CORONA DEL CAMINO No.

1

2

Estándar / Nivel de

Indicador

Servicio

Índice de Rugosidad Internacional (IRI). En operación Roderas

en

pavimentos

asfálticos

corredores y Red Básica y Secundaria

En

2.81 máx.

Entre 15 mm y 20 mm

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO 3

Resistencia al deslizamiento. Coeficiente de fricción (m) Bacheo en pavimentos asfálticos o de

4

concreto hidráulico Bacheo aislado superficial y profundo

Entre 0.30 min. y 0.80 máx.

No

se

admiten

baches

calaveras. (Cero baches)

ACTIVIDADES REALIZADAS PARA CUMPLIR LOS ESTANDARES DE DESEMPEÑO DE LA CORONA Buscando innovar y darle la oportunidad a nuevos procesos constructivos, las principales tecnologías que ha utilizado COCONAL para cumplir los estándares de desempeño de la corona, consisten en: 

Bases estabilizadas con espuma asfáltica



Bases estabilizadas con emulsión funcionalizada



Mezclas densas de alto desempeño con asfaltos modificados con polímero



Capas de rodadura de alta calidad funcional tipo CASAA

BASES ESTABILIZADAS CON ESPUMA ASFALTICA Es una técnica que permite elaborar mezclas asfálticas, con procesos constructivos especializados, de muy alto rendimiento y ahorro energético, pueden usarse en reciclado en frío de pavimentos asfálticos y estabilización de suelos. El asfalto espumado se logra mediante un proceso, en el cual se inyecta una pequeña cantidad de agua y aire comprimido a una masa de asfalto caliente, dentro de una cámara de expansión. Lo anterior genera una espuma de manera espontánea y puede ser realizado tanto en sitio como en una planta central

ni

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO Esta técnica tiene su origen en 1956, cuando el profesor Ladis Csani de la Universidad Estatal de Iowa comenzó con estudios y pruebas. Después en 1960, se crea la primera cámara patentada para espumar y en 1966 se ofrece esta innovación al mercado en general. A partir de entonces,

se ha utilizado en diferentes países

alrededor del mundo con excelentes resultados.

Asfalto espumado en el proyecto del CPCC de SLP. En el 2011 se utilizó en el pavimento de la carretera Zacatecas, teniendo los siguientes datos: Km. 14+000 al km. 16+000, cuerpo “A” 

Longitud: 2000 m.



Ancho: 10.50 m.



Espesor de asfalto espumado: 0.22 m.



Espesor de carpeta: 0.06 m.



Capa de rodadura tipo CASAA de 0.03 m.



Periodo de ejecución de los trabajos 25 de octubre al 20 de noviembre.

CARRETERA: SAN LUIS POTOSI – ZACATECAS KM 14+000 AL KM 16+000 COLOCACIÓN ASFALTO ESPUMADO

CARRETERA:

Procedimiento SAN LUIS POTOSI –constructivo con el asfalto espumado ZACATECAS KM 9+580 AL 20+500

Localización

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Fresado de la superficie

Planta para asfalto espumado y emulsión asfáltica

Compactación de asfalto espumado

Producción de asfalto espumado

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Riego de impregnación

Tendido de base espumada

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSION ASFALTICA FUNCIONALIZADA La estabilización de bases con emulsión, utilizando materiales recuperados de la estructura existente, para posteriormente tratarlos con emulsión no es nueva, pero es una técnica en continuo desarrollo. Actualmente se utilizan emulsiones del tipo funcionalizado que

permiten

incrementar más rápidamente la cohesión de la mezcla, utilizando menores porcentajes de humedad. Su objetivo fundamental, como en el caso del asfalto espumado, es incrementar la capacidad estructural de un pavimento deteriorado.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO Recuperación y estabilización de bases con Emulsión Asfáltica en el proyecto del CPCC de SLP Algunos de estos trabajos se realizaron en la carretera Zacatecas, del km 9+580 al 14+000 y del km 16+000 al 20+600. Teniendo espesores de 20 cm en la base, 10 cm en la carpeta y 3cm de CASAA.

Procedimiento constructivo de la recuperación en sitio con emulsión asfáltica

Fresado y recuperación del material existente, incorporación de la emulsión asfáltica y material de aporte, compactación profunda con rodillo pata de cabra.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Afine y nivelación de la superficie para

Compactación final con rodillo metálico

eliminar las huellas del rodillo pata de cabra

MEZCLAS DENSAS DE ALTO DESEMPEÑO CON ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMERO EN EL PROYECTO CPCC - SLP Se han obtenido resultados significativamente favorables en las obras donde se usan asfaltos polimerizados. Vinculados a nuevas metodologías de diseño y buenas prácticas

constructivas.

Los

principales

beneficios

que

aportan

los

asfaltos

modificados con polímero a las mezclas asfálticas consisten en incrementar su resistencia a agrietamientos por fatiga y térmicos, a deformaciones permanentes (roderas) y disminuir la susceptibilidad a la humedad.

Procedimiento constructivo de las mezclas densas de alto desempeño

Fabricación de mezcla asfáltica

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

Tendido de carpeta asfáltica

Compactación de carpeta asfáltica

CAPAS DE RODADURA DE ALTA CALIDAD FUNCIONAL TIPO CASAA Hoy en día el usuario de la carretera exige superficies de rodamiento con mayor calidad funcional como es el caso de la resistencia al derrape en seco y en mojado, más silenciosas, menor pulverización (rociado) de agua durante la precipitación pluvial, mayor visibilidad, menor resistencia a la rodadura para disminuir el consumo de combustible, menor desgaste de los neumáticos, menores daños a los vehículos. Estas exigencias han impulsado el uso de las capas delgadas de rodadura de alta calidad funcional sobre las capas de mezcla densa utilizadas como capas de rodadura y sobre otros tratamientos superficiales. Las capas de rodadura de alta calidad funcional pueden ser aplicadas sobre concreto asfáltico, concreto hidráulico o sobre otros tratamientos superficiales existentes.

Capas de rodadura CASAA en el proyecto del CPCC de SLP

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO En el CPCC de SLP se han colocado capas de rodadura tipo CASAA (capa asfáltica superficial altamente adherida) sobre superficies de concreto hidráulico y de concreto asfáltico. En estos casos el CASAA se aplicó sobre superficies asfálticas, Y sobre superficie de concreto hidráulico, en la carretera SLP-Matehuala del km 107+000 AL km. 165+000

Procedimiento constructivo de las capas de rodadura CASAA

TENDIDO DE CARPETA Y COMPACTACION DE CASAA

PAVIMENTO REHABILITADO UTILIZANDO LAS TECNOLOGIAS DESCRITAS A continuación se muestran algunos resultados de los indicadores de desempeño, medidos antes y después de las aplicaciones. Así mismo, en las fotografías se pueden apreciar las condiciones, antes y después de la rehabilitación, de uno de los tramos rehabilitados en el que se utilizaron las tecnologías citadas.

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO RESULTADOS DE INDICADORES DE DESEMPEÑO San Luis Potosi - Matehuala Año 2011 2012

IRI Baja 2.57 1.40

Alta 2.45 1.33

km 107+000 - 165+000 PR Baja Alta 5.14 7.79 2.89 3.74

CF Baja 0.11 0.68

Alta 0.26 0.65

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO

TRABAJOS CARRETERA 49. SAN LUIS - ZACATECAS ANTES

DESPUES

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO CONLUSIONES 

El CPCC de SLP está cumpliendo satisfactoriamente los objetivos de mejorar sustancialmente el servicio a los usuarios, incrementando su seguridad y confort, permitir a la SCT ser más efectiva en el uso de los recursos, reduciendo los costos en los sistemas de conservación correctivo y preventivo de la red, con atención oportuna a los trabajos de conservación y mayor eficacia en la programación de recursos



Este tipo de contratos CPCC plurianuales y con responsabilidad directa del constructor en los estudios, diseño, proyecto ejecutivo y ejecución de los trabajos de restructuración y conservación de pavimentos, así como de la conservación periódica y programable, con orientación a resultados y mecanismos de evaluación y principalmente a la comodidad, seguridad y satisfacción al usuario, sus beneficios son tangibles y medibles, permitiendo la inversión a largo plazo y la aplicación de nuevas tecnologías y la utilización de maquinaria de última generación que redundan en calidad, durabilidad y reducción de costos

VIII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACION EN MOVIMIENTO BIBLIOGRAFIA 

Conservación de carreteras federales libres de peaje.- Ing. Arturo M. Monforte Ocampo.



Taller informativo del CPCC de SLP.- Dirección General de Conservación de Carreteras.



Proyecto de referencia CPCC de SLP.- Dirección General de Conservación de Carreteras



Technical Guideline: Bitumen Stabilised Materials (TG2).- Asphalt Academy.



Mezclas densas de alto desempeño.- Asociación Mexicana del Asfalto.



Capas de rodadura de alto desempeño.- Asociación Mexicana del asfalto.

Determinación de la resistencia a la fatiga en mezclas asfálticas 1

1

1

Mayra Flores Flores , Horacio Delgado Alamilla , Paul Garnica Anguas , Eduardo García

2

1

Instituto Mexicano del Transporte, [email protected], [email protected], [email protected] Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

2

Resumen La fatiga es uno de los criterios de deterioro considerados para el diseño de pavimentos asfalticos y puede ser evaluada a través de ensayos de laboratorio. Entre los ensayos utilizados para evaluar la resistencia a la fatiga se encuentran el ensayo de tensión-compresión, flexión en cuatro puntos, fatiga trapezoidal entre otros. Asimismo, existen diversos criterios para determinar la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica. En este trabajo se presentan algunos criterios existentes para determinar la resistencia a la fatiga a partir de ensayos de laboratorio. Se hace una breve descripción de cada criterio y una comparación de los resultados obtenidos de un ensayo de fatiga en una viga en flexión en cuatro puntos utilizando los criterios descritos en este artículo.

1. Introducción La carpeta asfáltica es susceptible a diversas degradaciones visibles en la superficie del pavimento. Entre las principales degradaciones se encuentran la deformación permanente (roderas), la fisuración por fatiga y la fisuración térmica. Estas degradaciones generan una reducción de la vida útil del pavimento así como problemas a nivel de la seguridad y del confort. La disminución de la vida útil tiene repercusiones importantes en los costos de mantenimiento, ya que la frecuencia y severidad de las degradaciones aumenta [01]. Este trabajo tiene como objetivo describir y comparar algunos de los criterios existentes para determinar la resistencia a la fatiga en mezclas asfálticas. Del análisis realizado se puede observar la importancia de definir adecuadamente este parámetro, de entrada en cualquier método de diseño de pavimentos, pues su determinación errónea puede dar como resultado estructuras de pavimento susceptibles a degradaciones prematuras o sobrediseñadas.

2. Tipos de comportamiento de las mezclas asfálticas Considerando la amplitud de la deformación (||) y el número de ciclos de carga aplicados (N) se pueden identificar cuatro tipos de comportamientos principales [02]: 

para cargas que comprenden algunos cientos de ciclos y deformaciones «pequeñas» (<10 ) el comportamiento es considerado como viscoelástico lineal,



durante cargas de decenas de miles de ciclos y deformaciones «pequeñas» se desarrolla un tipo de daño, conocido como el fenómeno de «fatiga»,



para un número pequeño de cargas y deformaciones importantes, el comportamiento que se observa es fuertemente no lineal,

-4



cuando ciclos de esfuerzos (compresión o tensión) son aplicados a partir de un esfuerzo nulo, deformaciones irreversibles no despreciables se producen para amplitudes de deformación cercanas de la ruptura. Su acumulación crea una «deformación permanente».

log ||

La figura 1 presenta un esquema de los comportamientos descritos en los puntos anteriores.

-2

Ruptura

Influencia de la temperatura

No lineal

Deformación permanente (si ciclos de esfuerzos a partir de 0)

Deformabilidad

-4

Viscoelasticidad lineal (VEL)

-6

1

2

Fatiga

3

4

5

6

log (N)

Figura 1 Comportamiento «tipo» de una mezcla asfáltica a temperatura controlada, () deformación – (N) Número de repeticiones de carga [02]. Las fronteras presentadas en la figura 1, para los diferentes comportamientos, son de magnitudes que pueden variar sensiblemente según el material, la temperatura y el tipo de solicitación. Para el ensayo de flexión en cuatro puntos el rango del comportamiento viscoelastico lineal comprende hasta 400 microdeformaciones.

3. Ensayo de Fatiga El fenómeno de fatiga de un material se caracteriza por su ruptura después de la aplicación repetida de 4 un gran número de solicitaciones (en la práctica N > 10 ), en donde la amplitud de la solicitación es inferior a la carga de ruptura instantánea de la probeta [03]. Los primeros estudios fundamentales del fenómeno de fatiga en laboratorio fueron realizados en los metales por Wöhler en 1852. Son estos materiales para los cuales se tiene mayor conocimiento. Sin embargo, en los últimos años se han realizado diversos estudios en materiales carreteros, concretos y materiales compuestos. En el caso de mezclas asfálticas, estas son sometidas a solicitaciones de corta duración al paso de los ejes del vehículo. La fisuración por fatiga no se presenta inmediatamente, esta se presenta con el tiempo debido a la repetición de cargas en la base de la carretera a causa de esfuerzos de tracción que se acumulan a cada paso de los neumáticos. 3.1. Curva de Wöhler La curva de Wöhler es una curva representativa que permite visualizar los materiales en el rango de fatiga. Define una relación entre la solicitación (esfuerzo o deformación) y el número de ciclos a la ruptura, NR. La curva presenta el número de repeticiones de carga, que puede soportar una probeta hasta su ruptura, en función de la amplitud de la solicitación S (esfuerzo o deformación). Diversos ensayos realizados en el

mismo material a diferentes niveles de solicitación permiten trazar la curva de fatiga de Wöhler. Esta curva es generalmente caracterizada por una de estas dos relaciones: -b

S = A.N : la curva es una recta en coordenadas logarítmicas, S = a - b log(N): la curva es una recta en escala semi-logarítmica. Se denomina resistencia a la fatiga para n ciclos de solicitación, como el valor de la solicitación que conduce a la ruptura para N ciclos. Para ciertos materiales, existe un valor límite de la amplitud de solicitación por debajo del cual el material resiste de manera indefinida y la ruptura de la probeta no se presenta. Este valor es denominado límite de fatiga o de resistencia. En el caso de los materiales asfalticos, todavía no se ha encontrado ningún límite de resistencia. Amplitud de solicitación ( o )

Nf

Numero de ciclos, N

Figura 2 Curva de Wöhler. 3.2. Modo de solicitación En laboratorio se utilizan dos tipos de señales de carga en los ensayos de fatiga: solicitaciones sinusoidales en fuerza o solicitaciones sinusoidales en desplazamiento. La solicitación a aplicar depende del espesor de la capa y de su rigidez relativa. Generalmente se considera que [04]: 

Carpeta asfáltica delgada (< 6cm) es solicitada en deformación constante.



Carpeta asfáltica gruesa (> 15cm) es solicitada en esfuerzo constante.



Carpeta asfáltica de espesor medio es solicitada en un modo intermedio.

Cualquiera que sea el modo seleccionado, durante el ensayo la rigidez de la probeta disminuye a causa del daño por fatiga.

Amplitud de desplazamiento

Numero de ciclos

(a)

Amplitud de fuerza

Numero de ciclos

(b)

Figura 3 Evolución de la respuesta de acuerdo al modo de solicitación. Modo fuerza (a), modo desplazamiento (b).

Para el caso en donde la fuerza es mantenida constante durante el ensayo, la amplitud del desplazamiento aumenta con el número de ciclos de solicitación hasta la ruptura de la probeta, figura 3 (a). En el caso donde la amplitud de desplazamiento se mantiene constante, la amplitud de la fuerza disminuye hasta ser casi nula, figura 3 (b). En este trabajo se realizó el ensayo en control de amplitud de deplazamiento.

4. Mecanismo de fatiga Durante el ensayo de fatiga, independientemente de la solicitación impuesta, se distinguen tres fases de evolución del módulo de rigidez en función del número de ciclos. Fase 1: fase de adaptación, se observa una caída rápida del valor del módulo. Durante este periodo, se asocian fenómenos como el calentamiento y la tixotropía. Fase 2: fase de la fatiga, está definida por una línea ligeramente inclinada que traduce el establecimiento de un régimen estable y cuasi-lineal, con una lenta evolución del daño causado por la creación de microfisuras al interior del material. Fase 3 : fase de ruptura, el modulo decrece brutalmente, se presentan zonas de concentración de esfuerzos y un desarrollo rápido de macro-fisuras, de igual forma la aparición de perturbaciones térmicas en los puntos de fisuración [05].

E

Propagación Fase I: calentamiento

Inicio

Fase II: fatiga

Fase I

Fase III: ruptura

Fase II

Fase III N

Figura 4 Distinción de las tres fases del ensayo de fatiga

5. Criterios de evolución del módulo de rigidez 5.1. Criterio clásico de fatiga En el criterio clásico, la probeta se considera en “ruptura” si su módulo llega a la mitad de su valor inicial medido en el ciclo cincuenta de carga bajo las mismas condiciones de ensayo (misma temperatura y frecuencia). La vida útil Nf es entonces el número de ciclos correspondientes a un módulo de rigidez igual a la mitad de su módulo inicial. La figura 5 presenta el principio de obtención de la curva de Wöhler. Específicamente se presenta un ensayo realizado en control de fuerza y tomando en consideración el criterio clásico de fatiga.

Ln N

Punto de la curva de fatigue

10+6 6

Ln 

Curva de fatiga 0 Ciclo de ruptura par fatiga

Figura 5 Principio de obtención de la curva de Wöhler para un ensayo en control de fuerza. 5.2. Criterio de ruptura Este criterio considera el valor de Nf como el número de ciclos al momento de la ruptura de la probeta. Este criterio es menos utilizado que el criterio clásico ya que este fenómeno solo se presenta en ensayos en modo de fuerza. Para los ensayos en fuerza controlada, no existen diferencias significativas entre las duraciones de vida definidas a la ruptura de la probeta y las definidas por la reducción de la mitad del módulo de rigidez [04]. 5.3. Criterio de la curva de Weibull Este criterio propone presentar el ensayo de fatiga en los ejes [Ln(Ln(N)) – Ln(-Ln(SR)]. La curva obtenida es denominada “la curva de Wiebull” [06]. En esta representación, SR es definida como la relación entre el módulo de rigidez en el ciclo N (EN) y el modulo inicial (E0). Los autores distinguen tres fases del ensayo a partir de esta curva. La primera es la fase de calentamiento hasta una temperatura de equilibrio. La segunda fase es la aparición de la fisuración y la tercera es la propagación de las fisuras. En ciertas curvas, los autores constatan la ausencia de la fase I. Se propone la fase III de la curva como la fase de ruptura. 5.4. Enfoques energéticos Para determinar el número de ciclos a la ruptura considerando el enfoque energético es necesario calcular la energía disipada por ciclo durante el ensayo. En un material viscoelástico como la mezcla asfáltica y en un ensayo de fatiga en una viga a flexión, el área dentro de la curva de histéresis esfuerzodeformación es la energía disipada. La energía disipada por ciclo de carga puede calcularse como sigue [08]: [1] Donde wn

energía disipada en el ciclo n

n

amplitud del esfuerzo en el ciclo n

n

amplitud de la deformación en el ciclo n

n

ángulo de fase en el ciclo n

El número de ciclos a la ruptura es definido de forma diferente según el modo de carga, Hopman et al. [07], proponen la utilización de una “relación de energía” para definir el número de ciclos (N1) en un ensayo en deformación controlada (desplazamiento). Este punto es considerado como el momento de cambio entre la fase de inicio y la fase de propagación de fisuras. La relación de energía W n se define de la siguiente forma: [2] W n: relación de energía n : es el número de ciclo wo: la energía disipada en el primer ciclo, wn : la energía disipada en el ciclo n. Este método propone trazar el valor de W n en función del número de ciclos. En esta curva, se obtiene una recta en la primera fase del ensayo. Para un número de ciclos critico N 1, se presenta una desviación de esta recta, indicando el cambio a la fase de ruptura.

Relación de energía disipada energía Índice Wn disipada ciclo, porde

Índice de energía disipada

Relación de energía disipada por ciclo, Wn

El proceso de determinación depende del modo de ensayo (fuerza o desplazamiento). En modo de fuerza hay que definir la intersección de la recta de la primera fase con la línea horizontal que pasa por el punto máximo de la relación de energía disipada, Figura 6 a).

N1 Repeticiones de carga

N1 Repeticiones de carga

a)

b)

Figura 6 Curva de relación de energía disipada por ciclo y determinación de N1, a) ensayo en modo de fuerza y b) ensayo en modo de desplazamiento Para el modo de desplazamiento se debe identificar la intersección de las dos rectas que pasan por los puntos de las dos fases, Figura 6 b). Con el objetivo de simplificar este método, ROWE [08], propone escribir la ecuación 2 de la manera siguiente: (

n : es el número de ciclo 0: amplitud del esfuerzo en el primer ciclo de carga, n: amplitud del esfuerzo en el ciclo n, 0: amplitud de la deformación en el primer ciclo de carga, n: amplitud de la deformación en el ciclo n, 0: ángulo de fase en el primer ciclo de carga. n: ángulo de fase en el ciclo n.

)

[3]

Para un ensayo en modo de esfuerzo, se remplaza el término de la deformación () por /E en la ecuación 3 y se obtiene: (

)

[4]

La ecuación de arriba tiene varios términos constantes que pueden ser reducidos sin cambiar la forma de la curva de la figura 6, y se considera que la variación en sin  es muy pequeña en relación a la variación del módulo, por lo que . Así la ecuación para definir N1 en un ensayo en modo de esfuerzo puede ser simplificada a: [5] La ecuación 5 es llamada “relación de pérdida de energía” de ROWE. De la misma manera, se puede definir la “relación de pérdida de energía”, , en un ensayo en deformación controlada (modo de desplazamiento) de la siguiente forma: [6] 5.5. Enfoques en términos de daño El daño es considerado como una degradación progresiva de las propiedades mecánicas del material hasta su ruptura. La variable de daño D es definida, tal que: 0 ≤ D ≤ DC ≤ 1 0 : cuando el material está intacto D = DC caracteriza el estado de daño del material, en donde D C es el límite de validez de la hipótesis de daño, para valores superiores la degradación sigue un proceso de macrofisuración. 1 : material en ruptura, según el criterio establecido. Para introducir esta variable de daño que representa la degradación del material, se pueden medir magnitudes físicas (densidad, resistencia, etc.). La utilización de mediciones mecánicas globales (características de elasticidad, plasticidad) facilita la tarea gracias a la noción de esfuerzo efectivo [09]. El parámetro D caracteriza una pérdida relativa del módulo entre el estado inicial y el estado del material al instante t. | ( )| | ( )|

[14]

Para un material viscoelástico, los valores de módulo corresponden al valor del módulo complejo al instante considerado. Para el caso de una solicitación sinusoidal, el tiempo es expresado por el número de ciclos de solicitación. El valor de D en el ciclo N es entonces dado por la relación: | ( )| | ( )|

6.

[15]

Presentación grafica de resultados

Diversas curvas son utilizadas para la presentación de los resultados del ensayo de fatiga. Estas curvas sirven en una primera instancia para verificar la validez del ensayo y observar la evolución de las

características mecánicas en función del tiempo y así tener una idea de la aparición y evolución de las fisuras en la probeta. Las gráficas que se presentan fueron obtenidas de un ensayo de fatiga en una viga a flexión en cuatro puntos ejecutado de acuerdo con la norma AASHTO T321. El ensayo se realizó en deformación controlada a un nivel de deformación de 400 , una temperatura de 20°C y una frecuencia de 10 Hz. La deformación fue medida por medio de un LVDT colocado en la parte inferior y en el centro del claro de la viga de mezcla asfáltica, Figura 7. Para elaborar las gráficas se debe calcular el esfuerzo máximo a tensión (t), la deformación máxima a tensión (t), el ángulo de fase () y el módulo de rigidez a flexión (S). A partir de estos parámetros se calcularán las características mecánicas suponiendo que el material se comporta linealmente (lo cual solo ocurre en una primera aproximación) [14]. El software del equipo registra la deformación máxima a tensión, el esfuerzo máximo a tensión y el ángulo de fase. El módulo de rigidez a flexión se calculó como sigue: 16 Donde S

módulo de rigidez a flexión

t

esfuerzo máximo a tensión

t

deformación máxima a tensión

Figura 7 Equipo de fatiga utilizado para realizar el ensayo 6.1. Evolución de parámetros de la mezcla La primera curva que se presenta (Figura 12), es la evolución del módulo de rigidez a flexión en función del número de ciclos de carga. Esta curva en particular sirve para determinar dos criterios de “ruptura” de la mezcla asfáltica, el criterio clásico y criterio de ruptura de la probeta. En la figura 8 se puede observar claramente las tres fases del ensayo de fatiga. La primera fase se presenta en los primeros 80 000 ciclos hasta un valor de 2100 MPa. Seguido de la evolución cuasi-lineal durante la segunda fase, hasta que las deformaciones se acentúan a partir del ciclo 800 000, que es el punto de inicio de la tercera fase. Debido a que en este modo de ensayo no se presenta la ruptura física

de la probeta, los datos del ensayo fueron extrapolados para determinar el número de ciclos a la ruptura de la viga (curva punteada).

Figura 8 Evolución del módulo de rigidez a flexión en función del número de ciclos de carga. La figura 9 presenta la evolución de la amplitud del esfuerzo y de la deformación en función del número de ciclos de carga. Se observa que el esfuerzo promedio disminuye a lo largo del ensayo. En el inicio del ensayo, el esfuerzo disminuye rápidamente debida a la caída del módulo, después sigue disminuyendo pero a una velocidad moderada.

Esfuerzo

Deformación

Figura 9 Evolución del esfuerzo en función del número de ciclos de carga. Para el caso del ángulo de fase, su valor aumenta durante todo el ensayo. En los primeros 20 ciclos se observa un incremento rápido, y posteriormente se incrementa ligeramente pero constante (figura 10). La variación del ángulo de fase es un parámetro ligado a la fatiga y al daño en la probeta.

Figura 10 Evolución del ángulo de fase en función del número de ciclos de carga. 6.2. Análisis en el plano “complejo” Los análisis clásicos de fatiga solo consideran la evolución del módulo de rigidez a flexión, lo cual los hace un poco restrictivos ya que una completa descripción de las características viscoelásticas de la mezcla requiere que se tome en cuenta el ángulo de fase [12]. El diagrama de Black es una herramienta grafica en el plano complejo que se utiliza para tener una mejor visión de la variación de las características viscoelásticas de la mezcla. La figura 11 presenta los parámetros viscoelásticos obtenidos del ensaye, en esta puede notarse una primera fase donde existe una disminución gradual de los valores del módulo de rigidez a flexión y un ligero incremento del ángulo de fase, pasando a una segunda fase en donde el valor del ángulo de fase permanece casi estable. En este caso la curva quedó incompleta debido a que el ensaye finalizó cuando la rigidez disminuyó un 40 % con respecto a la rigidez inicial, pero si el ensaye continúa el ángulo de fase tiende a disminuir debido a la aparición de las macrofisuras.

Figura 11 Diagrama de Black, ensayo de fatiga en viga a flexión en cuatro puntos. 6.3. Evaluación de la curva de Weibull

La Figura 12 presenta la curva de Weibull descrita en el punto 5.3. En la figura se pueden distinguir las tres fases descritas para este criterio.

Figura 12 Curva de Weibull. Se puede observar que el inicio de la tercera fase corresponde a un valor de SR de -0.85 y el valor de NSR es de 414 903 ciclos, si se considera el criterio clásico de reducción del módulo de rigidez al 50 por ciento (S50%) de su valor inicial, el valor de Nf es de 932 312 ciclos. El valor de NSR es inferior al del criterio clásico. 6.4. Evaluación del criterio de daño Este punto describe la pérdida relativa del módulo de rigidez a flexión entre el estado inicial y el estado del material al instante t, este parámetro es definido como el daño (D) de la probeta. La figura 13 presenta la evolución del daño en la viga durante el ensayo de fatiga. En esta figura se pueden observar las tres fases del ensayo de fatiga. Para determinar el valor de N f se utilizó el criterio de reducción del 50% de valor del módulo de rigidez inicial a flexión.

Figura 13 Evaluación del nivel de daño durante el ensayo de fatiga.

6.5. Variación de la energía En este punto se evalúan los dos criterios energéticos descritos en el punto 5.4. El cálculo de la energía disipada fue realizado mediante la ecuación 1. La figura 14 presenta la evolución de la energía disipada por ciclo durante el ensayo de fatiga realizado en deformación controlada, se puede observar que la energía disipada disminuye durante todo el ensayo.

Figura 14 Evolución de la energía disipada en función del número de ciclos. Utilizando el criterio de relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al 1989), se determinó el valor de N1. Para el caso particular de la mezcla asfáltica evaluada se obtuvo el punto de inicio de la fase de propagación de fisuras N1 en el ciclo 710 000 (figura 15).

Figura 15 Relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al, 1989). De igual forma se realizó el análisis de perdida de energía de acuerdo a la simplificación propuesta por ROWE. De esta figura se puede observar que el valor del N 1 es el mismo que el obtenido con el criterio de energía disipada por ciclo de Hopman.

Figura 16 Relación de perdida de energía disipada (ROWE, 2000). A continuación se presenta un resumen del número de ciclos a la falla determinados con los criterios vistos anteriormente, se puede observar que el criterio clásico y de nivel de daño proporciona el mayor número de ciclos a la falla mientras que en el criterio de Weibull el número de ciclos a la falla se reduce considerablemente.

Criterio Clásico (Nf 50%) Weibull Nivel de daño Relación de energía disipada por ciclo (Hopman) Pérdida de energía disipada (Rowe)

No de ciclos a la falla 926 000 414 903 924 000 710 000 710 000

6.6. Conclusiones de los criterios utilizados para el análisis de la fatiga. Como se puede observar, en las determinaciones realizadas en los puntos anteriores, existen diferencias en la determinación de la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica debido a la selección del criterio de falla. En el criterio clásico la resistencia a la fatiga es más conservadora que en el criterio de ruptura.

7. Comentarios y recomendaciones La fisuración por fatiga es una de las principales degradaciones que se presentan en un pavimento asfaltico, y uno de los criterios de diseño de la estructura del pavimento. Por lo cual, su correcta determinación en laboratorio es primordial para tener una acertada estimación de la vida útil del pavimento bajo este criterio de falla. Se pudo establecer que la selección del criterio de ruptura forma parte importante en la determinación de la vida en fatiga de una mezcla asfáltica. Adicionalmente, cada uno de los criterios proporciona información adicional sobre el comportamiento de la mezcla asfáltica a la fatiga.

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Nuevo criterio de Análisis para pruebas de fatiga en mezclas asfálticas 1

1

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, José Antonio Gómez López , Mayra Flores Flores , Horacio Delgado Alamilla , Paul Garnica Anguas

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Investigador Instituto Mexicano del Transporte, [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen La resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas es definida como su capacidad para responder ante las cargas repetidas del tránsito bajo las condiciones prevalecientes del tránsito sin agrietamiento significativo o a fallas prematuras. El daño en pavimentos asfálticos debido a esfuerzos y deformaciones causadas tanto por tráfico como por cuestiones ambientales puede manifestarse como agrietamiento por fatiga el cual es considerado como un mecanismo primario de deterioro en los pavimentos asfálticos. Las características de fatiga del asfalto son por lo tanto un importante parámetro estructural en el diseño de pavimentos. La deformación a la tensión en la parte inferior de la capa asfáltica es considerada en el proceso de diseño a ser el parámetro de control del agrietamiento por fatiga. Uno de los principales objetivos del acercamiento al diseño de pavimentos asfálticos es por lo tanto, limitar la deformación a la tensión horizontal máxima y por lo tanto el agrietamiento en las capas asfálticas. En este trabajo se presenta un criterio que permite evaluar el daño en la falla de mezclas asfálticas que han sido sometidas a procesos de fatiga para el caso en estudio corresponde a ensayos realizados en viga en cuatro puntos.

1. Introducción El fenómeno de fatiga es uno de los principales deterioros presentes en las mezclas asfálticas que conforman las capas de rodamiento de los pavimentos, el cual ocurre bajo la acción repetida del tránsito. La repetición de las cargas produce una pérdida en la rigidez del material hasta llegar a la falla. La resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas corresponde a su capacidad para soportar las cargas repetidas sin fallar o agrietarse. La vida de los pavimentos está directamente relacionado con este fenómeno el cual deberá ser estudiado correctamente para asegurar un adecuado diseño estructural. Aunque la fatiga ha sido estudiada por diferentes autores este fenómeno aún no es completamente entendido. Diferentes métodos son aplicados en laboratorio para caracterizar la fatiga de mezclas asfálticas considerando pruebas tanto homogéneas, como no homogéneas como es el caso de los resultados de pruebas en ensayes de vigas cargadas en cuatro puntos y que serán tratadas más adelante. En los ensayes que se realizaron en esta etapa experimental corresponden a mezclas asfálticas (vigas cargadas en cuatro puntos) las cuales fueron ensayadas utilizando una carga del tipo sinusoidal bajo control de deformación, una temperatura de 20 °C y una frecuencia de 10 Hz. La deformación fue medida por medio de un lvdt el cual se encuentra en la parte inferior y al centro del claro de la viga de mezcla asfáltica. Los ensayes pueden ser realizados bajo otras condiciones pues el equipo permite trabajar con diferentes frecuencias bajo control de temperatura. Las características de fatiga de mezclas asfálticas son usualmente representadas como relaciones entre la rigidez inicial y el número de repeticiones de carga a la falla determinada de pruebas ejecutadas a

diferentes niveles de deformación. El comportamiento a la fatiga puede ser caracterizado por la pendiente y el nivel relativo de rigidez contra el número de repeticiones de carga en la falla (curvas de Wöhler).

2. Comportamiento de las mezclas asfálticas Considerando la amplitud de la deformación (||) y el número de ciclos de carga aplicados (N) se pueden identificar cuatro tipos de comportamientos principales [02]: 

para cargas que comprenden algunos cientos de ciclos y deformaciones «pequeñas» (<10 ) el comportamiento es considerado como viscoelástico lineal,



durante cargas de decenas de miles de ciclos y deformaciones «pequeñas» se desarrolla un tipo de daño, conocido como el fenómeno de «fatiga»,



para un número pequeño de cargas y deformaciones importantes, el comportamiento que se observa es fuertemente no lineal,



cuando ciclos de esfuerzos (compresión o tensión) son aplicados a partir de un esfuerzo nulo, deformaciones irreversibles no despreciables se producen para amplitudes de deformación cercanas a la ruptura. Su acumulación crea una «deformación permanente».

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log ||

La Figura 1 presenta un esquema de los comportamientos descritos en los puntos anteriores.

-2

Ruptura

Influencia de la temperatura

No lineal

Deformación permanente (si ciclos de esfuerzos a partir de 0)

Deformabilidad

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Viscoelasticidad lineal (VEL)

-6

1

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Fatiga

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5

6

log (N)

Figura 1 Comportamiento «tipo» de una mezcla asfáltica a temperatura controlada, () deformación – (N) Número de repeticiones de carga [04]. Las fronteras presentadas en la Figura 1, para los diferentes comportamientos, son de magnitudes que pueden variar sensiblemente según el material, la temperatura y el tipo de solicitación. Para el ensayo de flexión en cuatro puntos el rango del comportamiento viscoelástico lineal comprende hasta 400 microdeformaciones.

3. Mecanismo de fatiga Diferentes propuestas han sido desarrolladas para la interpretación del fenómeno de fatiga. Lo importante es definir el criterio correcto para caracterizar la falla por fatiga en el material. Durante una prueba de fatiga el proceso de degradación del módulo de rigidez está dividido principalmente por tres etapas (Figura 2). Fase 1: fase de adaptación, el módulo de rigidez decrece rápidamente. Durante este periodo, se asocian fenómenos como el calentamiento causado por la disipación de energía y la tixotropía. Fase 2: fase de la fatiga, está definida por una línea ligeramente inclinada que traduce el establecimiento de un régimen estable y cuasi-lineal, con una lenta evolución del daño causado por la creación de microfisuras al interior del material.

Fase 3: fase de ruptura, el modulo decrece rápidamente, se presentan zonas de concentración de esfuerzos y un desarrollo rápido de macro-fisuras. La coalescencia acurre a cierto nivel de microagrietamiento.

E

Propagación Fase I: calentamiento

Inicio

Fase II: fatiga

Fase I

Fase III: ruptura

Fase II

Fase III N

Figura 2 Etapas presentes durante un ensayo de fatiga.

4. Criterios de fatiga Criterios clásicos de fatiga Nf50% y Nf30% Los criterios clásicos de fatiga están basados en un decremento relativo del módulo de rigidez. Estos no contemplan los efectos de desviación que aparecen durante la fase I (calentamiento, tixotropía). El criterio más clásico de fatiga (Nf50%) es definido como el número de ciclos correspondiente a la disminución del módulo de rigidez hasta el 50 % de su valor inicial (o el número de ciclos correspondiente a la falla si esta ocurre antes del 50 % del decremento del módulo inicial. El criterio de NF30% es definido como el número de ciclos correspondiente al decremento den módulo en un 30 % de su valor inicial. Criterio de máximo ángulo de fase (Nfmax) Este criterio está basado en la evolución del ángulo de fase del módulo de rigidez. Cuando el valor más alto del ángulo de fase es obtenido se considera que se ha alcanzado la falla. Criterio obtenido de análisis de homogeneidad del ensayo Este criterio puede ser utilizado solamente cuando los ensayes a fatiga se realizan en pruebas de tensión-compresión y por lo tanto los ensayos son homogéneos. Se calculan las diferencias que existen entre los extensómetros con los que se instrumenta la probeta y se está en posibilidad de determinar la variación que existe entre los ángulos de fase y las deformaciones obtenidas durante el ensayo. Criterio de energía disipada La evolución de esta relación de energía disipada es una función del número de ciclos que exhibe dos periodos, para ambos periodos la evolución se considera lineal pero la pendiente del segundo periodo es más grande. Las dos líneas son trazadas para cada periodo. Estos dos periodos indican una diferencia en el comportamiento global de la muestra ensayada. Esta diferencia ocurre durante una pequeña zona de transición la cual es interpretada como la iniciación de la grieta. El número de ciclos N FWN es obtenido de la intersección de las dos líneas rectas. Es necesario señalar que el criterio de energía disipada no

puede ser usado directamente para pruebas bajo esfuerzo controlado debido a que la evolución de la energía disipada es diferente. Curva de Wöhler La curva de Wöhler es una curva representativa que permite visualizar los materiales en el rango de fatiga. Define una relación entre la solicitación (esfuerzo o deformación) y el número de ciclos a la ruptura, NR. La curva presenta el número de repeticiones de carga, que puede soportar una probeta hasta su ruptura, en función de la amplitud de la solicitación S (esfuerzo o deformación). Diversos ensayos realizados en el mismo material a diferentes niveles de solicitación permiten trazar la curva de fatiga de Wöhler. Esta curva es generalmente caracterizada por las siguientes relaciones: -b

S = A.N : la curva es una recta en coordenadas logarítmicas, S = a - b log(N): la curva es una recta en escala semi-logarítmica. Se denomina resistencia a la fatiga para n ciclos de solicitación, como el valor de la solicitación que conduce a la ruptura para N ciclos. Para ciertos materiales, existe un valor límite de la amplitud de solicitación por debajo del cual el material resiste de manera indefinida y la ruptura de la probeta no se presenta. Este valor es denominado límite de fatiga o de resistencia. En el caso de los materiales asfalticos, todavía no se ha encontrado ningún límite de resistencia.

Determinación de los parámetros en pruebas de fatiga Para elaborar las gráficas se debe calcular el esfuerzo máximo a tensión (t), la deformación máxima a tensión (t), el ángulo de fase () y el módulo de rigidez a flexión (S). A partir de estos parámetros se calcularán las características mecánicas suponiendo que el material se comporta linealmente (lo cual sólo ocurre en una primera aproximación) [14]. El software del equipo registra la deformación máxima a tensión, el esfuerzo máximo a tensión y el ángulo de fase. El módulo de rigidez a flexión se calculó como sigue:

donde S : módulo de rigidez a flexión t : esfuerzo máximo a tensión t : deformación máxima a tensión Criterio de energía disipada Para determinar el número de ciclos a la ruptura considerando el enfoque energético es necesario calcular la energía disipada por ciclo durante el ensayo. En un material viscoelástico como la mezcla asfáltica y en un ensayo de fatiga en una viga a flexión, el área dentro de la curva de histéresis esfuerzodeformación es la energía disipada. La energía disipada por ciclo de carga puede calcularse como sigue [08]:

Donde wn :

energía disipada en el ciclo n

n : n : n :

amplitud del esfuerzo en el ciclo n amplitud de la deformación en el ciclo n ángulo de fase en el ciclo n

El número de ciclos a la ruptura es definido de forma diferente según el modo de carga, Hopman et al. [07], proponen la utilización de una “relación de energía” para definir el número de ciclos (N1) en un ensayo en deformación controlada (desplazamiento). Este punto es considerado como el momento de cambio entre la fase de inicio y la fase de propagación de fisuras. La relación de energía W n se define de la siguiente forma:

W n: relación de energía n : es el número de ciclo wo: la energía disipada en el primer ciclo, wn : la energía disipada en el ciclo n. La Figura 3 presenta la evolución de la energía disipada por ciclo durante el ensayo de fatiga realizado en deformación controlada, se puede observar que la energía disipada disminuye durante todo el ensayo.

Figura 3 Evolución de la energía disipada en función del número de ciclos. Utilizando el criterio de relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al 1989), para las muestras ensayadas en laboratorio, se determinó el valor de N1. Para el caso particular de la mezcla asfáltica evaluada, se obtuvo el punto de inicio de la fase de propagación de fisuras N 1 en el ciclo 710 000 (Figura 4). Evolución de parámetros de la mezcla La Figura 5 presenta claramente las tres fases del ensayo de fatiga. La primera fase se presenta en los primeros 100 000 ciclos hasta un valor de 2100 MPa. Seguido de la evolución cuasi-lineal durante la segunda fase, hasta que las deformaciones se acentúan a partir del ciclo 800 000, que es el punto de inicio de la tercera fase. Los datos del ensayo fueron extrapolados para determinar el número de ciclos a la falla suponiendo la ruptura de la viga (curva punteada).

Figura 4 Relación de energía disipada por ciclo (Hopman et al, 1989), ensayo de viga cargada en cuatro puntos en modo de deformación controlada.

Figura 5 Evolución del módulo de rigidez a flexión en función del número de ciclos de carga. Evaluación del criterio de daño Este punto describe la pérdida relativa del módulo de rigidez a flexión entre el estado inicial y el estado del material al instante t, este parámetro es definido como el daño (D) de la probeta. La Figura 6 presenta la evolución del daño en la viga durante el ensayo de fatiga. En esta figura se pueden observar las tres fases del ensayo de fatiga. Para determinar el valor de N f se utilizó el criterio de reducción del 50% de valor del módulo de rigidez inicial a flexión.

5.

Daño en la falla

Daño al final de la fase II (comienzo del micro-agrietamiento) La falla correspondiente al final de la fase II está caracterizada por dos parámetros, D III, daño observado y el número de ciclos NFF.

Tapsoba et al (2011) proponen la determinación del número de ciclos NFF como el promedio de los resultados del número de ciclos a la falla en pruebas de fatiga utilizando cuatro criterios (no considera NF50% y NF30%). Un nuevo daño critico en el punto de falla, DIII, está dado por la ecuación

Donde EIII es la norma del módulo en la transición entre las fases II y III y E o es la norma del módulo inicial (en el ciclo 1).

Figura 6 Evaluación del nivel de daño durante el ensayo de fatiga. Daño corregido al final de la fase II, DIIIc El método desarrollado en la,ENTPE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, (Ayasher Soltani, 1998, Di Benedetto et al 1996, Baaj 2002, Di Benedetto et al 2004, Baaj et al 2005) es usado para caracterizar el daño al final de la fase II. El método considera los efectos de variación por los efectos ocurridos durante la fase I, para corregir e interpretar las pruebas de fatiga, y así caracterizar adecuadamente el fenómeno de fatiga. Una evolución lineal del módulo complejo es considerada con el número de ciclos aplicado dentro de intervalos dados, consideran tres intervalos: a) Primer intervalo (i=0) de 40 000 a 80 000 ciclos b) Segundo intervalo (i=1) de 50 000 a 150 000 ciclos c) Tercer intervalo (i=2) de 150 000 a 300 000 ciclos.

El DIIIc representa la cantidad de daño en la falla corregido por efectos de variación, esta es calculada con la siguiente expresión.

Donde Ci y Eooi dependen del intervalo i. Eooi es la rigidez en el ciclo1 obtenido por extrapolación lineal para el intervalo i. Es importante señalar que el intervalo considerado para el análisis depende de N FF. El intervalo a ser considerado es el que tiene los valores más altos de ciclos debajo de NFF. Los valores de Ci considerados son: Ci = Co =4/5 para el intervalo 0; Ci = C 1 =3/4 para el intervalo 1; Ci = Co =2/3 para el intervalo 2.

DIII es el daño crítico. Esto es calculado de EIII, la norma del módulo en la transición entre las fases II y III y Eo, la norma del módulo inicial. Entonces el daño corregido en la fase II es calculado, conociendo Eo, EIII, el intervalo i y Eooi. También se puede escribir

DIIIc = DIII – (Eo-Ef)/Eo.

El parámetro Ef el cual tiende a ser un valor constante, para los tres intervalos es interpretado como el módulo inicial para el material en ese estado durante el intervalo i. Ef = - Ci Eo - Eooi + Eo Utilizando los criterios señalados anteriormente se presenta el análisis realizado a una prueba de fatiga cargada en cuatro puntos. El NFF se consideró como el promedio del número de ciclos obtenidos para el criterio de Hopman y el de daño (710 000 y 924 000 ciclos respectivamente) (Figura 7). De manera análoga se realizó el análisis para la viga sometida a 500 Figura 8

Figura 7. Análisis y presentación de NFF, EIII, Eooi, y DIII para un ensayo realizado en fatiga (viga cargada en cuatro puntos), viga sometida a 400 .

Figura 8 Análisis y presentación de N FF, EIII, Eooi, y DIII para un ensayo realizado en fatiga (viga cargada en cuatro puntos) viga sometida a 500 .

La Figura 9 presenta los valores de daño a la fatiga DIII y los valores corregidos D IIIc para vigas ensayadas a 400 y 500 . 70

Valores de daño en %,

60 50 DIII, fatiga 40 DIII, fatiga corregido

30 20 10 0 300

350

400

450

500

550

Microdeformaciones, 

Figura 9 Evolución de los valores de daño por fatiga DIII y valores corregidos DIIIc de la transición entre la fase II y la fase III.

6. Conclusiones En los ensayes realizados y graficando la evolución del módulo de rigidez contra el número de ciclos se observan claramente las tres fases que determinan la degradación de la mezcla cuando está sometida a efectos de fatiga. El daño DIII y el daño corregido DIIIc permiten conocer el comportamiento de la mezcla asfáltica cuando es sometida a fatiga y estos parámetros contemplan los efectos de variación que suelen ocurrir en la fase I. Es importante utilizar un NFF adecuado que pudiera ser el promedio de más criterios para que no haya tendencias hacia alguno. Es necesario desarrollar mayor investigación relacionada a la fatig en mezclas asfálticas para que se obtengan modelos que se implementen en el diseño de los pavimentos para que estos tengan un mejor desempeño en el tiempo.

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WARM MIX ASPHALTS WITH CECABASE RT ADDITIVE: PROPERTIES AND ADVANTAGES J. González-León, V. Luca Centre de Recherche Rhône-Alpes ARKEMA, Rue Henri Moissan, B.P. 63 Pierre-Bénite, France 69493 [email protected]

ABSTRACT Recently, new technologies have been developed to reduce the environmental impact of the road construction industry. Among them, the technologies that allow a substantial reduction on the energy consumed during the production of hot asphalt mixtures have taken a very important role. There are several technologies, based on very different physicochemical phenomena that allow producing what is now known as warm mix asphalts. The work presented here describes the use of one particular type of warm mix asphalt technology based on chemical additives. This technology has been already proven to work under very different laboratory and field job conditions. It is based on the use of surfactant-type additives that enhances the workability of an asphalt mix allowing it to be paved and compacted at lower temperatures. Only a low concentration, from 0.2 to 0.5wt% with respect of bitumen, is required to have the desired effect. The several advantages observed by the use of this warm mix asphalt technology are presented in this work, including field job examples, measured energy consumption reductions and environmental measurements. It is also a matter of this work the discussion of the enhanced functionality that this particular kind of additives may provide. Examples of such are their role as adhesion promoters in the asphalt mixture and as aids on the incorporation of higher amounts of reclaimed asphalt pavement.

1. INTRODUCTION – WARM MIX APSHALTS The term warm mix asphalts (WMA) has been given to those asphalt mixtures that are produced and paved at lower temperatures to those normally used in standard hot mix asphalts (HMA). During the last years, there has been an important development on the different technologies that allow such reduction of temperature and on the characterization of the resulting pavements. Currently, there are more than 20 different technologies that allow the production of WMA [1]. These techniques actually depend on very different physical and chemical processes to allow the production of WMA. The main challenge is to enhance the workability of the asphalt mixture as the temperature is reduced. As the temperature is reduced, the bitumen increases its viscosity making the covering of the aggregates and the compaction of the mix more difficult [2]. The several WMA technologies on the market can nevertheless been grouped on four categories, based on the physical principle used for enhancing the workability of the mixture at reduced temperatures: Sequencing of hard and soft bitumens – One of the first technologies developed for WMA production was the one developed by Kolo Veidekke [3]. In this technique, sequential mixing of a portion of the aggregates with a hard bitumen is done before the rest is mixed with a foamed softer bitumen. This approach requires a substantial modification of the production plant (as it is actually a different process) and handling of different binders. Water foam processes – This is a large group that includes probably the majority of WMA technologies on the market. In all of them, bitumen foam is produced by evaporation of water during the mixing process. The water vapour produced when in contact with the hot bitumen increases the surface area of the binder as well as provides additional energy to the system to better cover the aggregates. It is claimed by some technology providers that the amount of residual water (in liquid or vapour form) is key to maintain the workability of the mix afterwards. The main difference between the technologies in this group is the way the water and the binder contact takes place. One option is to add mineral additives that contain water to be released only at higher temperatures (as those used for asphalt mix production), an example of such additives are the zeolithes [3,4]. A different option is to produce the foam at the same time the bitumen is injected into the mixer. Such technologies are based on the actual machine (nozzle system) that can effectively generate the foam at such point of the mix production [5]. Another option is to only partially dry a portion of the mineral formula before adding the binder [6]. Such approach has the potential to reduce even further the temperature of production (as it may be below 100°C). However, the control of the amount of water present of the aggregate fraction, being key to the process, may be challenging. On last example of the foaming approach is to actually use a bitumen emulsion, instead of a dry binder. In this case the water is already in close contact to the bitumen when in contact with the heated aggregate [7]. Waxes – In this case, an additive is added into the bitumen to reduce its viscosity at mixing temperatures only. This has been achieved through the use of waxes [3,4]. The waxes are chosen such that they melt above about 100-110°C. On the melt state, they can decrease the viscosity of the bitumen, improving the bitumen covering of the aggregates and the workability of the mixture. At lower temperatures, they crystallize, reinforcing the bitumen at application conditions. They are usually used at concentrations of about 2 to 3% by weight of the binder. Care should be taken, not to work at temperatures lower than the crystallization temperature of the wax. These additives do modify the properties of the

bitumen, in particularly the low temperature properties [8], and could actually change its grade. Chemical additives – On this group we found additives that act on a very different way than the before-mentioned wax additives. Contrary to waxes that modify the bulk of binder, the chemical additives act only at the interface between the mineral aggregate and the bitumen [9]. This is the reason why these additives actually are used on very small doses (from 0.3% to 0.6% by weight with respect of binder). The reported benefits of WMA had been also subject to several previous publications [1,3,9]. There are several benefits as a consequence of reducing the temperature of an asphalt mix production. These advantages are mainly the reduction on energy used in the production and the reduction of the emissions related to this reduction in temperature. Other advantages such as the comfort to the workers can also be cited. However, some advantages are unique to each technology since they are the results of the particular mechanisms to achieve the reduction in temperature In this work, a further discussion about the chemical additives is done. The properties of the asphalt binder comprising the additives as well as on the asphalt mixture are presented. The observed advantages by the use of the chemical additives, both those related to the reduction in temperature as well as those unique to the chemical additives are presented. The laboratory work and field jobs described and discussed in this work were carried out using a commercial additive patented by CECA, named CECABASE RT. These are liquid additives, which used at 0.3% to 0.5% by weight of the bitumen, are claimed to allow a reduction in asphalt mix production temperature of about 40°C [10]. More than 2.5 million tons of asphalt mix have already been produced around the world with these additives. 2. HOW CHEMICAL ADDITIVES WORK The chemicals used for the production of WMA are actually surfactant-like molecules. As any surfactant molecule, they are capable of changing the interfacial interactions between two different phases. In this case the chemical additives interact at the mineral and bitumen interphase, changing the way the mineral interact between each other. A smaller amount of additive is required to cover the surface of the mineral aggregates than to actually change the properties of the whole volume of bitumen. This is the reason why such a small amount of chemical additive, between 0.3% and 0.6%, is required to produce WMA. At this small concentration of additive, even if it is a liquid with a lower viscosity than hot bitumen, the properties of the bitumen remain mainly unchanged. The viscosity and mechanical properties of the bitumen containing a chemical additive for WMA are not modified by its presence. The viscosity as a function of temperature of a bitumen with and without a chemical additive for WMA was measured. A dynamical shear rheometer with temperature controlling capabilities was used to measure the viscosity at a shear rate of 100/s under a parallel-plate geometry. Figure 1a shows the viscosity curve of bitumen with a penetration grade of 35/50 1/10mm containing 0.3% of Cecabase RT additive. On the same curve, the viscosity of the original bitumen without the additive is also shown. It can be seen that the two curves are almost identical at the measured temperatures. Another measurement was carried out at lower temperatures to evaluate the effect of additives at normal use temperatures. The parameter G*/sin δ was measured using the same rheometer at a frequency of 2 Hz and 1% strain as a function of temperature between 20 and 100°C.

Figure 1b shows the curves of the 35/50 1/10mm bitumen with and without the chemical additive. It can be seen that the two curves superpose each other, demonstrating that there is practically no change on the bitumen rheological properties under the conditions of the test. If the high temperature performance grade criteria (PG–grade) is used as a guide line, the temperature at which the reference bitumen reach 1 kPa is 53.6°C. For the same bitumen with the additive, this temperature is 53.1°C. This difference is within the 2% error interval of the measurement, and could hardly change the attributed grade of the bitumen. 2

1.E+07

35-50 bitumen

1.E+06

35-50 bitumen + 0.3% Cecabase RT

35-50 bitumen

G*/sin delta (Pa)

Viscosity (Pa s)

35-50 bitumen + 0.3% Cecabase RT

1

a) 0 110

1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01

b)

1.E+00 120

130

140

Temperature (°C)

150

160

20

40

60

80

100

Temperature (°C)

Figure 1 - Rheological measurements of a 35/50 1/10mm bitumen with and without a chemical additive for WMA.

These results confirm those published before where no significant changes in penetration values and ring and ball temperatures were observed when similar additives were used [11,12] Bitumen is naturally a good adhesive on the aggregates, which is also the reason why it is used for pavement construction. This adhesion limits the movement and flow between the bitumen and the minerals during the production and laying operations, while playing an important role at application temperatures by increasing the overall material cohesion. Bitumen in an asphalt mix is spread and confined by the mineral aggregates during mixing. This can be observed on Figure 2a that shows a scanning electron microscope image of a cross section of an asphalt mix at edge of a large aggregate [9]. It is not difficult to imagine that the friction generated by all the interfaces between bitumen and aggregates is very high, which sets and controls the limits of the mixing, handling and compacting ability of the asphalt mixture. This is one of the reasons why it is necessary to work at relatively high temperatures for asphalt mix production in order to overcome this friction limitation. The chemical additives for WMA production compete with the bitumen at the aggregate interface and are adsorbed in its place at asphalt mix production temperatures (between 200°C and 100°C). These chemical additives reduce the surface tension of the bitumen/aggregate interface during the mixing operation. Thus making easier for the bitumen to wet and finally cover the mineral aggregate even at lower mixing temperatures, where the bitumen has a higher viscosity (schema in Figure 2b). More importantly, the additive helps to avoid a too strong bitumen adhesion on the mineral particles by acting as a lubricant during the mixing – handling – laying – compacting steps.

This effect is responsible for the improvement of the asphalt mix workability. At standard high temperatures, the use of the additive eases the whole industrial process (mixing – handling – laying – compacting steps). At reduced temperatures, about 40°C lower, the use of the additive enables to keep a good workability, comparable to that of a regular hot asphalt mix.

a)

b)

25 μm

m Figure 2 - a) Scanning electron microscope image of an asphalt mix cross section [9]. b) Scheme of the differences in surface tensions at the bitumen / aggregate interface, with and without chemical additives

Since, as mentioned above, the additive effect can only be evaluated when in contact of the mineral on an asphalt mix, the question raises of how to determine (or confirm) the effect of a chemical additive on the workability of the mix. The straight forward method is to carry out standard compaction experiments on the lab, at WMA temperature conditions, and see if they are comparable to those usually obtained at standard temperature conditions. This kind of testing is reassuring to a certain point, it can prove that WMA will perform on a similar way as a regular HMA, but it has been shown to have several limitations. One such limitation is its lack of sensibility to search for the optimal temperature, or conditions of WMA production. A research group published a study where they showed that by following the compaction of a mix by a Marshall press it was found that only a reduction of 10°C would be possible by using a chemical additive [11]. It is know from actual field experience than reductions in the order of 40°C are quite possible [9,12]. Another publication actually showed that the type of compaction could actually have an effect of the evaluation of WMA. It was found that the Marshall press was less adapted than the gyratory press for WMA studies [13]. Results from the compaction with the gyratory compactor of an asphalt formula for thin rolling courses (BBTM) are shown on Table 1. The formula contained 26% of a 0/2 fraction, 71% of a 6/10 fraction, 3% filler and 5.6% of polymer modified bitumen. The void percentage is calculated by the geometry of the sample after 40 gyrations under a pressure of 6 bar. The specimens were then tested under compress ion following NF P98-251-1.

Table 1 - Compaction of a BBTM formulation with and without the additive. Bitumen Aggregate T Compaction Void % T (°C) (°C) T (°C) Reference HMA 160 160 160 9.3 Reference WMA (no additive) 160 120 120 9.8 WMA with 0.4% 160 120 120 9.5 Cecabase RT945

ITS (kN) conditoned 7.0 3.4 10.1

ITS (kN)

ITSR

12.0 10.8

0.58 0.31

12.1

0.84

As can be seen in this case, the void content of the WMA with additives is closer to that of the HMA than that of the WMA without additives. The difference, however, is small and hardly significant. This suggests that simple compaction experiments, as mentioned before, might not be sufficient to characterize or search WMA conditions of a given formula. Nevertheless, more significant differences were observed on the indirect tensile strengths (ITS). The ITS for the non conditioned sample (stored dry for 2 days) actually showed a decrease in values for the WMA, probably due to the lack of cohesion of the sample. The WMA with the additive has a similar value to that obtained with the HMA. The correct characterization of the WMA on the laboratory is an issue for all the WMA technologies since no standard test exists to evaluate the workability of a mix on the laboratory to this date. There are, however, several published techniques that attempt to evaluate the workability of an asphalt mix [14,15]. Some are based on actual torque measurements of the asphalt mixtures; other claimed that particular tribology measurements on the bitumen could actually be correlated to the workability of the final mix. Although the different tests have found a certain degree of success (differences observed between HMA and WMA), no method has been found to be fully representative to what is observed on the field. On a previous paper, there were showed asphalt mix workability experiments carried out by the laboratory Baustofflabor Hamburg in Germany [12]. Their approach is also based on a direct torque measurement of asphalts mix. The resistance of a moving object inside the mix is measured as described in an official German publication [16]. The measured torque values actually increased as the mix was measured at a lower temperature (40°C lower). The measured values were 292 Ncm for the mix at 160°C and 318 Ncm for the mix at 120°C. When the measurement was carried out at the same conditions at 120°C with 0.5wt% of chemical additive in the bitumen, a value of 290Ncm was measured. This demonstrated that there was a significant effect of the additive, which brings back the torque value of a mix at 120°C to values comparable as those found at 160°C. These results further demonstrated the effect of chemical additives on the workability of asphalt mixtures, however, it would be somewhat difficult to widely implement this kind of measurements to the road community at large. Another issue with the characterization of WMA on the lab is the obtained values of tensile strength. On some cases, the tensile strengths obtained from WMA are lower to those obtained with regular HMA, even at equivalent compaction levels. A possible explanation for this difference are the different levels of binder oxidation between a HMA and a WMA, which may result in a slightly softer mix in the WMA. Bitumen goes through a significant oxidation process during the mixing process. Since the oxidation process is a chemical reaction, with strong temperature dependent kinetics, bitumen at lower temperature should therefore be less oxidized. A previous publication has show differences between recuperated bitumens from HMA and WMA, where the WMA bitumen was softer [13]. It was also showed that originally the two bitumens, with and without chemical additive, did

not have this difference. This difference may be more pronounced in mixes containing soft bitumen, since the effect of hardening by the oxidation will be more accentuated. To compensate this issue, some laboratories had actually suggested annealing the WMA from 2 to 4 hours, at the WMA temperature, before compaction (always within the limits of the norms) to better represent what is observed on the field [17].

3. EVALUATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF A WMA WITH CHEMICAL ADDITIVES An HMA mixture was designed to meet the Caltrans and NDOT specifications for the Hveem mix design methods [18]. Even though NDOT mandates the use of hydrated lime in all its mixtures, it was not used in this study so that only the impact of the Cecabase™ RT on the mixture properties can be evaluated. As can be observed in the table below, the obtained properties with the WMA additive are well within the specifications. Table 2 – Properties or a HMA and WMA Property Mixing Temperature, °C Compaction Temperature, °C Optimum Binder (OBC), % DWA2 Design Air Voids, % TWM3 Max Theoretical Specific Gravity VMA, Caltrans Procedure, % VMA, NDOT Procedure, % VFA, Caltrans Procedure, % VFA, NDOT Procedure, % Hveem Stability Uncond. Tensile Strength, kPa Tensile Strength Ratio, %

HMA

WMA1

160 110 5.80 4.0 2.425 13.5 15.9 70.6 75.4 42 483 87

132 110 5.80 4.7 2.445 13.7 16.1 65.5 70.7 40 515 82

Specifications Caltrans NDOT ------4.0 4.0 – 7.0 --13 Min. --12 – 22 65 – 75 --70 – 80 37 Min. 37 Min. -448 Min. -70 Min.

1

0.4% Cecabase by weight of binder DWA denotes “Dry Weight of Aggregate” 3 TWM denotes “Total Weight of Mix” 2

The HMA control and WMA mixtures were evaluated for rutting resistance, fatigue resistance, and moisture damage resistance. Compaction temperatures of 135C and 118C were used to prepare the HMA and WMA samples for mechanical testing, respectively. The rutting resistance of the mixtures was evaluated in accordance with the AASHTO T320 procedure for the repeated simple shear test at constant height (RSST-CH). The test was run at three different shear stress levels and two temperatures and the permanent and recoverable shear strains were measured.

Figure 3 – Average permanent shear strain at 10,000 cycles of a HMA and a WMA at the noted conditions. Additionally, the stiffness of the HMA and WMA mixtures were determined according to the AASHTO T320 procedure for the shear frequency sweep test at constant height (SFSTCH). The mixtures were evaluated at two temperatures at various frequencies and the complex shear modulus (G*) and phase angle () were determined at each frequency.

Figure 4 – Shear Modulus at 45°C of a HMA and a WMA at the noted frequencies.

The AASHTO T321 test: “Determining the Fatigue Life of Compacted Hot-Mix Asphalt (HMA) Subjected to Repeated Flexural Bending,” in strain controlled mode of testing was used to evaluate fatigue performance. Testing was performed in both dry and wet conditioned specimens at 200 and 400 microstrain at 20°C. Additionally, fatigue frequency sweep test in strain-controlled mode of testing was used to establish the relationship between the flexural complex modulus and load frequency at 10°C, 20°C, 30°C. Flexural stiffness ratios between the dry and wet specimens were also calculated. For the same mix, lower fatigue lives were observed at 400 microtrain level in comparison to the values at 200 microstrain level. At the dry condition, the HMA mixture exhibited higher and lower fatigue live values than the WMA mixture at 200 and 400 microstrain levels, respectively. In the case of wet condition, an increase in the average fatigue life was observed for the wet specimens when compared to the corresponding dry specimens. On average, the WMA mixture exhibited higher fatigue lives than the HMA mixture at both 200 and 400 microstrain levels. Frequency sweep results revealed an increase in the flexural stiffness with the increase in loading frequency. In all cases, a lower flexural stiffness was observed for the wet specimens when compared to the corresponding dry ones.For the evaluated temperatures and loading frequencies, a lower stiffness was observed for the WMA mixture when compared to the HMA mixture. The flexural stiffness ratio values at the evaluated loading frequencies were averaged for each of the testing temperatures. The data show that the WMA mixture exhibits statistically similar or significantly higher SR values than the HMA mixture.

Figure 5 – Average Flexural Stiffness Ration of a HMA and a WMA at the noted temperatures. The moisture-susceptibility of the HMA and WMA mixtures was also evaluated in the Hamburg Wheel-Tracking Device (HWTD) in accordance with AASHTO T324. Cylindrical specimens of 150 mm diameter by 50 mm high were compacted in the Superpave Gyratory Compactor (SGC) to 70.5%. A total of 16 samples (8 samples per mix) were prepared at the University of Nevada Reno and transported to the University of California Pavement Research Center (UCPRC) for testing. Two sets of samples, 4 replicates each, were prepared for each mix. The first set of specimens was compacted

right after mixing (i.e. no short-term oven aging). The second set of specimens was subjected to short-term oven aging for 4 hours at 135C before compaction.

Figure 6 – Average rut depth from a Hamburg test of a HMA and a WMA at the noted temperatures. This study [18] showed that similar mechanical properties are obtained between a HMA and a WMA prepared with a chemical additive. 4. ADVANTAGES OF WMA BY CHEMICAL ADDITIVES The many advantages of WMA had been the subject of previous publications. Here some results from field jobs are presented to exemplify some of those advantages. 4.1.

Energy and Emission reductions

The most direct consequence of reducing the production temperature of an asphalt mix is the decrease of the energy required for the process. This reduction of energy is directly related to the degrees of temperature reduced. From previous experiences the energy saving from a 30 to 40°C reduction of temperature goes between 20 to 35%. The amount of energy consumed is also related to other factors than just the temperature reduction. The production plant conditions and the aggregates humidity, for example, may strongly modify the amount of energy consumed. Some WMA techniques, as mentioned before, depend on the presence of water on the aggregates to foam the bitumen [6]. Some of these techniques can actually have a stronger impact on the amount of energy consumed if the mix stay at temperatures below 100°C. Below 100°C the full evaporation of water is avoided, which results in a large energy saving (the latent heat of water is 2250 kJ/kg, quite large compared with it’s heat capacity of 4.18 kJ/kgK). However, care should be taken to avoid potential problems with water moisture resistance. Here below, an example of actual measurements of the energy consumed during the production of a thin rolling surface (BBTM in French) at HMA and WMA conditions is

shown (Table 3). The amount of energy consumed showed is the average of several hours of production. The mix is regularly done at 170°C, as it is done with a polymermodified bitumen. By the addition of 0.4% of the chemical additive into the bitumen a reduction of 40°C was achieved. Table 3 - Energy consumption on the production of a WMA

HMA WMA

Production T (°C)

Mix produced (Tons)

Production rate (tons/h)

Burner %

170 130 -40%

600 440

125 136 +9

26 36 -10%

Energy consumption 3 (m gas/ton) 5.94 4.10 -31%

It can be seen that a significant reduction of the energy consumed (~ 30%) is obtained by the reduction of 40°C in the production temperature. An added benefit of reducing the production temperature can be an increase on the production rate. Since a lower temperature of the aggregates is needed, the burner output should be decreased (see Table 3). In addition to this, the production output may be increased so that the aggregates stay a shorter time on the heating drum, thus heating less. This is the case for the field job describe above. It can be seen that there is actually a slight increase in the production rate (9%) in addition to the reduction of the burner output. It should be noted that in some cases the control of the burner at very low outputs may be difficult and actually contrary to energy savings. A badly tuned burner at low outputs may work inefficiently, consuming a larger amount of fuel and producing more polluting emissions. The emissions generated as a result of the production of an asphalt mix are also very sensitive to the temperature. An important source of the emissions generated during production are the combustion products of the fuels used to heat the aggregates. The reduction of these emissions is directly proportional to the decrease of production temperature of the mix. Another source of emissions are also those that may be directly produced by the bitumen at higher temperatures. In Table 4 measurements of the emissions generated at the production site during the same production of the thin rolling surface describe above are shown. The emission values are reported per ton of mix produced. The reductions on CO2 and NOx (NO2 equivalent reported on Table 3) emissions are close to that found for the energy consumption (-38 and –26% respectively). However, the effect of reducing the temperature has a higher impact on the total volatile organic components (TVOC) and the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Although the actual emissions values measured may vary according to the type of production plant, maintenance, etc… it is clear that there is an advantage when the temperature is reduced. Table 4 - Emissions during fabrication

HMA WMA Reduction

CO2 (Nm3/ton) 14.6 9.0 -38%

Eq NO2 (g/ton) 6.8 5.0 -26%

TVOC (g/ton) 80.6 14.3 -83%

PAH μg/ton 78.6 35.5 -55%

Additional measurements were also carried out during the paving operations to measure the quantity of VOC at which the workers are exposed. Three different locations were

chosen to take the measurements for each of the HMA and the WMA paving operations. Detection instruments were placed on the driver of the compaction roller, on the driver of the paver and on a worker placed next to the paver. The detected amounts of VOCs were actually low, close to the detection levels for both cases, WMA and HMA. They were all well below the exposure limits dictated by the current legislation. There were however, differences between the measurements taken. As expected, the levels detected for the worker standing next to the paver were the highest, followed by those detected on the driver on the paver. The measurements for the driver of the compaction roller were the lowest. There were differences between the HMA and the WMA. The values measured in the WMA were between half and one third of those obtained in the HMA. For example, the naphthalene was present at 0.015 mg/m 3 in the HWA for the worker next to the paver, while a value of 0.005 mg/m3 was found in the same conditions for the WMA. Other advantage that results from the reduction of temperature, which is hard to evaluate, but easy to feel, during the paving operation is the comfort of the workers. It is more comfortable and safe to work with a mix at 130°C than with a mix at 170°C. The difference is even more noticeable when paving under hot weather conditions. The emissions during the production and paving operation may not be the only potential sources of pollution. An experiment was carried out to detect if the presence of the chemical additive on the mix can eventually have an effect on the water that is in contact with it. Asphalt mix samples containing 0.5 wt% with respect of the bitumen of the Cecabase RT additive were stored in a closed container filled with water. The asphalt samples were only slightly compacted: enough to provide a shape to the sample but open enough to let the water fully penetrate into the mix. The water was then tested for toxicity under the European normative OCDE 201 that follows the growth of the water algae Pseudokirchneriella subcapitata to test ecotoxicity. Samples of the water were taken after three months and after one year. Additionally another set of samples were stored for the last 2 months of the year in an oven at 60°C. None of the water samples taken showed any toxicity (the growth of the algae was normal). This experiment shows that the addition of the chemical additive for WMA does not seems to have an effect on the toxicity of the asphalt produced with it. 4.2.

WMA and Reclaimed asphalt pavement (RAP)

Another possible advantage of the WMA asphalts is the potential of increasing the amount of reclaimed asphalt pavement, RAP, which may be incorporated on the mix. The production process heavily controls the amount of RAP that may be added into a mix. Other than the final properties of the mix, the temperature of the virgin aggregates controls the amount of RAP to be used, since they provide the energy to heat the cold RAP. The temperature at which the virgin aggregates should be heated to heat the added RAP can be easily calculated from basic thermodynamics. It is basically a calculation of the heat given by the hot aggregates that is received by the cold RAP. Figure 7 shows the results of such calculation as the temperature that is required to heat the virgin aggregates to incorporate a given percentage of RAP in the formula. Two different situations are plotted: one where the mix ends up at a temperature of 160°C (such as in a standard HMA) and another where the final temperature is 120°C (WMA conditions). A water content of 4%, typical found in RAP, is taken into account since it has an important effect on the curves (need to evaporate this water). It should be noted that the relation between aggregate temperature and % RAP is not linear, since a larger amount of heat needs to be given at larger RAP contents by a lower mass of virgin aggregates, thus increasing their temperature even further.

480

Aggregate T (°C )

440 400 360 320 280 240 200

Tmix 120°C Tmix 160°C

160 120 0

10

20

30

40

50

60

% cold RAP

Figure 7 - Calculated temperatures of virgin aggregates required to incorporate a given % of cold RAP. From the plot it can be seen that there might be substantial advantages by the WMA for an increase amount of RAP. For example, it can be seen that a mix that is designed to incorporate 10% of RAP at 160°C may contain 15% more RAP while heating the virgin aggregates at the same temperature. Lets point out that the limit of the amount of RAP added may be physically limited by the temperature of the virgin aggregates. It can be can seen that to achieve 40% RAP, temperatures on the order of 300°C should be reached. Aggregates at these temperatures would burn the cold bitumen present in the RAP when they came in contact. This will decrease the quality of the final asphalt and may become a safety risk. Some techniques based on the bitumen foaming may become incompatible to those large temperature gradients. Other that the actual production advantages as described above, there is the issue of the actual performance of the final mixtures at higher RAP contents. The problem that may be encountered is the lack of mix between the aged bitumen in the RAP and the virgin bitumen added, even it is of a softer grade to compensate. There is some discussion that the problem may actually be aggravated in WMA since the lower bitumen temperatures may do the incorporation of the aged bitumen even harder. Several studies should be carried out to understand the matter further. An actual field job was recently carried out with the Cecabase RT additive where the RAP content was 30%. It was a surface layer originally designed to be done at 150°C. This field job was produced at 110°C and paved at 100°C. An amount of 0.3% of additive was added to the virgin 50/70 1/10mm penetration bitumen added into the formula (4% of virgin bitumen for a 5.3% of final bitumen content on the mix). The laboratory results: compaction in a gyratory press, moisture resistance (Duriez) and rutting of the mix were within the requirements. The field job was carried without problems and a good and homogeneous compaction was obtained. (Table 5)

Table 5 - Laboratory and field test results of a WMA with 30% RAP

HMA

T

Void % at 60 gyrations

150°C

7.2%

Duriez test (ITSR)

Void % of rutting samples

Rutting after 30,000 cycles at 60°C (%)

Compaction measured on field job (%)

-

5.5

2.4

-

3 77% WMA

110°C

6.9%

(NF EN13108-1 requires > 70%)

4.1

(NF EN13108-1 requires < 5% for 30,000 cycles)

94.7 ± 0.16

The reduction of temperature of hot mixes that contain RAP can be successfully carried out with chemical additives. The possibility to further increase the amount of RAP incorporate should be subject of further studies to evaluate the impact not only on the production conditions but on the final properties of the mix as well. 4.3.

Advantages Related to the chemical additives

Most of the advantages brought by the WMA mentioned above are actually achieved by the reduction in production temperature itself, rather than the actual effect of the chemical additive. There are however some additional advantages when chemical additives are used. As described above, chemical additives for warm mix asphalts does interact at the mineral surface. Due to their chemical nature, they may actually also play the role of anti-stripping agents to improve the moisture resistance of the mixtures. Depending on the mix they may completely replace the use of an additional anti-stripping agent. For example, Table 1 shows the indirect tensile strengths of samples conditioned for 1 day at 60°C with and without chemical additive. It can be seen that the WMA sample with the chemical additive not only has a higher value that the reference WMA but also to the HMA. With the chemical additive for WMA a correct value of ITSR (> 75%) is obtained. In any case, for materials very sensitive to moisture damage, a low dosage of an additional anti-stripping agent may eventually be used in combination of the chemical additives for WMA to achieve a good moisture resistance performance. Perhaps the largest advantage, unique to the liquid chemical additives, is that they are simple to use. No plant modification is required to use them. In any case, the addition of a pump that can dose the additive (very much as those used for the anti-stripping agents) might be needed. HMA and WMA may be switched between one another easily if an inline injection of the additive is used. Alternatively, the additives may also de added to the bitumen before the production of asphalt mix. They dissolve easily on the bitumen and may be stored in the bitumen for several days before their use. The chemical additives mentioned in this work may be actually used at higher temperatures with no negative effects. It should be pointed that these are additives that improve the workability of the mix, which can be used to reduce the temperature for warm mix asphalt production. In fact, they might be used to add better workability to standard HMA, securing the job in case of delays or lower weather temperatures. The use of a chemical additive for WMA on a HMA can be also an extended transportation time. As

discussed on a previous publication [12], the hauling time of the mix may be extended for about 3 times if it produced at HMA conditions with chemical additive and paving it at WMA conditions. 5. CONCLUSIONS Several aspects about the use of chemical additives for WMA fabrication were discussed, including their mechanism, properties and advantages. The chemical additives for WMA do not change the bitumen properties while improving the workability of the asphalt mixture. The viscosity and rheological behaviour of the binder remains practically unchanged. The additives only interact at the aggregate surface to modify and control the friction forces of the mix, thus requiring only a small amount (0.30.6 wt% with respect of the bitumen) to have an effect. The laboratory evaluation of the workability of the mix at WMA is challenging, however some information can be obtained from simple compaction experiments. Mix designs and laboratory performance testing were conducted on HMA mixtures and WMA mixtures prepared with Cecabase™ RT additive. The mixtures were evaluated for their resistance to rutting, fatigue cracking and moisture damage following largely the testing requirements for the warm-mix asphalt technology approval process in California. Overall, comparable properties were obtained between the HMA and WMA mixtures. Energy savings and emissions reductions from an actual job had been shown. The advantages due to reducing the production temperature by means of a chemical additive were confirmed. No toxicity was found on asphalt mixtures containing the chemical additives when in contact with water for 1 year. The possibility of increasing the amount of cold RAP, thanks to WMA was discussed. An example of an actual WMA field job with 30% RAP seems to support this thought. Chemical additives for WMA may also play the role of anti-stripping agents as shown in here. Other advantages of liquid chemical additives that enhance the workability of the mix were discussed such as their ease of use without a plant modification and the possibility for longer mix hauling before paving.

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7. Uguet Canal, N.; Andaluz Garcia, D. (2010) Gama Tempera®: Una Oportunidad Para el Medio Ambiente. V Jornada Nacional ASEFMA. paper 06, pp 71-81 8. Metzker, K.; Wistube, M.P. (2009) Comparative study on wax modified bitumen. Enviroad Warsaw CD-ROM 9. Grampré, L, Gonzalez-Leon, J,A. and Barreto, G. (2008) “Enrobés tièdes par additivation chimique” Revue Générale des Routes, No 866,2008, pp 44-50. 10. CECA website http://www.ceca.fr/sites/ceca/en/business/bitumen_additives/warm_coated_material/warm_coated_ material.page, visited 28-02-2011 11. Oliveira, J.; Silva, H. (2010) Study on the Use of a WMA Surface Agent Additive on Recycled and th Asphalt Rubber Mixtures. 16 IRF World Road Meeting, paper No. 289 12. Gonzalez Leon, J.A. et al. (2009) Warm Mix Asphalts with Chemical Additives: Properties and Advantages. Enviroad Warsaw. 13. Grau, J.S. et al. (2010) Puesta en Obra de Mezcla Semicaliente Basada en Aditivos Surfactantes. V Jornada Nacional ASEFMA, paper 32, pp 351-358 14. Marvillet, J.; Bougault, P. (1979) Workability of bituminous mixes – Development of a Workability Meter. Proceedings of the Association of Aphalt Paving Technologists, Denver, V 48-79, pp91-110 15. Bennert, T.; Reinke, G.; Mogawer, W.; Mooney, K. (2010) Assessment of Workability / Compactability of Warm Mix Asphalt. 2010 TRB Meeting Proceedings, paper 10-2223 16. Official guidelines for Warm Mix Asphalt Mix, published by FGSV, Road and Transport Research Association, Germany 2006). 17. Rand, D. (2008) Texas DOT Experience with warm mix Asphalt. International Warm Mix Asphalt Conference, Nashville TN. Oral communication 18. Hajj, E. Y. and E. Cortez. “Evaluation of the Cecabase RT Warm-Mix Additive,” Final Report, University of Nevada Reno, September 2011

Additives for Warm Mix Asphalt

Content : Warm Mix Asphalt technologies Cecabase® RT technology Advantages of Cecabase® RT Examples of field jobs

Warm Mix Asphalt technologies

Working at high temperature is not artificial, it is necessary: To remove liquid water in the aggregates To reduce the bitumen viscosity enough to fully coat the aggregates in a time scale compatible with the process

Pen 35/50 Bitumen Viscosity (Pa.s)

Why we use hot mixes? 4

T 3

AGGREGATE

2

1

0 110

120

130

140

150

160

170

180

Temperature (°C)

But…how to reduce the asphalt mixture fabrication temperature? 1.

The bitumen temperature is fixed by the refinery vacuum distillation process  practically, difficult reduce bitumen T.

2.

The aggregates represent ~95% of an asphalt mixture.

 Decreasing the process temperature translates into decreasing the aggregates temperature. 4

Existing WMA technologies There are more than 20 WMA technologies in the market today

However, there are mainly based on 3 different kinds of physical phenomena: Water based foam processes

Crystalline/Wax additives

Surfactant additives

• Lee, N.; Kim Y. Report MAT- UI 124 Mid-america transportation center. 2010 • Bueche, N. ; Dumont, A.G. ; Angst, C. Enrobés bitumineux à faibles impacts énergétiques et écologiques. Report of Mandant de Recherche VSS 2008/505 Federal Road Office Switzerland. 2009

Water Foam based processes Consists in adding water to form a foam when the water evaporates due to the mix temperature. The water may be added directly (nozzles) or indirectly using zeolites, wet fine mineral aggregates, emulsion, etc.. Improves aggregates coating thanks to an apparent volume enhancement of binder by the foam. Probably improves workability of the mix thanks to lubricating effect of the foam.

Compaction can become an issue as the foam disappears shortly after production

2 m

2 m

Zeolite

These techniques usually require a modification of the mixing plant Precautions should be taken due to the addition of water (cohesion of the asphalt mix, water susceptibility of the mix)

• Grampré, L, Gonzalez-Léon, J,A. and Barreto, G. (2008) “Enrobés tièdes par additivation chimique” Revue Générale des Routes, No 866,2008, pp 44-50. • http://www.astecinc.com

Wax based chemicals additives Additives (used at 2-3 wt% in asphalt binder) that reduce the viscosity of the asphalt binder at processing conditions Improved aggregates coating at lower temperature thanks to viscosity reduction of binder by the liquid (melted) product which acts as a “solvent”. An improved workability of the mix is possible to the lower viscosity of binder Allows for a coverage of the mineral aggregate at reduced temperatures Below the crystallization temperature of the wax (~100°C) workability of the mixture becomes poor and compaction can’t be achieved. The addition of waxes change the bitumen characteristics (Penetration grade, viscosity, low temperature properties, etc…) Hurley, G.C.; Prowell, B. D. Evaluation of SASOBIT for us in Warm mix asphalt. NCAT Report 05-06. June 2005

Surfactant additives Addition of a chemical surfactant additive (0.3-0.5 wt% in the binder) that changes interfacial properties of the binder without changing asphalt binder rheology Improved coating at lower temperature thanks to surface tension reduction at the binder/aggregate interface Improved workability of the mix thanks the control the interface structure between bitumen and aggregates, thus reducing the internal frictions that increase the workability of an asphalt mixture. Improved striping resistance of the mix thanks to surfactant action at binder/aggregate interface

Chemical additive

WMA techniques in a nutshell T°C reduction

Surfactant Additives

Wax Additives

Foaming techniques

Zeolites

9

- 40°C

- 30 to - 40°C

- 15 to - 30°C

- 30°C

Cost per ton of mix Pros and Cons

~ 1 €/T

2 - 3 €/T

Cheapest and easiest additive technique Robust, compaction aid Anti-stripping effect – keep HMA mechanical prop. Effective for long hauling Consumption of Additive for each ton produced Increase rut resistance Effective for long hauling Complex to incorporate (solid pellets) Compaction issues below crystallization ~100°C Modification of binder (low T properties, cracking)

Cheap Process after initial investment Short lifetime of foam 0 but several Average aggregate coating at WMA temperature 10,000€ investment Mix sensitive (binder, aggregate, lime…)

2 - 3 €/T

Increased lifetime of the foam Plant modification, complex introduction kit Anti-strip often necessary Modification of mix design

Cecabase® RT technology

How to use Cecabase® RT Typical properties of the additive : ● ● ● ● ●

Liquid – Viscosity < 1000 cPo at 20°C Density : ~ 1.00 Aggregates (reduced T) Flash point : > 200°C Readily soluble in asphalt binder Packaging : bulk, ~1000kg IBC, ~200kg drums (1 drum eq. to 1000T of mix)

How to use Cecabase® RT : ● ● ● ●

In line or batch addition to the asphalt binder 0.3 to 0.5% dosage based on total binder weight Compatible with all kinds of binders – no curing time Stable in stored asphalt binder over 7 days

Mix production temperature is reduced to 120-140°C depending on mix type : ● Heating of aggregates is typically ~ 40°C less than the corresponding HMA ● Binder temperature remains the same as HMA

Good compaction is ensured down to 90-110°C

Asphalt (usual T)

WMA

Effect of Cecabase RT on binder properties Viscosity unchanged by the additive at concentrations used

Since the additive interact at the aggregate surface and only small amounts are required to have the improved workability on the mix  there is no effect on the properties on the binder

Viscosity (Pa s)

100

Neat 35/50 bitumen + 0.3% additive + 0.5% additive

10

1

0.1 80

100

120

140

Temperature (°C)

Dynamic viscosity measured at constant shear rate : 100 s-1

160

Effects of Cecabase® RT No change in Asphalt penetration grade or R&B temperature 50/70 Asphalt

50/70 Asphalt + 0.5% CB RT

30/45 Asphalt

30/45 Asphalt +0.5% CB RT

SBS modified Asphalt

SBS modified Asphalt +0.5% RT

Penetration (1/10mm)

51

50

33

37

52

56

Ring and Ball (°C)

51.2

50.8

54.2

53.6

57.8

57.2

Electron microscopy shows no difference of mix with HMA : Good distribution of aggregates Good coverage of aggregates (even fines) 25 m

1 mm

Effect of additive on the mix The effect of the additive is seen on the workability of the asphalt mix. However, the evaluation of workability in the laboratory can be quite challenging Usually only small differences are observed through standard compaction methods (ex. Marshall) 160°C

120°C

Reference mix

Mix +0.5% Cecabase RT

Reference mix

Mix +0.5% Cecabase RT

Void %

2.0

1.9

3.2

2.8

Marshall Stability (kN)

11.0

10.5

8.8

10.0

Bennert, T.; Reinke, G.; Mogawer, W.; Mooney, K. (2010) Assessment of Workability / Compactability of Warm Mix Asphalt. 2010 TRB Meeting Proceedings, paper 10-2223

Workability effect of Cecabase® RT Evaluation of the workability of WMA in the lab is challenging Evaluation by laboratory Baustofflabor Hamburg, following standard German test for workability Torque recording of a screw type rotational device introduced in the mix :

Test based on the recommendations on report 691 from NCHRP (US) Comparison of the number of gyrations required to achieve a given void % with a gyratory compactor : 300

250 330

320

200 Gyration #

310

Torque (N.cm)

300

290

150

100

280

50 270

260

0 Control HMA 160°C

250

Control WMA (no additive) 120°C

WMA 120°C - Cecabase RT - 0,4%

Mixing at 120°C, measurement at 90°C, 8% void

240

Reference asphalt mix

Asphalt mix with 0,5% Cecabase RT

160°C

Reference asphalt mix

Asphalt mix with 0,5% Cecabase RT

120°C

Mechanical characterization Improvements of adhesion are achieved with Cecabase® RT ITSR : 14

Reference HMA 160°C

12

TSR

Reference WMA 120°C without additive 10

Void% or ITS (kN)

WMA 120°C with 0,4% Cecabase RT

Hot Mix Asphalt

0.58

WMA without Additive

0.31

WMA with Cecabase RT

0.84

8

6

4

2

0

Void %

ITS (kN) conditioned

ITS (kN)

• Open-graded friction course with modified binder, PG 76-28 • Compaction PCG 600kPa, 40 gyrations • Conditioning 1 day in water at 60°C

Hamburg Test The hamburg test is a mix between a rutting test and a antistripping test. • AASHTO T324 • 0/25mm mix, compacted in SGC • 20,000 wheel passes • In water at 50°C

http://www.fhwa.dot.gov/pavement/asphalt/labs/mixtures/hamburg.cfm

Gmm (Max theoretical specific gravity)

Air voids (%)

Max. rut depth (mm)

HMA (160°C)

2.425

6.95

-13.3

WMA (130°C, 0.4% CB RT)

2.445

7.2

-9.1

Hajj, E.; Cortez, E. Evaluation of the Cecabase RT warm mix additive, final report. Septembre 2001 University of Nevada, Reno US

C

Rutting resistance Evaluated by a road constructor laboratory (France) following French standards (real rubber tire on a large compacted plate sample) 10 mm nominal maximum aggregate size dense coarse graded mix Asphalt binder 35/50 NF P 98-253-1

Hot mix asphalt

Warm mix asphalt

Limits in the std.

Rutting (%) after 30,000 cycles

4.11

4.19

<5

Air void (%)

6.7

6.7

5
http://www.vectra.fr/

Hot mix asphalt

Warm mix asphalt (0.4% Cecabase RT)

Asphalt binder Temperature (°C)

160

160

Mineral aggregates Temp. (°C)

160

115

Compaction Temp. (°C)

160

110

C

Fatigue Evaluated by the University of Minho (Portugal) on a regular 0/10 mix and a 0/10 mix with 50% RAP, following the EN 12697-24.

C

4 point bending test T 20°C, 10 Hz Mix A 0/10 Mix B 0/10 + 50% RAP

Similar Fatigue behavior between HMA and WMA with additive

Oliveira, J.; Silva, H.; Abreu, L.; Gonzalez-Leon, J. The role of a surfactant based additive on the production of recycled warm mix asphalts – Less is more. Construction and Building Materials 35 2012 693-700

Advantages of Cecabase® RT

Advantages of WMA with Cecabase® RT

Environment

21

Comfort

Flexibility

Less emissions

Compaction aid

Increased capacity

Energy savings

Fast opening to traffic

Night or winter work

Increase use of RAP

Less heat & fumes

Longer hauling

Reduction of gas emissions Typical values measured at the plant stack (production of very thin asphalt cement) : CO2

Eq. NO2

TVOC

PAH

(Nm3/ton)

(g/ton)

(g/ton)

(µg/ton)

HMA

14.6

6.8

80.6

78.6

WMA

9.0

5.0

14.3

35.5

-38%

-26%

-83%

-55%

Measurements taken on job site, on a worker, a paver driver and a compactor driver : More than 20 different polyaromatics (PAH) measured – example : Naphthalene (mg/m3)

Worker

Paver

Compactor

HMA

0.01549

0.0097

*

WMA

0.0053

0.0045

0.0019

-66%

-54%

*

Both HMA and WMA are well below exposure limits (close to detection limits)

Energy cost – typically 20-30% savings Two examples of measurements at different mixing plants : Very Thin Asphalt Concrete French ‘BBTM’ wearing course Polymer modified asphalt HMA: at 170°C WMA: 0.4wt% of additive in the binder Production T°C

Energy m3 gas / ton

Hot Mix Asphalt

170

5,94

Warm Mix Asphalt

130

4,94

31% gas savings

Stone Mastic Asphalt (SMA) Polymer modified asphalt and fibers HMA: at 172°C WMA: 0.35wt% of additive in the binder Production T°C

Energy m3 gas / ton

Hot Mix Asphalt

172

6,34

Warm Mix Asphalt

135

4,64

23% gas savings

In some cases the savings compensate the cost of the additive A simple but well-correlated calculation sheet is available from CECA to evaluate energy savings at your plant

Increased use of recycled material

● Easier mix compaction ● Less overheating of virgin aggregates ● Working for plants with and without heating systems for RAP ● Significant reductions of the asphalt mix cost ● Also possible with shingles (RAS) and crumb rubber (CRA)

480

Calculated temperatures

440 400

Aggregate T (°C)

Cecabase® RT increase the amount of RAP that can be introduced in the mix by 10 - 15% :

360 320 280

+ 10-15% RAP

240 200

Tmix 120°C

160

Tmix 160°C 120 0

10

20

30

40

% RAP

Cold RAP systems RAP

Pre-heated RAP systems

Virgin aggregates

50

Use as Compaction Aid The workability effect of Cecabase® RT can be used to achieve the desired compaction target at Hot Mix temperatures in various cases : ● Faster progression : typically fewer compaction passes are required compared to HMA without additive ● Gives more security for “difficult” mixes (high-end void%) ● Increase chance of getting compaction bonus ● Improve workability of stiff mixes (high RAP …) ● Ability to work at <0°C outside temperature

Workability effect disappear upon cooling (<~90°C) ; the additive does not alter mechanical performances at cold temperatures (no rutting or brittling effects) The faster compaction and cooling is also useful for quicker opening to traffic : ● Work in areas with heavy traffic ● Work in airports ● Less disturbances to the neighborhood

Reduction of dust and fumes Typical reductions measured on the paver (SMA job) : “Mix of Pollutants”

Dust

Fumes

(mg/m3)

(mg/m3)

HMA

12

11.4

12

WMA

3.5

3

2.9

-71%

-74%

-76%

(mg/m3)

Similar reductions are measured at the plant :

HMA

WMA

Increase of Production rate Asphalt (usual T)

Aggregates

120°C

WMA

In some cases, residence time of aggregates in the barrel can be decreased (lower heating T) without changing the burner settings Case study : an increase from 210 to 280 tons of mix/hr (~ 30% increase) was possible when switching from HMA to WMA Useful during peak season or for debottlenecking Flexible technology : easy to switch from HMA to WMA and back

Longer hauling HMA production

170

WMA

HMA

Temperature (°C)

160 150 140

Limit for HMA paving

130

WMA production

120 110 100

Limit for WMA paving

90 80 0

50

100

t0 +25%Time (min)

150

200

+ 200%

A WMA with Cecabase® RT may be paved up to 25% later than standard HMA A HMA with Cecabase® RT may be paved after a hauling time up to 3 times longer

Examples of field jobs

Atlanroute (France) - 2004 First field test for technology validation : 300 tons of mix using standard equipment (plant & paving machines) Continuous dryer/mixer ; All production parameters followed 10 mm nominal max aggregate size dense coarse graded mix Asphalt binder 35/50 penetration : Production (°C)

Laying (°C)

Compaction (°C)

Hot Mix Asphalt

160

160

135

WMA without Additive

120

115

90

WMA with Cecabase RT

120

115

90

Constant compaction conditions Troxler (gamma rays absorption) Core sampling to double-check : 9 8

7

Void% target

Void %

6

5 4

3 2

1 0

Reference HMA 160°C

Reference WMA 120°C without additive

WMA 120°C with 0,5% Cecabase RT

Examples of field jobs - France Bordeaux 2008 – High traffic road High modulus asphalt cement (“EME”) 10/20 [1/10mm] asphalt Produced at 130°C (normally 170°C). Laid down at 125°C Average density 95,6%

St Flour 2009 – Highway A75 Open graded friction course (“BBTM”) – Thin layer 2,5 cm 5,6% binder, polymer modified Styrelf 13-60 – 0,4% Cecabase RT945 4000 tons produced at 135°C, paved at 120°C, compacted at 110°C

Gaillac 2011 – BBSG Standard 0/10 mm wearing course (BBSG), 6 cm layer 0,4% Cecabase RT Bio10 Cecabase RT945 used at 0.4%, added in tank 5 days before High volume road : AADT > 15000

500 tons paved at 120°C

Examples of field jobs - Europe Poland 2007 – Stone Mastic Asphalt (SMA) 0-8 mm aggregates - 0.4% fibers in the mix Asphalt binder Pen. 50 + 3% SBS – 0,4% Cecabase® RT945 3000 tons produced at 130°C, paved at 120°C, compacted at 100°C

Russia (Kazan) 2009 – Freezing conditions Base course layer - Asphalt 60/90 penetration - 0,4% Cecabase® RT945 120 km transport time (2 hours), outside temperature -5°C 800 tons produced at 165°C and paved at 130°C

Denmark 2011 – Stone Mastic Asphalt (SMA) 0-11 mm wearing course, high traffic – Fibers into the mix 5,7% of polymer modified asphalt – 0,35% Cecabase® RT Mix produced at 135°C vs 172°C for the control HMA

Italy (Padova) 2012 Fine gradation D8 type – 15% RAP added cold at the plant Asphalt 70/100 penetration – 0,4% Cecabase® RT Bio10 Mix produced at 150°C, paved at 130°C, compacted at <130°C

Examples of field jobs - America New York State 2008 – 2 different jobs 1300T dense-graded mix with 30% RAP (Road 31 along Seneca River) 1000T dense-graded mix without RAP (Road 18 near Utica) Production at 120-130°C, paved at 120°C with good workability

Canada (Alberta) 2009 – 25,000 tons job Dense graded mix without RAP (gravel pit aggregates) – Interstate 35 Asphalt binder 200-300 Pen. with antistrip + 0.2% Cecabase® RT945 Produced at 120°C (vs 150°C for control HMA)

California 2010 – Caltrans project with crumb rubber 12.5mm gap graded mix – Asphalt PG 64-16 with 18% scrap tire 0.4% Cecabase® RT - Produced at 130°C (vs 165°C for control HMA) Tested on Heavy Vehicle Simulator (HVS)  Cecabase more rut resistant than control HMA

Tennessee (Sevierville) 2012 Mix with difficult limestone aggregate – 15% RAP – high traffic road Asphalt PG64-22 – Cecabase® RT945 and antistrip Night work, light rain - Mix produced at 130°C, compacted at 113°C

®

RT WMA is

Examples of field jobs – Asia & LatAm Australia 2008 – High %RAP mix Base and Wearing Courses Type H-10mm – 30 and 40% RAP respectively Paving temperatures : 108-115°C Average compaction around 95%

Japan 2009 Open graded type -30°C to -50°C temperature decrease - Rainy conditions 3000 tons produced at 130°C, paved at 120°C, compacted at 100°C

Argentina 2010 Open graded type mix – Asphalt grade CA-30 (pen 50/60) with 0,4% Cecabase® RT945 Temperature decreased to 130°C Core sampling

China 2011 0-8 mm aggregates - 0.4% fibers in the mix Asphalt binder Pen. 50 + 3% SBS – 0,4% Cecabase® RT 3000 tons produced at 130°C, paved at 120°C, compacted at 100°C

A real global coverage

Field jobs Lab trials

Today Cecabase® RT is present in more than 50 countries More than 150 different customers have chosen Cecabase® RT additives Several millions tons of Warm Mix Asphalt are produced each year with Cecabase® RT technology

A simple way to reduce temperature of asphalt mixes by ~ 40°C by the addition of a liquid additive : ● ● ● ● ●

Patented technology used since 2004 on the field Robust, work with all binders and asphalt mixes No plant modification or high maintenance costs Most cost-competitive solution among additives Systematic back-up of CECA technical experts

Mechanical properties of WMA are similar to those obtained with a control HMA Benefit from immediate advantages : ● Environment : reduction of emissions, gas savings, use of RAP ● Comfort : compaction aid, less heat & fumes, quick opening to traffic ● Flexibility : increased plant capacity, longer hauling, night or off-season work

Thank you !

Diseño estructural de pavimentos para condiciones de alto tránsito vehicular Dr. Paul Garnica Anguas [email protected] M. I. Roberto Hernández Domínguez [email protected] Laboratorio de Infraestructura - Instituto Mexicano del Transporte.

Introducción

Las metodologías empírico-mecanicistas pretenden tener un enfoque más científico, con un marco teórico suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento, ante las acciones del clima y del tránsito vehicular. Esto es, un marco teórico en donde las propiedades fundamentales de los materiales se conocen, ya que se pueden determinar en laboratorio o en campo. Esta metodología permitiría la predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, por ende, aumentar en gran medida la confiabilidad del diseño. Este trabajo presenta una herramienta de diseño de pavimentos mediante una metodología empírico-mecanicista que, sin descuidar otros factores, pone un énfasis en el concepto de espectro de carga para relacionarlo con el de espectro de daño, a través del análisis de esfuerzos y deformaciones en la estructura de pavimento y su correlación con los principales tipos de deterioros que presenta. Las componentes de entrada al proceso de diseño se refieren a la geometría de la estructura, básicamente son los espesores de cada capa, las propiedades de los materiales que conforman cada una de esas capas que serán módulos dinámicos para el caso de la carpeta asfáltica y módulos resilientes para el caso de las capas distintas a la carpeta y el nivel de tránsito vehicular definido por su espectro de distribución de cargas. La selección del diseño inicial consiste en una primera estimación de valores para esas componentes de entrada. Definido el diseño inicial, se procede al cálculo de las respuestas estructurales en la sección estructural del pavimento. Estás respuestas estructurales consisten en conocer la distribución de esfuerzos (σ), deformaciones unitarias (ε) y deflexiones (δ). El cálculo se realiza básicamente considerando al pavimento como un medio multicapas, en donde el comportamiento de los materiales se apoya en la Teoría de la Elasticidad, con simplificaciones necesarias para su cálculo más eficiente, como se verá más adelante.

A partir de la respuesta estructural en el pavimento se calcula el nivel de daño esperado en el período de diseño, para los dos tipos de deterioro principales que se presentarán. Estos son agrietamientos por fatiga y deformaciones permanentes. Calculados los niveles de deterioro para el período de diseño, se introduce el concepto de vida remanente, el cual es el inverso del daño acumulado en el periodo de diseño y determinará cuando una sección ha excedido o no el valor máximo de daño acumulado.

Generalidades del diseño estructural Como fue expresado anteriormente, la idea fundamental es la de poder garantizar el desempeño del pavimento a lo largo de su vida de proyecto. Esto significa garantizar que los niveles de agrietamiento y de deformación permanente, se mantendrán dentro de un rango ideal, que dependerá de la importancia de la red carretera de que se trate. La vida de diseño de un pavimento es resultado de la interacción entre el tránsito vehicular, la estructura y las propiedades de los materiales, los criterios de falla y los factores ambientales, además del proceso constructivo y trabajos de mantenimiento. El proceso de interacción de dichas variables puede apreciarse en la Figura 1.

Figura 1. Factores que afectan el diseño de pavimentos

La estructura y propiedades de los materiales incluyen los espesores individuales de cada capa, su resistencia y propiedades de deformabilidad. El tráfico debe incluir el eje y la configuración de la rueda, la carga y magnitud de la carga, además del número de repeticiones aplicadas al pavimento. Los dos factores anteriores derivan, con base en un modelo estructural (ej. teoría elástica multicapa), en lo que se conoce como respuesta estructural del pavimento, que permite proseguir con la segunda etapa del diseño, la predicción del desempeño del pavimento con base en los criterios de falla que permiten la incorporación de la respuesta estructural Si bien es cierto que los cuatro factores mencionados representan los principales componentes que afectan el diseño de pavimentos, el proceso de caracterización y análisis se traduce en una propuesta estructural que sólo puede lograrse con la disposición de un modelo de diseño con el que se pueda evaluar los insumos (solicitaciones y materiales) y la respuesta del pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones). He ahí el origen y razón del IMT-PAVE.

Fundamentos de la metodología La metodología que se presenta como IMT-PAVE se sustenta en cuatro postulados de diseño:

Primer postulado.- La sección estructural del pavimento se considera por un conjunto de capas de materiales de cierto espesor, caracterizadas cada una de ellas por un módulo elástico, dinámico o resiliente representativo de las condiciones de operación de la carretera. Estas capas tendrán un espesor y un valor de resistencia o módulo, excepto para la última capa que de acuerdo a la teoría de multicapas elásticas sólo deberá contar con un valor de resistencia ya que se considera semi-infinita, es decir sin espesor definido. Hay que tener claro que ciertas características de calidad de los materiales se pueden usar para proponer los módulos usados en el diseño, pero se debe tener precaución que los valores de módulos propuestos sean factibles de alcanzarse ya que un diseño de pavimentos deberá incluir las especificaciones técnicas de calidad para alcanzar los valores de resistencia propuestos.

Segundo postulado.- Las cargas que transmiten los vehículos se define por el concepto de espectro de carga representativo de cada tipo de eje presente en la configuración de cada uno de ellos. Este postulado está inspirado en la sobrecarga típica que está presente en las carreteras mexicanas. Tomando en consideración que un pavimento debe durar para las condiciones reales de operación a las que está siendo sometido y no a los límites legales con los cuales debería operarse. Un espectro de carga se puede definir como la distribución de la carga de un grupo de ejes durante un período de tiempo, es decir, es la relación entre el número de ejes con cierto rango de

carga y el número total de ese tipo de eje, expresado en porcentaje. Los espectros de carga por eje se representan por medio de histogramas de distribución de la carga por eje para cada uno de los cuatro tipos de ejes: sencillo direccional o sencillo, dual, tándem y trídem, en la Figura 2 se observa un típico espectro de carga de la red carretera nacional.

Es fundamental la correcta configuración y caracterización del espectro ya que cada punto representa el porcentaje del tiempo con el que se circula con ese nivel de carga, así mismo el área bajo la curva representa un daño potencial hacia la estructura del pavimento.

Figura 2. Espectros de carga en la carretera libre Portezuelo-Palmillas (2003).

Tercer postulado.- Para cada tipo de deterioro, el agotamiento estructural se presentará cuando el número de repeticiones de carga acumulado iguale al número de repeticiones admisible. En esta herramienta los dos deterioros representados son el agrietamiento por fatiga y la deformación permanente de la estructura, los cuales estarán definidos por las deformaciones unitarias máximas de tensión en la carpeta asfáltica y por las deformaciones máximas unitarias a compresión en la parte superior de las capas de terracería. Para la obtención de los espectros de daño, se necesita el concepto de daño definido por Miner, 1945, en donde para cada tipo de eje, i, y cada nivel de carga, j, se obtiene el cociente entre el número de repeticiones esperadas por año, n, y el número de repeticiones admisibles, N, para limitar el desarrollo de un cierto tipo de deterioro. El daño total se calcula con la ecuación (1). (1) El coeficiente de Daño, D, así obtenido, está asociado a un cierto tipo de deterioro en el pavimento. El inverso de D representa el tiempo, T (en años), en que se alcanzará el número de

repeticiones admisible de ese deterioro y es el que se debe comparar con el período de diseño deseado, debiéndolo superar para que el diseño sea satisfactorio. Para el número de repeticiones admisible para agrietamiento por fatiga, Nf, se utilizan modelos del tipo que se indica en la ecuación (2).

N f  f 1 t

 f2

(2)

Para el modelo de deterioro por deformación permanente de las capas inferiores la forma matemática es la que se establece similar a la anterior, ecuación (3).

N d  f 4 c

 f5

(3)

El IMT-PAVE utiliza valores particulares de esos parámetros, definidos con base en su propia experiencia obtenida en el laboratorio de infraestructura del Instituto Mexicano del Transporte. El cálculo de las respuestas estructurales y en particular de las deformaciones unitarias en los dos puntos mencionados se realiza con el método de Odemark, 1949, que permite transformar la estructura de un pavimento en una sección homogénea equivalente. Así como por otras teorías para el análisis de esfuerzos y deformaciones fuera del punto de aplicación de la carga (lo cual sucede al hablarse de dos, cuatro o seis ruedas en los diferentes tipos de ejes) como la de Ahlvin y Ulery, Damy y Casales, y Boussinesq, pero que no se mencionan aquí por el alcance del documento. Los resultados obtenidos con esta metodología para las deformaciones unitarias que se requieren son muy similares a los que proporcionan los programas de cómputo existentes basados en la Teoría de Burmister para medios estratificados.

Cuarto postulado. Una sección estructural se considera adecuada si la vida útil por fatiga y por deformación permanente es mayor al período de diseño, considerando los espectros de carga representativos de las condiciones esperadas de operación de la carretera. Para que la sección sea adecuada deberá cumplir con los dos criterios de deterioro es decir deberá ser suficiente para resistir ambas deformaciones unitarias mencionadas anteriormente.

Diseño de la herramienta de análisis La herramienta se caracteriza por tener tres manejadores de datos de entrada, uno para el tránsito, otro para los niveles de carga y uno para la propuesta de sección del pavimento. La intención era hacer una herramienta sumamente sencilla de manejar que se encuentre al alcance de los diseñadores y revisores de secciones estructurales de pavimentos.

Fig. 3 Características del Tránsito

Figura 4. Espectros de carga

Figura 5. Análisis Espectral En la Figura 4 se tienen espectros de carga por omisión que provienen de estudios realizados en el Instituto Mexicano del Transporte de espectros representativos de condiciones nacionales, para niveles desde baja hasta alta sobrecarga. Además de los espectros propuestos la intención es hacer más mediciones en la red carretera nacional ya que si el tránsito es primordial en el diseño de pavimentos, la intención es medirlo en forma sistemática. Finalmente en la Figura 5, se presenta la ficha de ingreso de datos de la estructura siendo esta similar a la de otros software de diseño de pavimentos, la herramienta sirve para revisar secciones estructurales propuestas, así entonces, una sección será adecuada cuando se cumpla el umbral de diseño que aparece en el valor de vida por fatiga y vida por deformación, donde éstas deberán ser superiores al horizonte de proyecto que se ingresó en la ficha de datos del tránsito.

Conclusiones



Este trabajo presenta una herramienta de diseño de pavimentos basada en el concepto de espectros de carga, que toma en cuenta distintos niveles de sobrecarga de las condiciones mexicanas, evidenciando el efecto directo que tiene esta en el las secciones de pavimento.



Se hace énfasis en la importancia de conocer los valores de resistencia estructural de aquellos materiales propuestos para las diferentes capas del pavimento, es decir, necesitan ser sustentados mediante especificaciones de calidad anexos al resultado del diseño, para garantizar que los materiales o valores de resistencia podrán cumplirse a cabalidad.



La intención detrás del IMT-PAVE está en aportar una herramienta adicional a las existentes para la revisión y propuesta de secciones estructurales de pavimentos asfálticos.



Dada la flexibilidad de la plataforma donde se generó la herramienta, hace posible la mejora y crecimiento constante de la herramienta.

Bibliografía Rico A., Téllez R., Garnica P. (1998), “Pavimentos Flexibles. Problemática, Metodologías de diseño y tendencias”, Publicación Técnica No. 104, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Pérez N. (2001), “Influencia de las condiciones de compactación en la deformación permanente de suelos cohesivos compactados”, Publicación Técnica No. 165, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Pérez A. (2002), “Comportamiento de suelos arcillosos compactados adicionados con cloruro de sodio”, Publicación Técnica 201, Instituto Mexicano del Transporte. Garnica P., Gómez J.A. (2002), “Mecánica de Materiales para Pavimentos”, Publicación Técnica 197, Instituto Mexicano del Transporte. Barrera M., Garnica P. (2002), “Mecánica de suelos no saturados en vías terrestres”, Publicación Técnica 198, Instituto Mexicano del Transporte.

First Steps for the perpetual pavement design: through the analysis of the fatigue life. Noé Hernández SemMaterials México, Puebla, México

Jonathan Hernández & Rosita Martínez SemMaterials Mexico, Puebla, Mexico

ABSTRACT: The main structural distress modes in Mexico for asphalt pavements is the bottom-up fatigue cracking, due largely to thin pavement structures unable to withstand the damage caused by heavy loads and increased traffic volume. This article analyzes the fatigue life of two asphalt mixtures designed in a laboratory to be part of a Perpetual Pavement, fatigue tests were performed on beams to four-point bending. Through the laws of fatigue limit is estimated to Fatigue Endurance Limit, and later compare it with the value of 120 proposed in pavement design. The test results demonstrate the two mixtures exceed the design parameters, guaranteeing the performance of the Perpetual Pavement.

1 INTRODUCTION In Mexico, asphalt pavements exhibit premature failure in a short period of time after their construction. Among the possible causes of this behavior may be mentioned the following: Poorly designed pavements, use of inappropriate materials, excessive loads on vehicles, poor construction procedures, little or no quality control, etc. Because of the importance of the highway network in Mexico, it’s necessary to eliminate the premature failure of asphalt pavements for which they must correct the causes listed above, it is necessary to implement a new structure proposed for pavements with a better performance. An alternative that has been popular in other countries, is the structure known as "Perpetual Pavement", defined as follows: “an asphalt pavement designed and built to last longer than 50 years without requiring major structural rehabilitation or reconstruction, and needing only periodic surface renewal in response to distresses confined to the top of the pavement” (APA, 2002). In classical pavement design, as design load applications increase, pavement thickness also must increase. There is a growing belief that bottom-up fatigue cracking does not occur for thick pavements, limiting it only to top-down cracking on the surface resulting easier and less expensive to repair. The concept of the HMA Fatigue Endurance Limit (FEL)—a level of strain below which there is no cumulative damage over an indefinite number of load cycles—is proposed to explain this occurrence. Therefore, additional pavement thickness, greater than that required to keep strain levels at the bottom of the HMA layer below the endurance limit, would not provide additional life. This concept has significant design and economic implications. This is the main parameter used in the design of perpetual pavements. The objective of this paper is to describe the procedure and the tools used to design a perpetual pavement, focusing on the evaluation of the fatigue strength in the rich asphalt bottom. Two types of asphalt mixtures are designed and analyzed in the study; each one has to meet different parameters according to the function that has to play in the pavement. To accomplish

these parameters, are used with different types of asphalt binders classified according to their level of performance such as PG 76-22 and PG 82-22 (according to AASHTO T315-06). The resistance to fatigue of two mixtures was analyzed and the FEL was obtained of each one for comparison with the design proposed in the pavement. 2 STRUCTURAL DESING OF THE PAVEMENT 2.1 Design concepts The perpetual pavement concept is derived from the mechanistic principles, where the design of the structure consists of asphalt layers, each with different characteristics, using appropriate materials, if properly constructed, will structurally outlive traditional design lives while simultaneously sustaining high traffic volumes/loads. According to Walubita and Scullion (2010), the philosophy of perpetual pavement design is such that the structure must meet the following principles:  Have enough structural strength to resist structural distresses such as bottom-up fatigue cracking, permanent deformation, and/or rutting; and  Be durable enough to resist damage due to traffic forces (abrasion) and environmental effects (e.g., moisture damage). The perpetual pavement mechanistic design principle thus consists of providing enough stiffness in the upper pavement layers to prevent rutting and enough total pavement thickness and flexibility in the lowest HMA layer to avoid bottom-up fatigue cracking (figure 1). Like any other pavement structure, extended performance relies on a solid/stable foundation to provide long-term support to the pavement structure/traffic loading and to reduce seasonal support variation due to environmental effects (e.g., freeze-thaw and moisture changes).

Figure 1. Perpetual Pavement Design Concept (Newcomb et al, 2000)

2.2 Pavement design The study was conducted to design a pavement in the state of Nuevo Leon, Mexico. The road is identified as MEX-054, the design speed is 110 km / h, roadway (traveled way) of 7.0 m and shoulder of 5.0 m. The total length is 11 km. The proposed structure is described below.  The bottom layer called Fatigue Resistant Layer (FRL), its function is to mitigate fatigue cracking.  The intermediate layer or High Modulus (HM) should combine the features of stability and durability.  The surface or wearing layer, protect the pavement from the elements, mainly the introduction of surface water and aging, good friction and functional road user. Due to its thickness (30 mm) it´s not considered within the structural design. The main factors associated with pavement design were traffic data, the environmental conditions of the area and the characteristics of the materials. Traffic information was obtained from data published annually for this road by the Directorate General of Technical Services

(DGST, for its acronym in Spanish). Annual Average Daily Traffic was obtained from 7022 to 2009 and the growth rate of 3.8%. Information on environmental conditions in the area was obtained according to the average monthly temperature and rainfall monthly average (table 1). The data used in the study were obtained from the weather station UDEM Prepa Founders, located in Escobedo, Nuevo Leon, with coordinates Lat: N 25 ° 46 '23'' Lon: W 100 ° 17' 42'' Elevation: 496.82 m. Table 1. Average monthly temperature and rainfall Average temperature Average rainfall Month (ºC) (mm) January 13.0 17.8 February 13.7 14.0 March 19.3 17.5 April 22.8 129.0 June 26.1 25.9 May 28.4 62.0 July 26.0 283.0 August 27.9 11.2 September 25.6 257.0 October 3.7 1.5 November 19.3 0.3 December 12.8 0.3

The characteristics of the materials used the main parameter is the modulus of the materials forming each of the layers, because an input parameter in the design procedures. The modules were proposed according to the requirements of the regulations in Mexico for the case of nonstabilized layers. For modules asphalt layers were proposed according to the role each has to fulfill, Table 2 shows the proposed values. To ensure pavement performance during the design of asphalt mixtures in laboratory must comply with this modulus. Table 2. Proposed modulus for the layers of the pavement Mr |E*| Layer (MPa) (MPa) High Modulus 10,000a Fatigue Resistant 4,000a Subgrade 120 a

Reference Standard AASHTO TP 62-07 AASHTO TP 62-07 N·CMT·1·03/02

Notes: Dynamic modulus specified at 20 ºC and 10 Hz.

Currently Mechanistic - Empirical methodologies (ME) are the most suitable for the design of perpetual pavements. For Von Quintius (2006) Mechanistic-Empirical (M-E) based procedures are used to design flexible pavement to limit load related cracking. All M-E based design procedures can be grouped into three types relative to load-induced cracking, which are listed below. 1. Design procedures that use the equivalent axle load and equivalent temperature concepts. The equivalent temperature is determined based on an annual or monthly basis. These procedures typically use the cumulative damage concept to determine the amount of fracture damage over the design period for each structure. The Asphalt Institute’s DAMA program falls within this category. 2. Design procedures that use the equivalent temperature concept and axle load distribution for each axle type. These procedures also use the cumulative damage concept to determine the amount of fracture damage for each pavement structure. The PerRoad program falls within this category. 3. Design procedures that use the axle load distribution and pavement temperature distributions at specific depths over some time interval, generally less than a month. These procedures

typically use the incremental damage concept to determine the amount of fracture damage within specific time and axle load intervals at specific depths within the pavement structure. The Mechanistic- Empirical Pavement Design Guide (M-E PDG) falls within this category. For pavement design used the first two methods described above: Asphalt Institute (DAMA) and PerRoad 3.5. Was also used DISPAV-5, which is based on the principles M-E and is commonly used in Mexico for pavement design. The load configuration used in the design calculations depends on the method. DAMA uses the tire contact pressure, wheel load and space between wheels for duals along with the number of repetitions per month to characterize the load configuration. PerRoad uses the philosophy of characterizing traffic by load spectra; in this case, traffic is separated by axle type (percent single, percent tandem, percent tridem, and percent steer). After determining the percentage each axle is of the total traffic, traffic is then subdivided into weight classes on 2 kip intervals. DISPAV-5 uses the concept of equivalent single axle (ESAL´s) of 80 kN load configuration design, To perform the analysis of bottom-up fatigue damage were used 67 x 106 ESAL's. Table 3 shows the results obtained with each of the procedures used. Table 3. Thickness obtained for the design structure DAMA

PerRoad 3.5

DISPAV-5

Layer Thickness (mm) High Modulus fatigue resistant Subgrade

180 100 -

200 100 -

210 100 -

The thickness obtained with the three design procedures are very similar, however, the pavement structure selected was obtained with DAMA. In figure 2 shows the final structure for the pavement.

Figure 2. Pavement structure for the bypass

3 ASPHALT MIX DESIGN Currently in Mexico has implemented a methodology for the design of asphalt mixtures, where different levels are set depending on the characteristics of the project as determined by the level of traffic expected in the design lane, this methodology is called AMAAC Protocol. Within the protocol include dynamic modulus tests and four-point bending test, this methodology was used for the design of mixtures for the study. To ensure that the asphalt mixes comply with the parameters proposed in pavement design and adequate performance has been specified the following points, which must be met in the mix design. 1. For FRL comply with a fatigue law at 20° C, 10 Hz @ 120  ≥ 9.0E+07 and 2. For HM comply with dynamic modulus |E*| at 20° C, 10 Hz ≥ 10000 MPa.

3.1 Aggregates For the mix design was used 100% crushed limestone aggregate, characteristic of the region, we used three fractions added two thick (gravel # 2, seal ½) and fine (sand # 4). The properties of the aggregates are summarized in Table 3 and 4 for the coarse and fine aggregate, respectively. Table 3. Coarse aggregate properties Test Standard Los Angeles

ASTM C 131

Abrasion in the MicroDeval Apparatus

ASTM D 6928

Fractured Particles Flat and Elongated Particles

ASTM D 5821 ASTM D4791

Table 4. Fine aggregate properties Test Sand Equivalent Uncompacted void content Methylene Blue Bulk Specific Gravity

Standard ASTM D 2419 AASHTO T-304 RA-05/2008 ASTM C-128

Aggregate Gravel #2 Seal ½ Gravel #2 Seal ½ Gravel #2 Seal ½ Gravel #2 Seal ½

Results 29% 24% 8.1% 11.5% 79% 78% 23.4% 27.4%

Results 67.1% 43.0% 3.0% 2.6 g/cm3

To After obtaining the properties of aggregates different gradations were evaluated obtained from the combination of aggregates, according to recommended by AMAAC protocol. The final gradation of design is shown in Figure 3. Was agreed to use the same size for the design of two asphalts (FRL and HM), changing only the type of binder to achieve the desired properties of each mixture.

Figure 3. Aggregate gradation for mixes

3.2 Asphalt binders Because the fatigue resistant layer has the function of mitigate fatigue cracking has to use a binder more flexible, so it was decided to use 76 -22 asphalt modified with polymer SBS, due to the experience you have with the aggregates limestone to be used, the binder additive with an anti-stripping. Their characteristics are shown in Table 5. The asphalt binder used in the high modulus layer had to comply with special characteristics, different from the asphalt produced in Mexico. So, the laboratory Research and Development of liquid SemMaterials Mexico had to develop the binder to the mix to help meet the criterion of high modulus. Table 6 shows the characteristics of the binder developed.

Table 5. Fatigue Resistant binder properties Test Standard Viscosity Rotational @ 135ºC AASHTO T 316-10 Penetration @ 25º C ASTM D5-18572 Softening Point AASHTO T53-06 Complex modulus (G*/sin δ @ 76ºC) AASHTO T315-06 Phase angle (@ 76ºC) AASHTO T315-06

Table 6. High modulus binder properties Test Viscosity Rotational @ 135ºC Penetration @ 25º C Softening Point Complex modulus (G*/sin δ @ 82ºC) Phase angle (@ 82ºC)

Standard AASHTO T 316-10 ASTM D5-18572 AASHTO T53-06 AASHTO T315-06 AASHTO T315-06

Results 1423 c.P 54 dmm 62.6 ºC 1.25 kPa 73.8º

Results 2055 c.P 18 dmm 66 ºC 1.7 kPa 82.3º

3.3 Characteristics of asphalt mixtures The desired properties in mixtures designed seem contradictory, because while the FRL must be flexible to mitigate fatigue cracking HM has to be rigid enough to distribute properly the efforts in the pavement structure. Table 7 shows a summary of the properties of asphalt mixtures designed. Table 7. Properties of asphalt mixtures designed Asphalt content Mixtures Asphalt type (%) High Modulus PG 82-22 4.0 Fatigue resistant PG 76-22 4.3

Void content (%) 4.0 3.0

4 TESTS RESULTS The modulus and fatigue tests were carried in the Universal Test System (UTM) developed by the company James Cox and Sons, Inc. The machine is a versatile, fully automated, single axis, closed-loop hydraulic testing system specifically designed to perform tests on soils and asphalt concrete mixtures over a wide range of stresses and frequencies. The equipment is controlled by a computer using the ATS soft-ware to provide feedback closed-loop control to the servo-hydraulic system, as well as to test temperature and to acquire data The tests devices was placed in a climatic oven that maintained the test temperature by circulating air.

Figure 4. CS4300 Universal Testing System for Soils and Asphalt

4.1 Dynamic Modulus Dynamic modulus of asphalt mixtures were evaluated according to AASHTO TP 62-07, at a frequency of 10 Hz and 20º C, placing a dummy specimen in the chamber temperature to identify the time required for the test specimen acquired 20° C. The specimens were fabricated in the gyratory compactor to a diameter of 150 mm and a height of 180 mm and then are saw to a diameter of 100 mm and 150 mm height. Table 8 shows the results obtained in testing dynamic modulus, as can be seen these values exceed the design proposed in the pavement, as well as to meet the criteria of high modulus in the mixture designed (≥ 10.000 MPa). Table 8. Dynamic modulus and phase angle Mixture

Strain ()

HM_1 HM_2 HM_3 FRL_1 FRL_2 FRL_3

78 94 81 125 99 115

|E*| (MPa) 13210 14673 13188 4320 4202 4822

|E*| average (MPa) 13690

4450

Phase angle (degrees) 9.5 11.7 9.6 21.9 22.3 22.1

Phase angle average 10.3

22.1

4.2 Fatigue The fatigue resistance evaluated in the mixtures was carried out in controlled strain mode in four-point bending test. The tests were performed according to ASTM D 7460-10 (Determining Fatigue Failure of Compacted Asphalt Concrete Subjected to Repeated Flexural Bending). ASTM D 7460-10 provides that the loading device shall be capable of (1) providing cyclic haversine (= SIN2 (degrees/2)) loading at a frequency range of 5 to 10 Hz, (2) subjecting specimens to 4-point bending with free rotation and horizontal translation at all load and reaction points, and (3) forcing the specimen back to its original position (that is, zero deflection) at the end of each loading cycle. The test device used in the study complies with the characteristics specified in ASTM D7460-10; Figure 5 shows the loading points and free rotation device for CS7600 manufactured by James Cox & Sons.

Figure 5. Cox fatigue testing apparatus and load and freedom characteristics

Tests were conducted in laboratory beams made of slabs and cut to the following dimensions 380 mm (length) x 63 mm (width) x 50 mm (height). To determine the failure of the specimen was observed decrease its stiffness, determining the point of failure to reduce by 50% its initial stiffness. The tests were run at a controlled temperature of 20°C and 10 Hz for each mixture, three strain levels were selected (700, 500, 300) according to the recommendations of NCHRP Report 646 (Validation of Endurance Limit of Fatigue for Hot Mix Asphalt).

Table 9 shows the characteristics of the beams tested, including the results of fatigue tests for the two mixtures designed in the laboratory. In Figure 6 shows the fatigue laws obtained with the mixtures analyzed. Table 9. Bending Beam Fatigue Results Initial stiffness Mixture Va (%) Cycles to failure strain () (MPa) FRL_01B 4.1 4151.6 714 6000 FRL_01A 4.3 4176.8 738 4000 FRL_02A 4.3 5485.7 742 7000 FRL_05A 4.2 5232.2 508 120000 FRL_04B 4.5 6456.4 479 540000 FRL_05B 4.3 7971.5 395 3900000 FRL_03A 3.9 5189.5 296 17894429a FRL_03B 4.1 5604.0 309 5600000 HM_01A 5.6 14600.6 640 300 HM_02B 5.3 10676.3 666 300 HM_03A 5.3 6315.1 494 965 HM_05B 5.1 4923.4 472 4000 HM_04B 5.1 7710.1 530 2000 HM_05A 4.9 6301.9 299 100000 HM_06A 5.2 12514.6 262 60000 HM_06B 5.1 7004.18 299 120000 ªNotes: predicted fatigue life with the Weibull function (ASTM D7460-10)

Figure 6. Fatigue laws obtained in the study

Using the procedure developed in the NCHRP report 646 (Prowell et al., 2010), was estimated to Fatigue Endurance Limit (FEL) for each of the mixtures designed using Equation 1, based on a 95 percent lower prediction limit of a linear relationship between the log-log transformation of the strain levels of the beams tested and cycles to failure. All calculations were conducted using a spreadsheet developed under NCHRP report 646.



x x 1 0 FEL  yˆ  t s 1   0  n S xx

2

(1)

where: y0 = log of the predicted strain level (microstrain); t  = value of t distribution for n-2 degrees of freedom = 1.9432 for n = 8 with  = 0.05; s = standard error from the regression analysis; n = number of samples = 6; Sxx =  x  x  (Note: log fatigue lives); x0 = log (50,000,000) = 7.69897; x = log average of the fatigue life results. 2

n

i 1

i

Table 10 shows the 95 percent one-sided lower prediction of endurance limit for each of the two mixes tested in this study based on the number of cycles to failure determined at the 50% decrease of its initial stiffness. Table 10. Predicted Endurance Limits Va average FEL Mixer (%) (microstrain) High Modulus 5.2 120 Fatigue Resistant 4.2 269

Finally to verify that there is a fatigue endurance limit the mixture in a test beam to 10,000,000 of loading cycles. The NCHRP report 646 recommends that for the strain level calculated in table 10 (269), however, in our case was performed at the level of deformation proposed pavement design (120). In Figure 7, show the results of fatigue tests in terms of the double natural logarithm ln of the stiffness ratio (SR) versus the number of repetitions of the tensile strain in the test. Stiffness ratio is defined as the stiffness at a specific number of repetitions divided by the initial stiffness. According to Tsai et al. (2006), when plotted as a double log of SR versus log of repetitions, the fatigue damage curve for a beam fatigue test typically consists of three, namely: 1. Stage I, an initial or warm-up stage during which the temperature of the beam increases with energy dissipation until it reaches a fairly stable temperature; 2. Stage II, crack initiation, during which there is a steady rate of stiffness reduction versus repetitions; and 3. Stage III, crack propagation, during which the rate of stiffness reduction versus repetitions is greater than in Stage II. Figure 7 shows each of the scenarios described above, Stage I reaching of temperature equilibrium under the initial repetitions; Stage II, the crack initiation stage and Stage III is designated as the crack propagation stage, although mixes with modified binders often do not exhibit much crack propagation due to a very slow rate of fatigue damage and in this case for the strain low level (120 ms). As can be seen flattening of slope near limit is an indicative of the endurance limit in the mix. 2

Ln (Ln(Stiffness Ratio))

0

SR = 0.5 -2 -4 -6 -8

Stage I

Stage II

Stage III

-10 7

9

11

13

15

17

Ln (cycles)

Figure 7. Plot Ln(–Ln(SR)) versus Ln(N)

5 CONCLUSIONS For perpetual pavement design were used empirical-mechanistic methodologies, where specified parameters (layers modulus) that had to be met in the mix design laboratory. The results of the tests indicate that dynamic modulus are designed mixes meet and even exceed the proposed modulus in the design for the two mixes studied.

For all levels of strain (700, 500 and 300) the fatigue life in the mixture of fatigue resistant is 100% higher fatigue life of the mix of high modulus. This was expected by the type of binder used in each mixture and the difference of 1% less air voids in the fatigue resistant. Endurance Limit of Fatigue to the estimated according to the methodology proposed by NCHRP Report 646 proves to be greater for the fatigue resistant mix (269) compared with the value proposed in the design and the mixture obtained the high modulus (120), which is 56% higher. To verify that the proposed level of strain in pavement design to Endurance Limit of Fatigue in fatigue resistant mix, we performed a beam test to fatigue scheduled to apply 10, 000, 000 load cycles. The test result confirms that for this level of deformation does not show the failure of the specimen, using the criterion of 50% reduction of the stiffness ratio, since the tendency of the plot in double log of SR versus log of repetitions flattening of slope near limit. Indicating an infinite fatigue life. 6 REFERENCES Asphalt Pavement Alliance. 2002. “Perpetual Pavements: A Synthesis,” APA 101, Asphalt Pavement Alliance. L. Fontes, G. Trichês, J.C. Pais & P.A.A. Pereira. 2009. Fatigue Laws for Brazilians Asphalt Rubber Mixtures Obtained in 4 Point Bending Tests. Four Point Bending proceedings of the second workshop. University of Minho. 24-25 September 2009. Portugal. Newcomb, D.E., M. Buncher, and I.J. Huddleston. 2000. Concepts of Perpetual Pavements. Transportation Research Circular No. 503. Perpetual Bituminous Pavements. Transportation Research Board. Washington, DC. pp. 4-11. Prowell, B.D., E.R. Brown, R.M. Anderson, J. Sias-Daniel, H. Von Quintus, S. Shen, S.H. Carpenter, S. Bhattacharjee and S. Maghsoodloo. 2010. Validating the Fatigue Endurance Limit for Hot Mix Asphalt. NCHRP Report 646, Transportation Research Board, Washington, D.C. Timm, D. H., M. M. Robbins, J. R. Willis, N. H. Tran, and A. J. Taylor. 2011. Evaluation of Mixture Performance and Structural Capacity of Pavements Utilizing Shell Thiopave - Phase II: Construction, Laboratory Evaluation and Full-Scale Testing of Thiopave Test Sections - One Year Report. Draft Final Report, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, AL. Von Quintus, H. 2006. Application of the Endurance Limit Premise in Mechanistic-Empirical Based Pavement Design Procedures. International Conference on Perpetual Pavements. Columbus, Ohio. Walubita, L. & Scullion, T. 2010. Texas perpetual pavement – New Design Guidelines. Transportation Researcher. Texas Transportation Institute. The Texas A&M University System College Station, Texas. Tsai, B.W., Jones, D., Harvey, J., and Monismith, C. 2006. Reflective Cracking Study: First level Report on Laboratory Fatigue Testing. Davis and Berkeley, CA: University of California Pavement Research Center. (UCPRC-RR-2006-08).

FRONTERAS TECNOLÓGICAS EN EL USO DE ASFALTOS MODIFICADOS PARA PAVIMENTOS. Gabriel Hernández Zamora, Andrés Guerrero Alvarez, Jesús Alberto Mexicano, Alí Concepción Pineda Sánchez y Mariana Franco Clemente. Dynasol Altamira, S.A. de C.V. Km. 28.5, carretera Tampico-Mante. Altamira, Tamaulipas. México. C.P. 89602 INTRODUCCIÓN. En un escenario de volatilidad de precios en el mercado de las materias primas con tendencia a la alza (aplica para el caso de asfalto, aditivos, polímeros modificadores, etc.), crisis mundial en el sector de construcción, preocupación por el daño al medio ambiente y normativas gubernamentales, lo que queda dentro de los procesos de construcción y rehabilitación de pavimentos es pensar en procesos sustentables, donde convergen beneficios ambientales, económicos y sociales. Figura 1.- Evolución de precios del asfalto.

El desarrollo de productos y tecnologías para la construcción y mantenimiento de pavimentos considera importante la reducción del consumo de energía durante sus diferentes etapas de producción. Los principales problemas que hoy se mencionan en foros internacionales (Argus Asphalt 2011 y 2012) que impactan en el desarrollo de la infraestructura carretera mexicana se centran en: 1. Necesidad de una mejor y rigurosa supervisión en la ejecución de los trabajos por parte de las autoridades. 2. Una mejora en la logística vía marítima o ferroviaria. 3. No hay suficiente capacidad de almacenaje de asfalto en México. En contraparte a los factores ambientales y sociales, la afectación de la calidad de los pavimentos impacta fuertemente en el tema económico, los cuales se ven afectados por el 1

clima, la carga vehicular y el deterioro con el tiempo. Por ello es importante diseñarlos y construirlos de manera adecuada para asegurar una adecuada durabilidad. En la elaboración de la mezcla asfáltica de pavimentos flexibles la parte más importante que da aporte estructural son los agregados; sin embargo, sin el asfalto estos se separarían y la durabilidad del pavimento se vería rápidamente afectada; por ello el asfalto aunque en menor contenido contribuye como ligante o material adhesivo de los agregados. Este asfalto se puede ver mejorado si se modifica con polímeros, particularmente porque se incrementa la resistencia a la deformación (ya que los polímeros mejoran la recuperación elástica), la resistencia al desprendimiento (la adherencia a los agregados y la viscosidad hacen que sea más resistente) y su tiempo de vida útil (reducción de mantenimientos y mejora de la impermeabilidad al pavimento). Existen diferentes tipos de polímeros que reconoce la norma N-CMT-4-05-002/06 en una clasificación general como: TIPO 1: Polímeros de naturaleza elastomérica principalmente derivados de copolímeros de estireno-buadieno en configuraciones radial y SB. TIPO II: Polímeros de naturaleza elastomérica en forma de latex de emulsión acuosa, principalmente látices de estireno-butadieno o neopreno. TIPO III: Materiales de naturaleza plastomérica derivados de EVA y polímeros derivados del polietileno. CLASIFICACION ADICIONAL: Hule de neumático reciclado. De los tipos mencionados antes, los que ofrecen las mejores propiedades en la modificación del asfalto son los del tipo I, ya que funcionan para prevenir la formación de roderas debido a la acumulación de deformaciones plásticas por las altas temperaturas que reblandecen el asfalto, también a prevenir la falla por fatiga dinámica o piel de cocodrilo provocada por fluctuaciones de la temperatura del pavimento por arriba y por debajo de 15°C en un solo día, por gradientes diferenciales en periodos cortos en días a lo largo del mes y por el paso del tránsito pesado cuando el asfalto está experimentando dichas transiciones. Ya que los polímeros del tipo I se expresan como elastómeros, es conveniente definir que un elastómero1,2 es un polímero que entre 18 y 29°C se pueden estirar más de tres veces su longitud original sin romperse, y por otro lado, cuando se estira dos veces su longitud original una vez que cesa el esfuerzo de deformación recupera su forma con una deformación máxima de una y media veces su longitud original en máximo 5 minutos. En este trabajo se presentan los resultados de tres líneas de investigación que muestran las fronteras de desempeño que pueden ofrecer elastómeros de estireno-butadieno en aplicaciones para fabricación de pavimentos y rehabilitación de los mismos.

2

Figura 2.- Grado de deformación que sufren los plastómeros y elastómeros bajo condiciones de definición de elastómero.

MATERIALES. Para propósitos del estudio se usará un SBS radial de alto peso molecular, un SBR de peso molecular medio, un plastómero de naturaleza EGA y una material multifuncional que incluye cadenas SBS acopladas con SB. Las propiedades de estos materiales se describen en la siguiente tabla 1.

Tabla 1.- características de los polímeros usados. PROPIEDAD

METODO

SBS RADIAL Alto

SBR

EGA

medio

medio

SBS-AcSB Medio

Peso molecular

GPC ASTM D5296

Contenido de estireno total, %

FTIR ASTM D5775

30

25

0

28

índice de fluidez a 190°C y 2.16Kg, g/10 min

Plastómetro (ASTM D1238)

0

0

12

0

Temperatura de fusión o transición vítrea, °C

DSC ASTM E1269

-90 (Transición vítrea)

-35 (Transició n vítrea)

70°C (temperatura de fusión)

-65 (Transició n vítrea)

3

Tabla 2.- Características del asfalto modificado grado AC-20 de Ciudad Madero. Propiedad

Método

Valor

Viscosidad Brookfield a 135°C, cP

MMMP4-05-005-02

540

Penetración a 25°C, 100 g, 5 s, 101 mm.

MMMP4-05-006-00

62

Temperatura de reblandecimiento, °C

MMMP4-05-009-00

56

Saturados, %

Iatroscan

6.5

Aromáticos, %

Iatroscan

24.9

Resinas, %

Iatroscan

41.7

Asfaltenos, %

Iatroscan

26.9

DESARROLLO. Caso 1: Diferenciación del asfalto modificado en mezcla con agregado. Un tema controvertido hasta hace unos años era la demostración de la contribución del asfalto y de forma más específica el asfalto modificado a propiedades estructurales de la mezcla. Para evidenciar la contribución del aporte a la estructura se hicieron diferentes pruebas de las cuales se eligió la resistencia a la deformación por rodamiento medida en rueda APA cargada, se evaluó una mezcla en caliente formulada con un SBR descrito en la sección de materiales a 2.8% peso/peso de polímero en asfalto grado AC-20 y se comparó el efecto de reforzamiento frente a una mezcla en caliente formulada con el mismo asfalto sin modificar, el contenido de asfalto en la mezcla fue de 4.5% peso/peso y el resto de agregados pétreos con un diseño tipo SUPERPAVE y compactada usando un compactador giratorio. Figura 3.- Sistema de rueda APA cargada.

4

Para hacer más sobresaliente la prueba se manejaron dos condiciones con probetas secas (insaturadas) y con probetas sumergidas en baño de agua a 25°C (saturadas), los resultados de este diseño hecho a 8,000 ciclos de repetición y ensayos de 5 probetas por muestra se presentan en la siguiente figura 4. Figura 4.- resultados de deformación por rueda cargada APA.

Caso 2: Diferenciación en la estructura del elastómero modificador para reducir tiempo y temperatura en la modificación del asfalto. 5

Mediante tecnologías de acoplamiento por polimerización aniónica se genero una estructura del SBS-Ac-SB multifuncional. Éste polímero ofrece la posibilidad de producir asfaltos modificados a temperaturas de 170 + 5 ° C y tiempos de dispersión menores a los que se requieren con un SBS radial. En los resultados obtenidos se puede observar que los asfaltos modificados a 170 + 5° C con SBS-Ac-SB proporcionan valores de módulo dinámico similares a los que proporciona el SBS radial cuando se modifica a 190 + 5° C, y valores mayores de módulo dinámico que los proporcionados por el mismo SBS radial cuando se modifica a 170 + 5° C. Esto es debido a que las moléculas de SBS-Ac-SB en su fracción SB requieren menor tiempo y temperatura para dispersarse en el asfalto por ser más afines químicamente que las moléculas de tipo SBS y también requieren de menor energía para promover una mejor transferencia de masa y dispersión del polímero en el asfalto. En la figura 5 se observa que el valor de G*/Seno δ (82° C) de un asfalto modificado con de SBS radial se reduce cuando se la temperatura baja de 190 + 5 a 170 + 5° C, observando valores de 1.33 y 0.75 kPa respectivamente, sin embargo, el asfalto modificado con SBSAc-SB a 170 + 5° C mantiene sus propiedades reológicas muy cercanas a las obtenidas a con el SBS radial modificado a 190 + 5° C, proporcionando valores de G*/Seno δ (82° C) de 1.17 kPa. Figura 5.- Desempeño del asfalto modificado con SBS -Ac-SB y SBS radial a diferentes temperaturas de producción

190 + 5° C 170 + 5° C

170 + 5° C

Los resultados obtenidos hasta el momento, nos indican que con esta nueva tecnología es posible producir asfaltos modificados con propiedades elásticas con polímeros de tipo I a temperaturas del orden de 165 - 175° C. En la tabla 3 se muestran las temperaturas de falla de los asfaltos modificados con SBS y SBS-Ac-SB, en la cual podemos observar que la temperatura de falla de un asfalto modificado con SBS radial es 0.45% mayor que la temperatura de falla del asfalto modificado con SBS-Ac-SB, lo cual sugiere que ambos 6

asfaltos presentarán similares características y resistencia a la deformación plástica en el pavimento. Tabla 3. Desempeño reológico del asfalto modificado con SBS radial y SBS-Ac-SB a diferentes temperaturas de producción.

Polímero SBS Radial SBS Radial SBS-Ac-SB

Temperatura de

G*/Seno δ

Temperatura

Temperatura

Angulo

producción (°C)

(kPa)

de prueba (°C)

de falla (°C)

fase (°)

190 + 5 170 + 5 170 + 5

1.33 0.751 1.17

82 82 82

85.0 82.1 83.7

84.08 79.4 83.7

Caso 3: Pavimentos elásticos. Se ha comprobado que la durabilidad de los pavimentos a temperaturas medias y frías se encuentra directamente relacionada con la maleabilidad y elasticidad del asfalto a dichas temperaturas4. La norma de la SCT N-CMT-4-05-002-06 solicita valores de recuperación elástica por torsión a 25° C (RET25) de 40% para asfaltos modificados con elastómeros (Tipo I), y 30% para asfaltos modificados con plastómeros (Tipo III) como se muestras en la figura 6. Figura 6.- Recuperación elástica por torsión a 25° C de asfaltos modificados con elastómero y plastómero a diferentes concentraciones.

Debido a que la temperatura del pavimento puede ser menor a 25°C, es importante observar el comportamiento de la recuperación elástica torsional en los asfaltos modificados con elastómeros y plastómeros a temperaturas inferiores, tal como se observa en la figura 7, donde se muestran los resultados de recuperaciones elásticas evaluadas a 13 y 7° C. Figura 7.- Recuperación elástica por torsión a 13 y 7° C de asfaltos modificados con elastómero y plastómero a diferentes concentraciones. 7

Se puede observar que un elastómero como los SBS radiales mantienen las propiedades elásticas del asfalto incluso a temperaturas inferiores de 25° C, las pruebas de RET realizadas a 13° C muestran que los asfaltos modificados con SBS radial se recuperan ante el esfuerzo de torsión en 40% según lo solicitado por la norma a pesar de estar por debajo de la temperatura te prueba, mientras que la RET de los plastómeros cae a niveles inferiores de 30%. Los valores de RET obtenidos a 7° C muestran como el asfalto modificado con plastómeros siguen reduciendo su capacidad de recuperación elástica, pero en esta ocasión se puede observar que el valor de la RET es de 20% en las tres concentraciones evaluadas (0.8, 1.1 y 1.5%). Lo cual sugiere que a esos niveles de temperatura no importa si se duplica la concentración de plastómero, éste tiende a perder su capacidad de recuperarse de un esfuerzo torsional. Sin embargo, el asfalto modificado con SBS muestra mayores características elásticas que el asfalto modificado con EGA, mientras que con un SBS radial se obtiene un valor de RET a 7°C de 34%, con un EGA (independientemente de la concentración) se obtienen valores de 20%. De igual manera, la RET de los asfaltos modificados con SBS puede ser incrementada mediante el aumento de la concentración de SBS, es decir, al aumentar la concentración de SBS, la recuperación elástica aumenta tal como se muestra en la figura 8, cuando se aumenta la concentración de 2 a 3% de SBS-Ac-SB, la RET a 7°C aumenta de 27 a 30%. Caso 4: Emulsiones modificadas de asfalto para riegos de sello. El actual interés por reducir el consumo energético y la emisión de gases de efecto invernadero, ha despertado el interés por las emulsiones asfálticas5,6, en este sentido se ha observado que dichas emulsiones fabricadas a partir de asfalto modificado con copolímeros de estireno-butadieno ofrecen la opción más barata y eficiente, ya que en esta técnica se asegura la modificación del asfalto. 8

En relación a los copolímeros de estireno-butadieno se han desarrollado diferentes familias para llevar a cabo la modificación del asfalto por la tecnología de Emulsión. Por un lado se encuentran elastómeros termoplásticos SBS lineales donde la totalidad de la composición de los monómeros se encuentran formando bloques secuenciales alternantes (para formar un tribloque) de poliestireno-polibutadieno-poliestireno, una segunda modalidad son materiales que combinan tribloques secuenciales con dibloques estireno butadieno y finalmente, un tercer grupo comprende copolímeros de estireno-butadieno que tienen un bloque parcial de estireno en su estructura3. Las figuras 8 y 9 esquematizan el tipo de estructuras de las cuales se habla. Figura 8.- Elastómero compuesto de SB y SBS lineal. Estructura tipo SB Di-bloque

Estructura tipo SBS tri-bloque secuencial

+ Donde: = monómero de butadieno. = monómero de estireno.

Figura 9.- Elastómero de estructura parcial (SBR).

Donde: = monómero de butadieno. = monómero de estireno.

En este estudio se produjeron emulsiones asfálticas de rompimiento rápido7,9 con el objetivo de observar las propiedades elásticas que proporcionan al residuo asfáltico los siguientes polímeros: a) b) c) d) e)

SBS + SB SBR SB EGA Látex de SBR

9

Los resultados obtenidos en la figura 10 muestran que el modificador que proporciona la mayor recuperación elástica en las tres concentraciones evaluadas es el SBS + SB, lo cual se atribuye a que su peso molecular es aproximadamente mayor en un 30% a las moléculas de SBR y SB, y 45% mayor que el látex. Figura 10.- Valores de recuperación elástica por ductilómetro del residuo de destilación de emulsiones con distintos modificadores poliméricos.

Las características de las emulsiones modificadas con SBS + SB se muestran en la tabla 4, en la cual se puede observar que es posible producir emulsiones de alta viscosidad y estables al almacenamiento, la propiedades elásticas del residuo asfáltico incrementan con el aumento de la concentración de polímero, siendo una concentración de SBS + SB de 3% la adecuada para cumplir todos los parámetros solicitados por la norma mexicana.

10

Tabla 4.- Características de la emulsión modificada con SBS+SB. Propiedades

Norma SCT

SBS+SB 2%

SBS+SB 3%

SBS+SB 4%

Contenido de cemento asfáltico, %

60

67

66

67

Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C; s

50 – 200

107

132

145

0.1

0.001

0.0015

0.002

3

0.5

1

1.6

100 a 200

124

113

105

Ductilidad a 4°C, 5 cm/min; cm, min

30

28

34

37

Recuperación elástica por ductilómetro a 25°C, 20cm, 5 min, % min.

40

35

44

46

Recuperación elástica por ductilómetro a 10°C, 20cm, 5 min, % min.

50

46

53

54

Retenido en malla #20, % Asentamiento a 5dás, % Penetración a 25°C, 100g, 5 s; 10-1 mm

En la tabla 5 se muestran las características de las emulsiones modificadas al 3% con SBR, SB y látex, se observa que es posible obtener valores de viscosidad Saybolt Furol mayores a 100 segundos, lo cual indica que para el caso de los asfaltos modificados con SBR y SB es posible alcanzar niveles aceptables de molienda y obtener tamaños de partícula menores a 10 micras, tal como se muestra en la figura 11. Tabla 5. Características de la emulsión modificada con SBR, SB y Látex. Propiedades

Norma SCT

SBR 3%

SB 3%

Látex 3%

Contenido de cemento asfáltico, %

60

66

65

66

Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C; s

50 – 200

122

105

116

0.1

0.01

0.013

0.011

3

1.2

1.5

1.4

100 a 200

113

124

115

Ductilidad a 4°C, 5 cm/min; cm, min

30

36

38

35

Recuperación elástica por ductilómetro a 25°C, 20cm, 5 min, % min.

40

41

42

41

Recuperación elástica por ductilómetro a 10°C, 20cm, 5 min, % min.

50

55

52

54

Retenido en malla #20, % Asentamiento a 5dás, % Penetración a 25°C, 100g, 5 s; 10-1 mm

11

Figura 11.- Fotografía del la ECR-2P modificada con SBR tomada con un microscopio de fluorescencia a 10 x.

Los tamaños de partículas que se muestran en la figura 12 son consistentes con los valores de retenido en malla #20 y con la estabilidad al almacenamiento mostrada en las pruebas de asentamiento a 5 días8,9, ya que los valores observados fueron de 1.2% para la emulsión modificada con SBR, 1.5% para emulsión modificada con SB y 1.4% para emulsión modificada con látex. Durante el estudio se intentó producir emulsiones a partir de asfalto modificado con plastómero de EGA, pero esta emulsión no se mantenía estable y rompía a los pocos minutos de la molienda, se observó que los problemas principales se encuentran en la rigidez del asfalto que el plastómero le transfiere y los tamaños de partícula son mayores a 30 micras. CONCLUSIONES. En este estudio se presentaron resultados del desempeño de diferentes tipos de polímeros que modifican el asfalto y su aporte de propiedades a la mezcla de asfalto modificado. En el primer caso de estudio se observa que el asfalto modificado genera mayor reforzamiento del asfalto contribuyendo al módulo elástico de la mezcla asfáltica con agregados petreos sometida a esfuerzo de deformación por rueda cargada APA, esta mejoría del asfalto modificado no se observa en la mezcla formulada con asfalto virgen. En un segundo caso, se presenta una modificación en la estructura de los copolímeros de estireno-butadieno que combina tribloques secuenciales acoplados con dibloques de estireno-butadieno que ofrecen la gran ventaja de poderse dispersar en menos tiempo y temperatura en el proceso de modificación del asfalto cuando se comparan contra el SBS radial utilizado en este estudio. Para los productores de asfalto modificado esto representa un ahorro en energía y tiempo. 12

Las propiedades reológicas que se consiguen tanto con SBS radiales como con este nuevo polímero de características estructurales diferenciadas permiten ver que adecuando las condiciones de proceso se pueden conseguir grados PG superiores a 82°C, y por supuesto el grado PG 76 que la mayoría de las obras en México solicitan. Es muy importante estudiar el comportamiento del asfalto modificado a bajas temperaturas por los efectos de fatiga dinámica o cracking térmico, esto también está relacionado con la durabilidad del pavimento porque generalmente el enfoque de diseño está pensado para las fallas por acumulación de deformaciones plásticas y generación de roderas y se descuida la parte de las fallas por cambios en la temperatura hacia fluctuaciones por debajo d 15°C. es interesante denotar la versatilidad que ofrecen elastómeros del tipo I como los SBS y SBSAc-SB para mantener altas propiedades de recuperación elástica por torsión, cosa que no se observa con polímeros del tipo II como plastómeros como el EGA, como se demuestra en el caso 3 de este estudio. Finalmente, el caso 4 permite ver que los copolímeros del tipo SBS y SB permiten contar con una opción viable para no solo modificar el asfalto sino también emulsionar el asfalto modificado ofreciendo un residuo asfalticos que cumple con las características que exige la SCT y asegurando la modificación del asfalto. Estos materiales compiten en el mercado con latices de SBR que se encuentran formulados con agua, los cuales partiendo de una emulsión se integran muy rápido con el asfalto cuando se emulsionan en conjunto, pero no garantizan que se modifique el asfalto. En el escenario de altos precios en materias primas y altos costos de construcción en ambientes de crisis es importante pensar en calidad de materiales y durabilidad, los copolímeros de estireno butadieno en sus diferentes versiones ofrecen soluciones duraderas para adaptarse a cualquier tipo de clima y tráfico, garantizando reducción de mantenimiento y alto tiempo de visa útil. Es importante que México como país elimine las malas prácticas de construcción, se pienso en soluciones de largo plazo donde el mayor ahorro esta en el número de mantenimientos y la seguridad de los usuarios, y no en la reducción de espesores de carpetas y el uso de materiales que no cumplan con calidad en las normas que se establecen y las nuevas propuestas como el protocolo AMAAC.

BIBLIOGRAFÍA

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5. Asociación española de fabricantes de mezclas asfálticas ASEFMA, Compendio de comunicaciones técnicas de proyecto Fénix de terceras jornadas técnicas, v. 1, n. 1, Madrid, España. 2008. 6. HUSSAIN, U.B., MILLER, T.D., “Sustainable Asphalt Pavements: Technologies, knowledge gaps and opportunities”, Prepared for the Modified Asphalt Research Center, The University of Wisconsin Madison, USA, 2009. 7. “QUIMIKAO-Chemical products”, manual de tecnología de emulsiones, Guadalajara, Jalisco 1999. 8. EL-AASSER, M. S., “The role of surfactants in emulsion polymerization processes”, Lehigh University, Philadelphia 1998. 9. STROUP, Gardiner Mary., “Modified asphalt and emulsion”. Polymer Literature Review., University of Minnesota. USA 1995.

14

NANOTUBOS DE CARBONO OBTENIDOS POR DESCOMPOSICIÓN CATALÍTICA DE METANO PARA EL MEJORAMIENTO DE ASFALTOS A. Jiménez 1,2, F. Reyes 2, C. Daza 1 1

Departamento de Química. Facultad de Ciencias. Pontificia Universidad Javeriana, Carrera 7 No. 40 – 62. Bogotá, D.C. Colombia. 2 Departamento de Ingeniería Civil. Facultad de Ciencias. Pontificia Universidad Javeriana, Carrera 7 No. 40 – 62. Bogotá, D.C. Colombia.

Resumen Se realizó un diseño de experimentos para el proceso de descomposición de metano, en el que se evaluó la temperatura (600, 700 y 800 ºC), el tipo de catalizador y el tiempo de reacción (1, 2 y 3 h). La variable de selección fue el peso bruto de los NTC obtenidos. Se presenta la mayor actividad usando el catalizador de Ni-Cu-Al y metano, sin diluyente, bajo régimen isotérmico a 700 ºC durante 3 h. Para estas condiciones, se generó la mayor producción de g NTC/g catalizador de 6,17 reportada en la literatura. Los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) fueron caracterizados por Análisis Termogravimétrico (TGA), Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). El asfalto 60/70 convencional y modificado se caracterizó reológica, mecánica y químicamente. Palabras Clave: Descomposición de metano, CNTs, asfaltos modificados

desempeño del asfalto, ya que pueden llegar a tener una alta afinidad química dado su carácter hidrofóbico, generando un material híbrido mejorado. Así mismo, los asfaltos son muy susceptibles ante cambios de temperatura y los NTC podrían contribuir con su estabilidad, reduciendo el deterioro, y aumentando su vida útil.

Introducción los NTC han sido empleados para mejorar las propiedades de diversos materiales, ya que poseen propiedades físicas, químicas, térmicas y eléctricas con rangos de magnitudes mucho más altos que los demás materiales conocidos y usados (1,2), como resistencia a la tracción (3), transmisión de calor, (4), y el módulo de Young, cuya magnitud asciende a 1 TPa (5) entre otras, incluyendo los empleados comúnmente en ingeniería civil, como concreto y polímeros, elastómeros (6,7) y plastómeros (8).

Sin embargo, la síntesis de estas estructuras es costosa y sus rendimientos de producción son bajos (9). Adicionalmente, el costo de purificación de los diferentes materiales nanométricos ha sido uno de los problemas a la hora de usarlos en el campo de la construcción, en donde se requieren grandes cantidades (10), por esta razón se buscan

La modificación con estructuras nanométricas, como los NTC, pueden ser una opción prometedora para el incremento en el 1

métodos de síntesis que reduzcan dichos costos y generen un bajo impacto ambiental.

Los NTC de pared simple están compuestos por una única lámina de grafeno, su diámetro está en el rango de unos pocos nanómetros (1-2 nm) (18,19) , mientras que en los de pared doble y múltiple se forman varias láminas con disposiciones concéntricas, donde el espaciamiento entre cada uno de los cilindros puede llegar a ser de 0,34nm (20,21)

La descomposición catalítica del metano surge como alternativa de síntesis de los NTC, dado su bajo costo de operatividad (11) ya que requiere menor energía en la reacción, en comparación con otros procesos de síntesis como ablación laser, descarga de arco, entre otros (9,12).

Síntesis de los nanotubos de carbono

Adicionalmente, el proceso genera como único sub-producto hidrógeno. Hoy en día se están buscando diferentes métodos para la obtención de hidrogeno, puesto que es uno de los candidatos más viables a sustituir los combustibles fósiles como fuente de energía, debido a que es un gas con alta densidad de energía, no contaminante, eficiente y prácticamente inagotable (13). Esto hace que la descomposición del metano sea una opción atractiva como proceso químico conducente en la obtención de los NTC e hidrogeno (14).

En las últimas dos décadas se han empleado diversos métodos con el fin de obtener NTC con propiedades superlativas, además, de aumentar el rendimiento en su producción. Dentro de los diferentes métodos de síntesis sobresalen, arco-descarga (22,23), ablación laser (24) y Deposición catalítica química en fase vapor (CCVD). Deposición catalítica química en fase vapor (CCVD) Este método se ha convertido en la técnica más común para producir NTC (25–27), puesto que puede emplearse en procesos de producción a gran escala, ya que requiere menos energía que los métodos mencionados anteriormente, y los residuos no son contaminantes, en la mayoría de casos (28– 30). Así mismo, esta tecnología es una de las que hoy en día se está empezando a desarrollar para la obtención de hidrógeno como una fuente de energía alternativa y limpia (9,31).

Nanotubos de carbono (NTC) Los NTC son una forma alotrópica del carbono compuestos por hojas hexagonales de grafeno, laminadas de forma cilíndrica (15,16) en donde los átomos de carbono están unidos por enlaces con hibridación sp 2, similares a los del grafito, los cuales confieren una extraordinaria estabilidad a la estructura (17). Además, los NTC son estructuras moleculares definidas con dimensiones reproducibles que los hacen más rígidos y más fuertes que cualquier otro material conocido (5).

El proceso consiste en alimentar un reactor tubular, que contiene un catalizador, con una fuente de carbono en fase gaseosa. Cuando en el reactor se alcanzan temperaturas entre 600 – 1200 ºC las moléculas del hidrocarburo se descomponen, difundiéndose sobre el catalizador y generando el crecimiento.

Los NTC pueden ser obtenidos con diversos tamaños, diámetros y longitudes lo cual está en función del método de síntesis. De acuerdo con su estructura, se clasifican en: nanotubos de pared simple, de pared doble y múltiple pared.

En este proceso, es importante controlar y regular condiciones tales como: temperatura 2

de reacción, presión de los gases, flujo y concentración de la fuente de carbón, tipo, tamaño y cantidad del catalizador, ya que de estás dependen las características de los NTC (32).

La formación de una o varias capas en los nanotubos está regida por el tamaño de la partícula del catalizador ya que cuando esta es de unos pocos nanómetros se forman nanotubos de una sola pared, mientras que para partículas más grandes (decenas o cientos de nm), la formación de NTC de pared múltiple es más común (44).

Las fuentes de carbón más comunes son el metano, (16,33,34) etileno (34,35), benceno (36) (37) acetileno (38), monóxido de carbono (39), xileno (40), tolueno (41), dióxido de carbono, hexano, etanol, naftaleno y antraceno entre otros (42).

Se han reportado diferentes tipos de catalizadores. Por ejemplo, los catalizadores obtenidos por tratamiento térmico de hidrotalcitas como precursores de óxidos mixtos, presentan una alta estabilidad térmica y grandes áreas superficiales, favoreciendo los procesos de crecimiento de los NTC. Además, de la buena dispersión de las partículas metálicas (45,46).

La estructura molecular de la fuente de carbón influye tanto en el crecimiento como en la morfología de los NTC. Para el caso de los hidrocarburos lineales como el metano, etileno y acetileno se producen NTC rectos y huecos, por el contrario, para los hidrocarburos cíclicos como benceno, xileno y/o ciclohexano su morfología tiende a ser curva (43).

Por su parte, mediante el método de auto combustión se pueden obtener materiales catalíticos que presentan alta productividad en la formación de NTC dado su baja densidad y alta porosidad.

Catalizadores para el método CCVD El uso de un determinado tipo de catalizador, metálico de transición, junto con el tipo de fuente de carbono puede generar diferencias en los tipos de nanotubos. Por ejemplo, el Ni, Fe y Co tienen una mayor tendencia hacia el crecimiento de los NTC en comparación con otros metales, generando principalmente NTC de pared simple con menor diámetro (44).

En este método se emplean los nitratos de los metales, previamente seleccionados, y un compuesto orgánico que sirve como combustible. Cuando los nitratos se descomponen por efectos térmicos reaccionan rápidamente con el compuesto orgánico generando una combustión; luego de la calcinación del óxido, la porosidad en el material se forma debido al efecto “template” del compuesto orgánico (47–49)

Los catalizadores más empleados son los metales de transición, que pertenecen al grupo 8 de la tabla periódica, tales como Ni, Fe y Co. La actividad de estos metales radica en su elevado punto de fusión, junto con la alta solubilidad que tienen con el carbono a grandes temperaturas, (32). Otros tipos de catalizadores son Ru, Rh, Pd, Os, Ir Pt, Cu, Au, Ag, Pt y Pd reportados en los siguientes resúmenes (30,32).

Por otra parte, el soporte catalítico ayuda en el crecimiento de los NTC sobre el catalizador, ya que el tamaño y la estabilidad de las partículas del catalizador (fase activa) depende de la interacción con este (32). Además, la interacción entre el metal y el soporte controla la formación de las estructuras de los NTC, de ahí la importancia en la adecuada selección del material soporte (50). 3

Dentro de los diversos soportes catalíticos empleados se encuentran: grafito, cuarzo, silicio, carburo de silicio, sílice, alúmina, silicato de aluminio (zeolitas), CaCO3, óxido de magnesio, lo cual se reporta en el trabajo resumen de (51).

actividad en la descomposición del metano (58) . La reacción de auto-combustión se realizó mezclando los nitratos de las sales en proporciones (Mg+Cu)/Ni=2, y Mg/Cu=1 para el catalizador Ni-Cu-Mg-Al; Mg/Ni=2 para el catalizador Ni-Mg-Al y (Mg+Cu)/Ni=2 y Mg/Cu=1 para el catalizador Ni-Cu-Al. En todos los casos, las proporciones M2+/Al fueron iguales a 3 y la proporción NO3-/gly fue igual a 1, ver Figura 1.

Los catalizadores de Ni se emplean con frecuencia en la descomposición de metano para obtener hidrógeno y NTC, dada su actividad y alta estabilidad térmica (33,52,53). Mecanismos de formación de los NTC

La mezcla se calentó lentamente hasta la formación de un gel, en este momento, la temperatura se elevó súbitamente (alrededor de 300ºC) para promover la descomposición de los nitratos y la reacción de combustión.

Actualmente, se han definido dos mecanismos de formación de los NTC, crecimiento por punta y desde la base. El primero, se asocia con una interacción débil entre el catalizador y el soporte, donde el ángulo que se forma entre esto(52)s dos es agudo (43).

El material resultante se calcinó a 700ºC durante 14 h con un incremento de 10 ºC/min.

Experimentación

Síntesis de los NTC

Obtención de los catalizadores para la síntesis de los NTC

La reacción de descomposición de metano se llevó a cabo en un reactor horizontal de lecho fijo de cuarzo el cual se encuentra introducido en un horno de alta temperatura. En la Figura 2 se presentan detalles del reactor empleado.

Dado que la obtención de los NTC se realizó mediante la descomposición catalítica de metano, fue necesario para llevar a cabo el proceso sintetizar catalizadores de Ni, soportados con Mg, Al y Cu. Estos catalizadores fueron obtenidos mediante el método de auto-combustión a partir de los nitratos de los metales y glicina como combustible (55–57).

En el reactor de cuarzo, se disponen 0,5 g del catalizador sin previa reducción, el metano se introduce en flujo continuo a razón de ~20 cm3/min desde temperatura ambiente. La temperatura se incrementó a razón de 10 ºC/min hasta la temperatura de reacción y se mantuvo en isoterma durante un tiempo determinado, una vez finalizado, la temperatura se disminuyó a razón de -10 ºC/min y se retiró el producto del reactor de cuarzo.

En este trabajo, se evaluaron tres tipos de catalizadores: Ni-Cu-Al, Ni-Mg-Al y Ni-CuMg-Al los cuales fueron seleccionados de acuerdo con reportes de la literatura que señalan que los catalizadores con estas combinaciones de metales presentan alta

4

a)

c)

b)

Figura 1. Proceso de Auto combustión; a) Catalizador de Ni- Cu-Mg-Al; b) catalizador de Ni-Mg-Al; c) Catalizador de Ni-Cu-Al

Los NTC fueron obtenidos después de realizar dos lavados con HNO3 concentrado para retirar el catalizador y posteriormente, lavados con agua destilada.

Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) Los análisis TEM se realizaron en un microscopio JEOL JEM-2010F operado a 200 kV. Las muestras fueron preparadas sobre una rejilla micrométrica de Cu previo a la observación. Se empleó el software ImageJ® para determinar el diámetro y la longitud promedio de los NTC.

a)

b)

Espectroscopía RAMAN Los análisis RAMAN fueron realizados en un Espectrómetro confocal marca Horiba Jobin Yvon, Modelo Labram HR de alta resolución, empleando un láser de 633 nm.

Figura 2 a) Esquema simplificado del reactor de craqueo de metano; b) Detalles del reactor.

Obtención de los catalizadores para la síntesis de los NTC

Con el propósito de establecer las mejores condiciones para la síntesis de los NTC, se realizó un diseño de experimentos en el que se evaluaron la temperatura (600, 700 y 800 ºC), el tipo de catalizador y el tiempo de reacción (1, 2 y 3 h). La variable de selección fue el peso bruto de los NTC obtenidos.

La síntesis de los NTC se realizó empleando tres tipos de catalizadores, obtenidos por el método de auto-combustión, Ni-Mg-Al, NiCu-Al y Ni-Mg-Al-Cu. En este trabajo, no fueron realizadas determinaciones conducentes a la obtención de la composición elemental de los materiales catalíticos. No obstante, en la literatura, se ha señalado que la composición química final de este tipo de catalizadores es muy cercana a la nominal (48) .

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) Los análisis SEM se realizaron en un microscopio JEOL JSM6490LV. Las muestras fueron recubiertas con una delgada capa de Au para su observación.

5

Con el propósito de obtener las condiciones más favorables para la obtención de los NTC, se diseñaron experimentos que evaluaron diferentes variables de operación del reactor catalítico, Las variables evaluadas fueron: tipo de catalizador, masa del catalizador, temperatura, y tiempo de reacción. En todos los casos, el catalizador se empleó sin reducción y el flujo de metano fue constante durante la isoterma.

la isoterma del proceso, mientras que el diluyente se empleó en el incremento y decremento, después de esta. Si bien se ha indicado que la producción de NTC se realiza previa reducción del catalizador con H2. En el presente trabajo, esta reducción no fue llevada a cabo teniendo en cuenta la reducción de costos del proceso. Bajo dichas condiciones, la reducción del catalizador sucede in situ dado el ambiente reductor en el lecho catalítico. Durante los primeros instantes de la reacción, ocurre la descomposición del metano para producir NTC y H2 sobre los sitios metálicos, el hidrógeno es consumido por los óxidos de los metales para reducirse hasta el estado metálico, a partir de este momento, la reacción continúa a través del fenómeno de difusión y nucleación (17,59)

En los primeros experimentos, se determinó que es más favorable para producir NTC usar 0,5 g de catalizador (WHSV = 2,4 Lh-1g-1) bajo régimen isotérmico (700 ºC) que usar 1 g de catalizador (WHSV = 4,8 Lh-1g-1) pues el peso bruto de producción es mayor en un 3,9 % en masa en promedio. Esto sugiere que es probable que los procesos difusivos en fase gaseosa sean limitados con un lecho catalítico de 4,8 Lh-1g-1 debido al empaquetamiento del catalizador en el reactor, este fenómeno puede causar que solo en la parte inicial del lecho se produzca reacción, disminuyendo la producción de NTC (48).

Resultados y discusión Síntesis de los NTC Posteriormente a la selección de las variables ya descritas, los tres catalizadores fueron evaluados en reacciones bajo régimen isotérmico (600, 700 y 800 ºC) durante 1h, ver Figura 3.

Fue seleccionada una velocidad espacial de 2,4 Lh-1g-1, con el fin de aumentar la producción de los NTC. Los resultados demostraron que cuando se usa el gas reactivo puro (sin diluyente), se incrementa la producción de NTC en un 189 % en masa en promedio respecto al uso del gas reactivo diluido (10:50), en la isoterma.

Para la síntesis de los NTC se evaluaron 3 tipos de catalizadores Ni Mg Al, Ni Cu Al y Ni Mg Al Cu. De acuerdo con diferentes resultados, cuando el peso del catalizador es 1 gr, la reacción genera 3.5% menos de NTC, que cuando se realiza con 0,5gr de catalizador, a una temperatura y tiempo de la isoterma de 700°C y 2h, respectivamente.

Lo anterior señala que la reacción debe ocurrir con un tiempo de residencia alto en el lecho catalítico y que un incremento en las velocidades espaciales desfavorece el proceso. De igual manera, podría considerarse que el uso de un gas diluyente podría incrementar los costos de producción.

De otra parte, es más favorable para la síntesis de NTC que durante la isoterma solo exista flujo de metano, ya que las relaciones entre la cantidad de NTC y el catalizador llegan a ser un 189% mayor que cuando está

De acuerdo con este resultado, se seleccionó el uso del gas reactivo (metano) puro, solo en 6

Peso bruto (g)

presente el nitrógeno. En consecuencia el flujo de metano adoptado fue de 10 cssm, mientras que el de nitrógeno solo se colocó cuando se incrementa la temperatura hasta la isoterma, y cuando esta termina y decrece hasta la temperatura ambiente, con una magnitud de 50 cssm. 1,70

Ni Cu Al

1,50

Ni Mg Al Cu

representar beneficios económicos en la producción. Así mismo, se puede observar que para los catalizadores de mayor actividad, la producción máxima ocurre a 700 ºC. A esta temperatura, de acuerdo con los cálculos termodinámicos reportados en literatura, para las condiciones utilizadas en el presente trabajo, la descomposición del metano es del 91% mientras que a 800ºC la predicción es del 98 %. La razón que explica la menor producción a 800 ºC podría ser la sinterización de las partículas del catalizador, cuya rapidez se incrementa con mayores temperaturas.

Ni Mg Al

1,30 1,10

0,90 0,70 0,50

0,30 550

600

650 700 750 Temperatura ( C)

800

850

Después de seleccionadas estas variables, se realizaron experimentos con diferentes tiempos de reacción (1 a 5 h), en la Figura 4 se pueden apreciar los resultados obtenidos.

Figura 3. Peso en bruto de NTC + catalizador para diferentes catalizadores y temperaturas.

Para la elección del tipo de catalizador se mantuvo constantes los parámetros anteriormente descritos, peso del catalizador, flujo de metano, y se contemplo un tiempo de isoterma de 1 hora, evaluando la temperatura de la reacción, a continuación se presentan los diferentes resultados:

De acuerdo con la Figura 4 se infiere que la isoterma de 3 horas, a 700°C es la mejor condición para obtener NTC, razón por la cual se empleó para la obtención de los 210 g de NTC, que fueron empleados para la modificación del asfalto.

A partir de los resultados presentados en la Figura 3, se puede apreciar que los catalizadores que contienen Cu presentan mayor actividad en la descomposición del metano que aquel que no contiene dicho metal, comportamiento similar fue reportado por (54), donde se manifiesta que el Cu promueve la actividad del Ni mejorando considerablemente la producción de NTC e incrementando la estabilidad del catalizador.

3,5

Peso bruto (g)

3,0 2,5

2,0 1,5 1,0 Ni Cu Al

0,5 0,0 0

De los dos catalizadores, el de Ni-Cu-Al presentó mayores cantidades producidas en cada una de las temperatura evaluadas. Adicional a esto, este catalizador posee una combinación química menos compleja (no contiene Mg) por lo que su selección podría

1

2

3 4 Tiempo de isoterma

5

Figura 4. Peso en bruto (NTC + catalizador) para diferentes periodos de tiempo de la isoterma a 700°C.

Para la obtención de dicha cantidad se realizaron 68 montajes que presentaron una media de 3,10 g (peso bruto), mediana de 7

6

2,98 g y Desviación estándar de 0,68, estos valores representan una producción de 6,17 g NTC/g catalizador.

Es posible observar una segunda pérdida a partir de los 100 °C hasta los 400 °C y su magnitud es de 2,27%, debido a la oxidación de carbono amorfo compuestos por uniones CHx ó nanotubos con defectos en su estructura (62,63). Dado que es una perdida relativamente pequeña se puede relacionar con bajas cantidades de estructuras desordenadas de carbono (60).

La distribución del peso bruto de NTC se presenta en la Figura 5. Si bien la desviación de los resultados es elevada, es importante rescatar que se obtuvieron producciones de NTC de las más altas reportadas en la literatura (60), donde le mayor valor se acercaba a 4,8 g NTC/g catalizador. 30

Derivada de Peso (%/ C)

Peso (%)

Cantidad de montajes

25

20

15

10

5

0

Temperatura ( C) 2

3

4

5

6

Figura 6. TGA de los NTC sintetizados a 700°C y purificados.

Peso NTC+ catalizador (g)

Figura 5. Histograma pesos de NTC+ Catalizador, para isoterma de 3 h a 700°C, con 0,5 g de Ni Cu Al y flujo de metano de 10 cssm.

La oxidación de los nanotubos de carbono ocurre entre los 450 y 650°C, rango común en los nanotubos de múltiple pared, similares resultados se presentaron en (61), donde los catalizadores con Ni presentaron mayor estabilidad térmica. La derivada de la pérdida de peso presenta un solo evento de oxidación con un máximo a los 560 °C el cual sugiere que solo existe una sola fase en la muestra. Esta temperatura de los NTC es inferior a la que reporta (64) para NTC sintetizados por descarga de arco (700 °C) y mayor a la reportada por (65) para NTC preparados por descomposición de propileno (420 ºC)

Caracterización de los NTC Los NTC sintetizados con las condiciones establecidas (catalizador Ni-Cu-Al, isoterma de 700 ºC, durante 3h con flujo de metano puro) fueron caracterizados mediante diferentes técnicas. A continuación se presentan los resultados obtenidos: Análisis Termogravimétrico (TGA) El análisis TGA se realizó a los NTC luego de la etapa de purificación con HNO3. El termograma se presenta en la Figura 6. La primera pérdida de masa tiene una magnitud de 1,782 %, y ocurre desde temperatura ambiente hasta los 100 °C, lo cual puede atribuirse a la remoción de agua fisisorbida en el material (60), o a remociones de impurezas orgánicas volátiles (61).

Aproximadamente un 6,3 % de la masa original queda como residuo después de la oxidación, lo cual pudiera provenir de partículas del catalizador, que quedaron encapsuladas dentro de las estructuras de los NTC dificultando su disolución con el ácido nítrico. 8

Si bien mediante el proceso de síntesis se pueden controlar tamaño y tipo de los NTC, su orientación en escala micrométrica tiende a ser desorganizada y aleatoria.

Microscopía electrónica de barrido SEM En la Figura 7 se pueden observar las micrografías SEM tomadas a los NTC después de la purificación, se puede inferir que existen microfibras de carbono, las cuales se extienden por varios micrómetros.

Figura 7. Micrografías SEM de los NTC+ catalizador, sintetizados a 700°C.

Con base en las imágenes se aprecian partículas probablemente de Ni (áreas oscuras) embebidas en las NTC las cuales en algunas fibras permanecen después de la purificación, este fenómeno también se reportó por (66,67). De otra parte, se percibe que el crecimiento de los NTC se da desde la base, de la fase activa, y que su distribución y ordenamiento son aleatorios.

Microscopia electrónica de transmisión (TEM) En la Figura 8 se pueden observar las micrografías TEM para los NTC antes y después de la purificación con HNO3. En las micrografías TEM se aprecian NTC de diferentes tamaños y longitudes observándose que están compuestos, en su mayoría, por múltiples capas. Según (60), este tipo de estructura es la que más frecuentemente se origina en procesos catalíticos.

De acuerdo con (60) no existe una correlación directa entre el tamaño de las partículas de Ni y el diámetro interno de los NTC, y solamente las partículas pequeñas son 9

adecuadas para encapsularse en los NTC, tal como se observa en la Figura 8.

observan NTC con diámetros inferiores a 3 nm los cuales pudieran ser de una sola pared (21). En la Figura 9 se observa una micrografía TEM en donde se presenta un NTC individual, en el que claramente se observa la formación de múltiple capas, pudiéndose diferenciar el diámetro interno y externo, así como una cavidad interior.

Además señalan que el tamaño de las partículas de Ni óptimo para el crecimiento de los NTC está entre 4 y 12 nm, valores similares, 44,0 nm y 42,6 nm, respectivamente, y su desviación estándar es de 15,8 nm. En la distribución, también se

Figura 8. Micrografías TEM de NTC sintetizados a 700°C durante 3 h, a) y b) ante de la purificación, c) y d) después de la purificación.

10

Original 0.5% NTC 1% NTC 1.5% NTC 2 % NTC

a)

S=O

C=O

Figura 9. Micrografía TEM.

Una vez caracterizados los NTC, se adicionaron al asfalto mediante mezcla mecánica. Con el fin de evaluar el comportamiento fisicoquímico del asfalto mejorado se presentan los diferentes resultados de las técnicas de caracterización del material.

800

1000

1200

1400

1600

Numero de Onda cm-1 b)

S=O

1800

Original 0.5% NTC 1% NTC 1.5% NTC 2 % NTC

C=O

Caracterización Química Espectroscopia FTIR Con el fin de evaluar si durante el proceso de mezclado del asfalto con los NTC ocurrió oxidación, se determinaron los grupos funcionales carboxilos (C=O) y sulfoxidos (S=O) mediante FTIR.

800

1000

1200

1400

1600

1800

Numero de Onda cm-1

Número de onda cm-1 Figura 10. Espectros de Asfalto 60/70 con adición de NTC a) Temperatura de homogenización de 153 ºC y b) Temperatura de homogenización de 173 ºC.

Los procesos de oxidación del asfalto han sido reportados como fenómenos de deterioro de las propiedades mecánicas del material por lo que su prevención en la modificación es de gran relevancia. En la Figura 10 a) y b) se presentan los espectros en la zona de 800 a 1800 cm-1.

Con base en los espectros, es posible afirmar que no se presentaron cambios o generación de nuevas señales en la zonas representativas de los grupos funcionales producto de la oxidación, por lo que se infiere que durante el proceso de modificación del asfalto 60/70 con los NTC, no se presentó este fenómeno aún con la temperatura más alta a la que realizó la mezcla, y que comúnmente se asocia con pérdida de fracciones volátiles.

Los espectros revelan diferentes señales características de los asfaltos debido a su naturaleza aromática y alifática. Por ejemplo, la señal en 1510 cm-1 representa los dobles enlaces C=C y sustituciones alquilo, así mismo, los picos entre 1415y 1458 cm-1 corresponden a balanceos de los enlaces en grupos CH2 y C=C con CH2 ramificados. Las señales en 910 y 850 corresponden a las tensiones =CH fuera del plano y tensiones -COrespectivamente.

Esto se confirmó con la integración de las señales en los rangos señalados la cual permanece constante luego de la inclusión de los NTC. Resonancia Magnética Nuclear La RMN fue empleada para confirmar los resultados obtenidos mediante FTIR y 11

establecer posibles asociaciones químicas entre el asfalto y los NTC luego de la modificación, para ello se seleccionaron algunas muestras y se analizaron sus espectros protónicos. En la Figura 11 se presentan los espectros para el asfalto original y los asfaltos con adiciones de 0,5 y 2 %, a una temperatura de modificación de 153°C.

compuestos químicos del asfalto y los NTC (79,80) Figura 11 b). Dada la importante complejidad de estas fracciones se hacen necesarios estudios de RMN mucho más detallados para comprobar esta última hipótesis. Fraccionamiento SARA Con el fin de cuantificar las fracciones SARA del asfalto y su posible oxidación, se presentan en las Tablas 1 y 2 los resultados del fraccionamiento realizado a los asfaltos mediante cromatografía líquida (junto con su desviación), para las diferentes temperaturas y porcentajes de adición de NTC:

A partir del espectro, se observa que las diferentes adiciones de NTC no generan transformaciones apreciables con respecto al asfalto sin modificar. Específicamente no se observa la aparición de señales que pudieran representar la formación de grupos producto de la oxidación como aquellas asignadas al hidrógeno del grupo carboxilo o aldehído, lo que ratifica que el proceso de modificación a 153°C durante no genera envejecimiento en el asfalto y corrobora los análisis con FTIR.

Con base en los resultados obtenidos, no se aprecia una clara tendencia de los valores de las fracciones, ante las distintas adiciones y condiciones de modificación. No obstante, es claro que las fracciones con menor peso molecular, Saturados y Aromáticos, presentaron un aumento con la adición de NTC con respecto al asfalto sin modificar, mientras que las resinas decrecieron.

No obstante, si se observan detalladamente las señales del espectro especialmente en la zona entre 2 y 2,5 ppm se observan corrimientos de las posiciones de los picos y aparición de señales que podrían sugerir la interacción existente entre los

Hβ-α Hα 2

4

2 Hali

Haro 9

0

4

6,3

a)

12

0

b) c) Figura 11. Espectros RMN para el asfalto 60/70, sin modificar (azul), 0,5% -153°C (rojo) y 2% -153°C (verde); b) rango Hli; c) H β-α

Por otra parte, la cantidad de asfaltenos para las diferentes adiciones permaneció similar a la original, lo que evidencia un proceso completamente contrario al ciclo de la oxidación, en donde se genera incremento en las fracciones más pesadas, como asfaltenos y resinas, y disminución en las volátiles, resinas, (81). Este resultado es coherente con encontrado mediante FTIR y RMN.

indicaron valores de saturados, (5–15 %), aromáticos (30–45 %), resinas (30–45 %) y asfaltenos entre 5 y 20 %. Las relaciones entre resinas/asfáltenos y aromático/saturados, son otros aspectos que se emplean para identificar procesos de oxidación (83) , así como el índice coloidal I.C., quien posee mayores magnitudes que el asfalto original, cuando ocurren procesos de oxidación, y está definido por la siguiente relación:

lo

A su vez, los rangos de las fracciones son similares a las reportadas (82) en donde se

Ecuación (2)

Tabla 1. Fraccionamiento SARA para diferentes adiciones, temperatura de modificación de 153°C.

FRACCIONES

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Saturados (% peso) Nafténicos (aromáticos) (% peso) Aromáticos Polares (Resinas) (% peso) Asfaltenos (% peso)

10,45±0,13

12,44±0,3

9,28±0,13

11,57±0,37

11,3±0,72

35,39±0,38

50,99±0,1

50,47±1,36

40,48±1,56

42±1,51

33,58±0,47

18,13±0,24

19,45±0,24

28,67±0,65

27,33±0,05

20,57±0,04

18,44±0,16

20,79±0,99

19,23±1,03

19,37±2,28

Tabla 2. Fraccionamiento SARA para diferentes adiciones, temperatura de modificación de 173°C.

FRACCIONES

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Saturados (% peso)

10,45±0,13

13,16±0,26

12,16±0,22

12,08±0,10

12,56±0,22

Nafténicos (aromáticos) (% peso)

35,39±0,38

41,52±0,54

39,76±1,94

38,86±0,50

42,48±1,92

Aromáticos Polares (Resinas) (% peso)

33,58±0,47

28,58±0,22

26,44±0,26

27,67±0,12

26,92±0,26

Asfaltenos (% peso)

20,57±0,04

16,73±0,82

21,64±0,37

21,39±0,47

18,04±0,36

13

Estos valores se reportan en las Tablas 3 y 4. Las relaciones entre las fracciones de Aromáticos/Saturados y Resinas/Asfaltenos no tienen una tendencia específica. Para temperaturas de modificación de 153°C la relación de elementos con menor peso molecular aumenta, mientras que para las Resinas /Asfaltenos disminuye, para todas las adiciones de NTC.

fracciones con alto peso molecular, para todas las adiciones de NTC, caso particular se aprecia a los 0,5% de adición de NTC. Los valores del IC, son similares al valor de 0,406 reportado para el asfalto colombiano 60/70 sin modificar, y sin oxidar, y cuyo valor se obtuvo a partir del método de cromatografía por columna (84), lo que sustenta que el proceso de adición de los NTC al asfalto no genera oxidación en este último o rigidez asociada al incremento de los asfaltenos, lo cual puede generar reducción de la resistencia a la fatiga del asfalto.

Por otro lado, para modificaciones a 173°C (Tabla 4), el comportamiento es completamente diferente al antes descrito, las relaciones de Aromáticos/Saturados son menores, mientras que disminuye para las

Tabla 3 Relaciones de las Fracciones e índice Coloidal para temperatura de modificación de 153°C.

PARÁMETRO

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Aromáticos/saturados Resinas/Asfaltenos I.C.

3,39 1,63 0,45

4,10 0,98 0,45

5,44 0,94 0,43

3,50 1,49 0,45

3,72 1,41 0,44

Tabla 4 Relaciones de las Fracciones e índice Coloidal para temperatura de modificación de 173°C.

PARÁMETRO

ORIGINAL

0,5%

1%

1,5%

2%

Aromáticos/saturados Resinas/Asfaltenos

3,39 1,63

3,16 1,71

3,27 1,22

3,22 1,29

3,38 1,49

I.C.

0,45

0,43

0,51

0,50

0,44

Sin embargo, es notorio el incremento de este valor ante mayores cantidades de NTC (si bien se presenta el comportamiento a una temperatura de 60°C, Viscosidad absoluta, no hace parte del criterio PG, y se coloca con el fin de presentar la tendencia).

Caracterización Reológica Clasificación PG A continuación se presentan los resultados de las diferentes condiciones de modificación (temperatura y % NTC), para el asfalto sin envejecer. Primero se analizó la condición en la que no está envejecido el asfalto. Es importante resaltar que este es más susceptible a sufrir fenómenos de ahuellamiento a medida que se incrementa la temperatura, por lo que el parámetro de G*/sen δ tiende a reducirse, Figuras 14 a) y b). 14

Se aprecia que a 70°C se reducen las diferencias entre las magnitudes de G*/sen δ, de las diferentes modificaciones de NTC, independiente de la temperatura de modificación, Figuras 12 a) y b). De otra parte, las magnitudes son ligeramente superiores cuando se adicionan NTC al asfalto a 173°C, que a 153°C, y su mayor diferencia ocurre para dosificaciones de 1% y 1.5% de NTC, oscilando en incrementos de 415%. El rango de desviación de G*/sen δ varía de 1,5 a 6,92%, para todas las condiciones evaluadas.

adiciones de 0.5% y 1% de NTC. Sin embargo, la magnitud de G*/ Sen aumenta conforme se incrementa el porcentaje de NTC. Nuevamente las adiciones de 2% poseen las mayores magnitudes de las modificaciones. Por otro lado, las modificaciones realizadas a 173°C, presentan menores magnitudes que las de 153°C, siendo las primeras más susceptibles ante el ahuellamiento, de acuerdo con la clasificación PG. Se presentó una mayor desviación en la magnitud de G*/ Sen, del asfalto envejecido en el RTFOT, para la adición de 0.5% de NTC a 153°C, llegando a 15%, sin embargo, para las demás adiciones no superó el 8%.

De acuerdo con las Figuras 13 a) y b), residuo de RTFOT, se aprecia una ligera susceptibilidad al envejecimiento a corto plazo, en las diferentes modificaciones con 2%

3,5

1.5%

1%

0.5%

0%

1.5%

1%

0.5%

0%

3,0

G*/ Sen δ (KPa)

3,0

G*/ Sen δ (KPa)

2%

3,5

2,5 2,0 1,5 1,0

>1 KPa

2,5 2,0 1,5 1,0

>1 KPa

0,5

0,5

0,0 58

0,0 58

60

64

70

60

64

70

Temperatura ( C)

Temperatura ( C)

Figura 12. Clasificación PG del asfalto sin envejecer, modificaciones con NTC 153 °C y 173°C. 9

2%

1,5%

1,0%

0.5%

.

0%

7

7,0

6

6,0

G*/ Sen δ (KPa)

G*/ Sen δ (KPa)

8

5 4 3 >2.2 KPa

2 1 0 58

60

64

70

2%

1,5%

1%

0.5%

0%

5,0 4,0 3,0 >2.2 KPa

2,0 1,0 0,0

Temperatura ( C)

58

60

64

70

Temperatura ( C)

Figura 13. Clasificación PG para el residuo del RTFOT, modificaciones con NTC a 153 °Cy173°C

Para completar la clasificación PG es necesario evaluar el residuo del asfalto envejecido en el PAV, el cual arroja la minima temperatura a la cual el asfalto puede

trabajar sin sufrir fisuras asociadas con el fenomeno de fatiga, en las Figuras 16 a) y b) se presentan dichos resultados.

15

0%

9.500

0.5%

1%

1.5%

0%

2%

0.5%

1%

1.5%

2%

8.500

G* Sen δ (MPa)

G*Sen δ (MPa)

9.500

7.500 6.500 5.500 < 5000 KPa

8.500 7.500 6.500 5.500 < 5000 KPa

4.500

4.500 3.500

16

19

3.500

16

Temperatura ( C)

19

Temperatura ( C)

Figura 14. Clasificación PG, Residuo de PAV, adición de NTC a 153 °C; b) 173°C.

Con base en las Figuras 14 a) y b) se aprecia que la adición de NTC genera menor susceptibilidad a la fatiga y que disminuye entre mayor cantidad de NTC se adicione.

(84), donde el PG es de 64-19, lo que demuestra la variabilidad del asfalto colombiano, y sustenta la necesidad de realizar en Colombia otro tipo de clasificación, ya que asfaltos con iguales puntos de penetración pueden tener diferentes PG.

La modificación de asfaltos con NTC aumenta no solo la resistencia a deformaciones plásticas, para altas temperaturas, sino a la fatiga, para bajas temperaturas, y se corrobora con que el PG para asfaltos modificados es de 64-19, mientras que para el asfalto sin modificar es de 58-22.

Angulo de fase Aunque el ángulo de fase está definido como la relación de esfuerzo (carga del trafico), y deformación, depende de la frecuencia y de la temperatura a la cual se evalúe. A continuación se presentan los resultados para las diferentes adiciones y tipos de envejecimiento:

La clasificación PG del asfalto colombiano 60/70, en la presente investigación, es completamente diferente a la reportada por

0%

88

0.5%

1%

1.5%

2%

0.5%

1%

1.5%

87

δ (Grados)

δ (Grados)

87

0%

88

86

86

85

85

84

84 58

64

58

70

64

70

Temperatura ( C) Temperatura ( C) a) b) Figura 15. Angulo de fase para el asfalto sin envejecer a) Adición de NTC 153 °C; b) 173°C.

16

2%

88

0%

0.5%

1%

1,5%

88

2%

0.5%

1,0%

1,5%

2%

86

δ (Grados)

86

δ (Grados)

0%

84

84 82

82

80

80

78

58

64

70

Temperatura ( C) a)

58

64

70

Temperatura ( C)

b)

Figura 16. Angulo de fase para el residuo del asfalto envejecido en el RTFOT a) adición de NTC a 153 °C; b) 173°C

Con respecto a las anteriores Figuras se aprecia que cuando se adicionan NTC, se pierde cierta viscosidad en el material, aumentando su elasticidad, lo cual se representa en el decrecimiento de la magnitud del ángulo de fase.

Como aspecto a resaltar, se aprecia que a altas temperaturas, 70°C, la magnitud del ángulo de fase de las diferentes dosificaciones tiende a converger a un valor, por lo que se presentan menores diferencias que a temperaturas de 58°C y 64°C.

Adicionalmente, cuando se envejece el asfalto se rigidiza, por lo que son notorias la diferencias de magnitud entre las dosificaciones sin envejecer y las que se llevaron a RTFOT, siendo menores en la última condición, comportamiento similar se reporta en (85) y (86).

A bajas temperaturas, las modificaciones poseen comportamientos diferentes, cuando se adicionan los NTC a 153°C el asfalto es más viscoso, y su magnitud se incrementa a medida que se aumenta la cantidad de NTC. Sin embargo, para el caso de las adiciones a 173°C, a mayores adiciones el asfalto tiende a rigidizarse, exhibiéndose el comportamiento para altas temperaturas, descrito anteriormente, Figura 17.

0%

45

0.5%

1%

1.5%

2%

0%

0.5%

1%

1.5%

2%

45

44

δ (Grados)

δ (Grados)

44

43 42 41

43 42 41

40

40

39 15

16

17

18

19

20

Temperatura ( C)

39 15,5

16

16,5

17

17,5

18

Temperatura ( C)

a) b) Figura 17. Angulo de fase para el residuo PAV, adición de NTC a) 153 °C; b) 173°C

17

18,5

19

19,5

Modulo elástico y viscoso En las Figuras 21 y 22, se presentan los módulos elásticos y viscosos, de las 2%

1.5%

1%

0.5%

0%

2%

3,5

3,0 2,5

2,0 1,5 1,0 0,5

1%

0.5%

0%

2,5 2,0

1,5 1,0 0,5 0,0

0,0 56

58

60

62

64

66

68

70

56

72

58

60

Temperatura ( C)

2%

1.5%

1%

0.5%

0%

0,20

0,15 0,10 0,05 0,00 58

60

62

64

66

68

70

2%

0,30

0,25

56

64

66

68

70

72

c) Modulo Elastico (KPa)

0,30

62

Temperatura ( C)

a) Modulo Elastico (KPa)

1.5%

3,0

Modulo Viscoso (KPa)

Modulo Viscoso (KPa)

3,5

diferentes modificaciones del asfalto 60/70 con NTC, envejecido en el RTFOT y sin envejecer.

1.5%

1%

0.5%

0%

0,25 0,20 0,15 0,10

0,05 0,00 56

72

58

60

62

64

66

68

70

72

Temperatura ( C)

Temperatura ( C)

b)

d)

Figura 18. Asfalto sin envejecer con adición de NTC a) Modulo viscoso con temperatura de dosificación de 153 °C; b) Modulo elástico a 153°C; c) Modulo viscoso a 173 °C; d) Modulo elástico a 173°C 2%

1.5%

1%

0.5%

0%

2%

3,5

3,0

Modulo Viscoso (KPa)

Modulo Viscoso (KPa)

3,5

2,5

2,0 1,5 1,0 0,5

1.5%

1%

0.5%

0%

3,0 2,5 2,0

1,5 1,0 0,5 0,0

0,0 56

58

60

62

64

66

68

70

72

Temperatura ( C) a)

56

58

60

62

64

66

Temperatura ( C) c)

18

68

70

72

2%

1.5%

1%

0.5%

0%

1,6 1,4

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

2%

1,0

Modulo Elastico (KPa)

Modulo Elastico (KPa)

1,8

1.5%

1%

0.5%

0%

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

0,0 56

58

60

62

64

66

68

70

56

72

58

60

62

64

66

68

70

72

Temperatura ( C) Temperatura ( C) b) d) Figura 19. Residuo RTFOT con adición de NTC a) Modulo viscoso 153 °C; b) Modulo elástico 153°C; c) Modulo viscoso 173 °C; d) Modulo elástico 173°C.

La magnitud de los módulos elástico y viscoso se incrementa con el aumento de NTC, para todas las modificaciones, y cuando se envejece el asfalto en el RTFOT ya que al rigidizarse el asfalto por la oxidación, fenómeno de envejecimiento, se incrementa el módulo de corte, quien es directamente proporcional al módulo elástico y viscoso, 2%

1.5%

1%

0.5%

Para bajas temperaturas los NTC contribuyen a que el material presente menores módulos, haciendo que se incremente su resistencia a la fatiga, las diferencias entre las dosificaciones a 153°C y 173°C, son pocas, Figura 22. 0%

6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 15

16

17

18

19

2%

7000

Modulo Viscoso (KPa)

Modulo Viscoso (KPa)

7000

similar comportamiento se reporta por (85) y (86).

20

0%

5500 5000 4500 4000 3500 15

16

17

18

19

20

Temperatura ( C)

c) 1.5%

1%

0.5%

0%

2%

8000

7500

Modulo Elastico (KPa)

Modulo Elastico (KPa)

0.5%

6000

a) 8000

1%

6500

Temperatura ( C)

2%

1.5%

7000

6500 6000 5500 5000 4500 4000

1.5%

1%

0.5%

0%

7500 7000 6500 6000

5500 5000 4500 4000 3500

3500

15

16

17

18

19

20

Temperatura ( C)

b)

15

16

17

18

19

Temperatura ( C)

d)

Figura 20 Residuo del PAV con adición de NTC a) Modulo viscoso 153 °C; b) Modulo elástico 153°C; c) Modulo viscoso 173 °C; d) Modulo elástico 173°C.

19

20

Para la elección de la modificación con mejor desempeño para ahuellamiento y fatiga se realizaron los siguientes ensayos.

Linear Amplitude Sweep (LAS) Para el cálculo de la vida a la fatiga del asfalto es necesario obtener los diversos parámetros que se abrevian la ecuación 7:

MSCR En las Tablas 5 y 6 se cuantifica la capacidad que tiene el material para recobrar su estado, después de un alivio de la misma, para esfuerzos de 0.1 KPa y 3.2 Kpa. Así como su capacidad ante un cambio los esfuerzos, R (%).

Ecuación (3)

Con base en los anteriores resultados se calculó la vida a la fatiga para las diferentes modificaciones, los valores de A, y el exponente B tienen las siguientes magnitudes:

A mayores adiciones de NTC se presentan menores deformaciones, el comportamiento viscoso del material disminuye, rigidizándose por la interacción entre los NTC y el asfalto, lo cual contribuye al aumento de la resistencia al ahuellamiento.

De acuerdo con los valores presentes en las Tablas 5 a) y b), se concluye que la adición de NTC a 173°C presenta valores más altos de vida a la fatiga a pequeñas deformaciones, ya que en este rango la constante A es el valor de mayor impacto. Sin embargo, cuando se incrementan la deformación, el valor del exponente B es quien controla el comportamiento.

Aunque el comportamiento a mayores adiciones de NTC se mantiene, las dosificaciones realizadas a 153°C presentan menor susceptibilidad al ahuellamiento, que las de 173°C, por lo que su porcentaje de recuperación es más alto, la adición de 2% de NTC a 153°C generó mejor resistencia a deformaciones permanentes.

Se eligió la modificación de 2% NTC a 153°C, ya que tiene la mayor magnitud de A de todas las modificaciones, Tabla 5, y la magnitud B es incluso mayor que la de 1% a 153°C y 1.5% a 173°C, lo genera una mayor resistencia a la fatiga sobre todo en grandes deformaciones. Variable

0%

0,5%

1%

1,5%

2,0%

A

4,024E+07

5,712E+07

7,971E+08

1,102E+09

1,210E+10

B

-5,916E+00

-5,988E+00

-6,137E+00

-5,916E+00

-5,989E+00

a)

Figura 21 MSCR, temperatura de dosificación de 153 °C. 2%

1%

1.5%

0.5%

Variable

0%

0,5%

1%

1,5%

2,0%

A

4,024E+07

7,299E+09

2,450E+09

6,579E+09

1,096E+10

B

-5,916E+00

-5,950E+00

-5,826E+00

-6,110E+00

-6,073E+00

0%

22.001 20.001 18.001

Deformacion(%)

16.001 14.001

b)

12.001

10.001 8.001 6.001

Tabla 5 Constantes para el cálculo de la vida a la fatiga, de las modificaciones a) 153°C y b) 173°C.

4.001 2.001 1 0

100 Tiempo (s)

200

Figura 22 MSCR, temperatura de dosificación de 173 °C.

20

después de los 145°C se reducen, ya que la viscosidad tiende a un mismo valor.

Viscosidad Brookfield Según diseño SUPERPAVE la temperatura de mezcla se obtiene para rangos de viscosidad entre 0.15 Pa·s–0.19 Pa·s, mientras que para valores entre 0.25 Pa·s 0.31Pa·s, se define la temperatura de compactación.

Para el asfalto convencional las temperaturas se encuentran entre 155°C-150°C y 144°C 140°C, respectivamente. Mientras que la temperatura de mezcla para el asfalto modificado, es de 164°C-152°C y la de compactación de 147°C-158°C.

En la Figura 23 se aprecia que el asfalto modificado posee magnitudes de viscosidad mayores que el convencional, sin embargo 2

1,8

Viscosidad (Pa*s)

1,6 y = 1E+14x-6,81 R² = 0,9954

1,4 1,2

Asfalto con NTC

1 Asfalto 60/70

0,8 0,6

y = 7E+13x-6,691 R² = 0,9989

0,4 0,2 0 100

120

140

160

Temperatura ( C)

Figura 23 Curva Reológica del asfalto 60/70 con y sin modificar con NTC.

Si bien la temperatura de mezcla del asfalto modificado tiene una alta magnitud no derivaría en procesos de envejecimiento, asociado a perdida de fracciones volátiles, además el rango de la temperatura de mezcla

abarca incluso la temperatura del asfalto convencional, por lo que no se derivarían incrementos en los costos asociados a incrementos de temperatura.

Caracterización Física.

El asfalto modificado con NTC presenta una magnitud de penetración mayor que el asfalto sin modificar, por lo que la interacción entre los NTC contribuye a una disminución de la consistencia del asfalto.

Los resultados obtenidos para el asfalto 60/70 modificado con NTC y convencional cumplieron con todos los parámetros contemplados en la normativa colombiana.

21

Tabla 6 Rangos y resultados para los ensayos físicos al asfalto 60/70 y modificado, a 153°C con 2% NTC.

ENSAYO

NORMATIVA

Especificación para el asfalto 60/70

Asfalto 60/70

Asfalto modificado

70 mm

67 mm

70 mm

Penetración

I.N.V.E-706

Ductilidad

I.N.V.E-702 I.N.V.E-742I

Mínimo 60 mm 40 mm I 100 cm 30 cm I

Punto de ablandamiento

I.N.V.E 712

-

-

50,9

56,15

Índice de penetración

I.N.V.E-724

-1

+1

-0,26

1,1

Punto y llama de inflamación

I.N.V.E-709

230°C

-

282.2°C/304.4°C

326,66°C/348.88°C

Gravedad Especifica

I.N.V.E-707

-

-

1,018

1,026

I.N.V.E-720

-

1%

0,72%

0,92%

I.N.V.E-712

52

-

53

55

I.N.V.E-706

-

5

3,1

2,35

Pérdida de masa por calentamiento en película delgada en movimiento Penetración del residuo luego de la pérdida por calentamiento en % de la penetración original. Incremento en el punto de ablandamiento luego de la perdida por calentamiento en película delgada en movimiento

Máximo

-

>135cm

72 cm

I: Asfalto modificado.

Según normativa colombiana el menor valor de ductilidad para asfaltos modificados con polímeros, se encuentra de 15 cm o 30 cm, con el fin de garantizar cierta adherencia entre el asfalto y el agregado pétreo y el llenante mineral, si bien la magnitud para el asfalto modificado es menor, no es lo suficientemente baja para generar problemas de adherencia.

El cambio del índice de penetración sugiere una formación de esqueleto interno en el asfalto, el cual soporte los cambios que el asfalto pueda sufrir con el cambio de temperatura. El asfalto modificado posee un incremento en su peso específico de 0,82% con respecto al original, si bien se generaría un ahorro del asfalto cuando se emplee en la mezcla, dado su bajo cambio, tendría a ser despreciable.

Los resultados del punto de ablandamiento corroboran la disminución de la susceptibilidad a la temperatura que tiene el asfalto modificado con NTC, con respecto al asfalto sin modificar, presentando una diferencia a fluir de 6°C.

La temperatura a la cual se genera la llama en el asfalto modificado es superior un 15,8%, con respecto del asfalto original, así mismo, la temperatura de propagación, punto de ignición, presenta un aumento del 14,6%.

El índice de penetración para el asfalto modificado representa el comportamiento de un material con poca susceptibilidad a la temperatura, que presenta cierta elasticidad y tixotropía, propiedad de algunos fluidos, que disminuyen su viscosidad cuando se les aplica esfuerzos de corte, y cuyo comportamiento se asemeja a de los asfaltos envejecidos (INVIAS, 2007).

Con base en lo anterior, la adición de NTC aumenta la resistencia a la combustión, lo que contribuye en un incremento en la seguridad, en las zonas de almacenamiento de las plantas asfálticas tanto para las instalaciones como para el personal.

22

En el asfalto modificado con NTC es mayor la pérdida de partículas volátiles, cuando se envejece en el RTFOT, ya que como se aprecia en los análisis de fraccionamiento SARAs, con la adición de NTC se generan mayor cantidad de partículas de bajo peso molecular, las cuales son más propensas a volatilizarse.

de fuerza atómica (AFM), en donde se obtuvo la distribución espacial de los NTC en el asfalto, para diferentes adiciones. Con base en la Figura 24, se destaca que las acumulaciones, formas de abejas y /o cambios de topografía en el asfalto, se encuentran lo suficientemente espaciadas, por lo que los parámetros de dosificación, temperatura velocidad y tiempo de la homogenización, generaron resultados satisfactorios.

Análisis de Fuerza atómica Con el fin de complementar los análisis físicos, se realizó el análisis de microscopia

a)

b)

d)

c)

Figura 24. Acercamiento en AFM imagen en 3D a) asfalto modificado con 0.5% NTC a 153°C; b) 1% NTC a 153°C; a) 1,5% NTC a 173°C; b) 2% NTC a 753°C

NTC/g catalizador de 6,17, incluyendo las pequeñas partículas de catalizador y de carbón amorfo que quedan después del proceso de síntesis.

Conclusiones En la obtención de los NTC mediante la descomposición de metano empleando catalizadores obtenidos por autocombustión, se presenta la mayor actividad usando el material de Ni-Cu-Al y metano sin diluyente bajo régimen isotérmico a 700 ºC durante 3 h. Para estas condiciones, se generó una producción de g

Las micrografías tomadas mediante SEM y TEM revelaron partículas de Ni0 embebidas en los NTC, incluso después de la purificación con HNO3, adicional a esto, se aprecia que el crecimiento de los NTC es desde la base del sitio activo.

23

La caracterización química de los asfaltos con y sin modificar (0,5; 1,5 y 2 % en peso con NTC) mediante FTIR, RMN y fraccionamiento SARA indicó que durante el proceso de homogenización y para los diferentes parámetros de temperatura y cantidad de NTC, no se generan procesos de envejecimiento por oxidación del asfalto.

Recomendaciones Realizar estudios de variaciones en el flujo del gas reactivo durante la descomposición de metano, con el fin de obtener mayores relaciones de g NTC/g catalizador, y que están no tengan grandes diferencias entre ensayos. Realizar la caracterización elemental del material presente después de la síntesis de los NTC, con el fin de evaluar la cantidad y el tipo de compuesto obtenido bajo este proceso, así como, la de los diferentes catalizadores para controlar las variables dentro del proceso de síntesis de NTC. Adicionalmente, se debe complementar el lavado con diferentes reactivos, con el fin de retirar totalmente el residuo de las partículas de catalizador que queden presentes después del proceso de síntesis.

La clasificación PG para las diversas adiciones de NTC es PG 64-19, mientras que para el asfalto original es de PG 58-22. El ángulo de fase cuando se evalúa a altas temperaturas decrece con la adición de NTC, para todas las adiciones, así como cuando el asfalto se envejece en el RTFOT, debido a que su componente viscoso disminuye, generando menor susceptibilidad a deformaciones permanentes. A bajas temperaturas se presentan comportamientos diferentes, las adiciones de 0.5% y 1%, a 153°C, generan una disminución del ángulo de fase, sin embargo a 173°C, aumentan la magnitud del mismo, haciendo estas condiciones más desfavorables que las originales.

Dado que el proceso de descomposición de metano contempla la producción de Hidrogeno es importante cuantificarlo para determinar la real potencialidad económica del proceso. Realizar análisis de High Resolution TEM, con el fin de cuantificar el número de paredes que poseen los NTC sintetizados y observar detalladamente su estructura.

Con la adición de los NTC y el envejecimiento en el RTFOT, los módulos elástico y viscoso evaluados a altas temperaturas se incrementan, ya que se aumenta la rigidez, lo que origina un incremento en el módulo de corte.

Agradecimientos Al personal de laboratorio de pavimentos de la Pontificia Universidad Javeriana, a la Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia, al personal de Laboratorio de ligantes asfálticos de LANAME, Costa Rica y al Instituto de Ciencia de Materiales, Universidad de Sevilla, España, por la colaboración en la realización de los diferentes ensayos necesarios para dar cumplimiento con la presente investigación.

La caracterización física del asfalto sin modificar y modificado con NTC (2 % peso), mediante los ensayos de penetración, ductilidad, peso específico, viscosidad, punto de ablandamiento y punto de inflamación, se encuentran dentro del rango admisible según normativa colombiana, por lo que no se requerirá agentes externos, que mejores dichas características.

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Use of Low Temperature Recovery Techniques for Latex-Modified Asphalt Emulsions

Presented to: Mexican Asphalt Congress August 28-30, 2013 Cancun, Mexico

Arlis Kadrmas BASF Corporation e-mail: [email protected]

Abstract The recovery of residue from asphalt emulsions is typically defined by evaporation procedures and distillation procedures that are much higher than application conditions for those products. Before the use of polymers in asphalt emulsions to improve the performance and life expectancy of these emulsions, these recovery methods were adequate for giving a good representation of the final product on the road. The use of polymers in these asphalt emulsions were altered by the higher temperature recovery techniques. The development of lower temperature residue recovery techniques, that are similar to road conditions, is important to better quantify the performance of the modified asphalt emulsion residues. Two evaporative low temperature residue recovery techniques have been developed that have a maximum temperature of 140ºF (60ºC). The summer asphalt pavement temperatures are very close to the 140ºF (60ºC), which allows for a better comparison of the residue to possible field performance. These recovery methods will be described and the benefits for the industry defined. The comparisons of the residues, using the various recovery techniques, has been done using the Dynamic Shear Rheometer. Specifications are being developed around these recovery techniques and being presented to industry and agency for evaluation. With the increase in emphasis of pavement preservation by agencies, the ability to better characterize the performance of the products is very important.

Introduction The use of latexes and polymers in asphalt emulsion applications to improve field performance created a challenge for the recovery of the residue using traditional oven evaporation or distillation techniques. Those techniques recovered the residue at temperatures which deteriorated or altered the polymers used and therefore the distillation procedures were adjusted to lower temperature techniques to reduce the change of the polymers used in the asphalt emulsion manufacture. These temperatures are, however, still much higher than the field application temperatures for these products. The following report shows the development of recovery techniques that are similar to field conditions, and the test results that compare those techniques to the higher temperature recovery procedures. Why do we need to change the Current Techniques? The commonly used distillation and evaporative techniques recover residue at a much higher temperature than asphalt emulsions are applied at in the field, or cured at under normal pavement temperatures. The high temperatures of these recovery methods also alter the polymers used for field performance of the asphalt emulsion applications. Temperatures have been reduced for polymer modified emulsions in some distillation techniques, also vacuum conditions to reduce temperature in the distillation procedure provided a step change to get closer to field conditions. These were still far from field conditions. Pavement temperatures around 60ºC have been targeted for recovering emulsion residue, since that is a normal high pavement temperature in summer conditions in many climate areas. The issue with residue recovered at 60ºC, or less, is that it is not readily pourable into molds and apparatus that are used to test the material such as penetration, absolute viscosity, or softening point. The use of a dynamic shear rheometer allows the residue to be tested and compared to current specifications. Distillation and High Temperature Evaporation Techniques The distillation apparatus is shown in the figure on the right for a standard ASTM D6997 setup. The temperature of this procedure for latex modified asphalt emulsions is usually 177 or 204ºC. This is lower than the 260ºC that was originally developed for this procedure for asphalt emulsions, but still much higher than the pavement temperatures that the asphalt emulsions are subjected to when applied to pavement preservation applications.

ASTM D6934 is a high temperature evaporation procedure that has been used to recover residue from asphalt emulsions by many agencies. The process has an oven temperature of 163ºC, which is also higher than pavement temperatures. The ASTM procedure states that this procedure also give a lower penetration and lower ductility results than the D6997 Distillation method, which would mean that the aging is even greater for the high temperature evaporation procedure than for the distillation method. Vacuum Distillation Technique To reduce the effect of temperature on the residue procedure, a test method was developed to add vacuum to the still and reduce the temperature to 135ºC. One issue with the procedure is the emulsion had to first be frozen prior to placing it in the still. The need for freezing the residue was to keep the emulsion from boiling over during the heating process. The temperature of 135ºC is still well above the field conditions, and the overall complexity of the procedure has kept it from being implemented by agencies. This was a step change into understanding the effect of temperature on asphalt emulsion residues Traditonal Asphalt Emulsion Test Results The following Table shows the current traditional testing that is done on asphalt emulsion residues from the distillation or high temperature evaporation techniques.

These tests require the pouring of the asphalt for the testing, which can be done at the temperatures from the distillation. It should be noticed in the table that the recovered residue temperature is much higher than the shown softening points. Most of the current

specifications for asphalt emulsion residues currently use a penetration range at 25ºC to evaluate the residue rheology. The Absolute Viscosity values are tested at 60ºC. For latex or polymer modified emulsion residues, the elastic properties using tests such as Elastic Recovery or Forced Ductility are tested at 4ºC or 10ºC. The use of the Dynamic Shear Rheometer (DSR) for asphalt grading in hot mix applications has opened the possibility of samples to be placed on this device for testing without having to be poured. The ability to test the residue at multiple temperatures, at various stress or strain levels, and various frequencies give this technique an added advantage. This has allowed the development of evaporation techniques at, or near, pavement temperatures due to the lack of the necessity to have to have the sample in a liquid form to pour into a test apparatus. Low Temperature Evaporation Techniques and Results AASHTO PP72 – Method A or ASTM D7497 low temperature evaporation technique utilizes a film of asphalt emulsion on a silicone mat. The film is evaporated at 25ºC (or ambient room temperature) for 24 hours and than placed for 24 hours in a 60ºC oven for 24 hours. The procedure was developed from an European standard EN13074. The initial 24 hours at near ambient room temperature is to encourage evaporation without a skin forming on the surface of the asphalt emulsion. The film thickness is very close to that used in a chip seal application. A picture of a silicone mat with the film of emulsion is shown above. The test results comparing a distillation to the low temperature evaporation techniques can be seen below for asphalt emulsions without latex modification.

The DSR results of the evaporation technique are slightly higher than those of the distillation procedure for each temperature tested. This has proven to be quite consistent based on multiple test results. There was initial concern that there may be residual moisture that affected the results, but there was determined to be no significant remaining

moisture in the samples. The testing of unmodified asphalt emulsion samples is important to get an understanding of the test procedure prior to continuing with latex modified asphalt emulsions. The table below shows similar DSR testing on asphalt emulsions modified with 3.75% latex (by weight emulsion). This amount of latex is consistent with the usage levels for micro-surfacing, but slightly higher than that of normal chip seal latex modified asphalt emulsion formulations.

The results show similar increases in DSR results between the distillation and evaporation techniques as seen on those emulsions without latex modification. Due to the length of time required to get a residue from an asphalt emulsion using the AASHTO PP72 or D7497 low temperature recovery technique, AASHTO PP72 – method B was developed to reduce the time to get material for testing. The technique was developed by Texas Department of Transportation and utilizes the same 60ºC evaporation temperature, but a thinner film for evaporation. The procedure takes six hours rather than the 24+24 hour D7497 procedure. A picture of this film and removing it from the silicone mat can be seen to the right. This film is a similar thickness to that used in a fog seal or tack coat application of asphalt emulsions. The results comparing the two low temperature evaporation techniques can be seen in the Table below. Temperature 52ºC 58ºC 64ºC 70ºC

CRS-2L CRS-2P ASTM D7497 TX Method ASTM D7497 TX Method 7.69 6.07 12.12 9.80 3.47 2.73 5.76 4.58 1.65 1.32 2.94 2.27 0.81 0.67 1.56 1.16

The DSR results show a small decrease in the results when using the Texas evaporation method. Points of Discussion and Conclusion The use of lower temperature recovery methods are possible and it is clearly shown that the residue can be tested using the Dynamic Shear Rheometer. These low temperature evaporation techniques mimic field conditions and application thickness, which traditional distillation and high temperature evaporation techniques cannot do. The ability to compare traditional testing along with DSR testing of field projects will allow the evaluation and specification recommendation that will move the process forward.

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE DR. PEDRO LIMÓN COVARRUBIAS SURFAX DR. RODRIGO MIRÓ RECASENS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA ING. IGNACIO CREMADES IBAÑEZ SURFAX

RESUMEN Las mezclas asfálticas, como parte integrante de un pavimento, deben presentar ciertas propiedades estructurales y funcionales que aseguren el buen comportamiento de las mismas durante su vida de servicio. Para poder garantizar estas propiedades, durante la ejecución de las obras se realiza un control de calidad de la mezcla. A partir de una muestra de la mezcla fabricada en planta, se determina su granulometría y contenido de ligante, sus propiedades volumétricas y, tradicionalmente, su resistencia a la deformación mediante el ensayo Marshall. Sin embargo, la calidad del producto final, es decir, de la mezcla colocada y compactada, sólo se controla a partir de la densidad de testigos extraídos de la capa ejecutada y su comparación con la densidad Marshall patrón. Pero durante las etapas de transporte, extendido y compactación, un mal funcionamiento de los equipos, errores de ejecución o simplemente factores ambientales pueden provocar escurrimiento del ligante, segregación del agregado pétreo grueso, pérdida de temperatura, contaminación de la mezcla, arrastres, etc., que pueden influir en la calidad final de la mezcla y que mediante este mecanismo de control no pueden detectarse.

Por este motivo, se ha llevado a cabo un estudio sobre la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de ejecución de las mezclas asfálticas, con objeto de encontrar una metodología de control de calidad basada en la evaluación de sus propiedades mecánicas y no sólo en sus propiedades volumétricas, como se ha venido haciendo hasta ahora. Este procedimiento pretende complementar al actual método de control, con la ventaja de que no necesita realizar ninguna actuación adicional, debido a que puede realizarse sobre los testigos extraídos del pavimento para el control de densidades; además al ser un ensayo no destructivo,

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las probetas de planta o testigos extraídos del pavimento podrían ser sometidos a otros ensayos además del módulo resiliente.

En primer lugar, se ha aplicado este ensayo sobre probetas elaboradas en laboratorio, con objeto de evaluar la sensibilidad del ensayo frente a variables relacionadas con la composición de la mezcla, elaboración de las probetas y condiciones de ensayo. En segundo lugar, el ensayo se ha aplicado sobre probetas fabricadas a partir de la mezcla obtenida en planta y también sobre testigos extraídos durante el control de ejecución de diferentes obras, comparando los resultados y comprobando que el parámetro determinado, el módulo resiliente, está relacionado con la densidad, pero que, además, es capaz de evaluar la mezcla con mayor sensibilidad que la proporcionada por la compacidad.

Finalmente, se ha establecido un criterio de control de calidad de las mezclas asfálticas puestas en obra, a partir de la relación entre el módulo de la mezcla fabricada y el de la obtenida tras su extendido y compactación en obra, a la vez que se han propuesto unos límites de aceptación, penalización y rechazo sobre el producto terminado. Este criterio complementa al actual método de control y permite asegurar la calidad para la que ha sido diseñada la mezcla.

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1. INTRODUCCIÓN Antes de analizar el aseguramiento de la calidad de una mezcla asfáltica es importante conocer el concepto de calidad. En los últimos años la calidad de un producto o un servicio ha tomado gran importancia debido a los sistemas ISO, que han venido a establecer una serie de características que deben cumplir tanto un producto como un servicio. Martínez [1] en su tesis doctoral menciona: “La Organización Internacional de la Normalización (ISO), según su norma ISO 8402, expresa que la calidad es la totalidad de las características de un producto, proceso o servicio que le confiere la aptitud para satisfacer las necesidades expresas o implícitas de los usuarios”. Por tanto, se entiende que la calidad es el conjunto de propiedades inherentes a un objeto que le confieren capacidad para satisfacer necesidades implícitas o explícitas. Pero por otro lado, la calidad de un producto o servicio depende de la percepción que el cliente tiene sobre el mismo, es una fijación mental del consumidor que asume conformidad con dicho producto o servicio y la capacidad del mismo para satisfacer sus necesidades.

Para cualquier país, el contar con una infraestructura adecuada, funcional y estratégica es de vital importancia para facilitar el desarrollo del mismo, por lo que las inversiones para construir y/o conservar carreteras son cada vez mayores. Es por ello que el control de calidad en cualquier tipo de infraestructura es importante, debido a la relevancia en su servicio del coste que se tuvo durante su construcción y el que se puede tener durante su conservación. Sin embargo, Martínez [1] indica: “La industria de la construcción ha sido el sector más postergado en admitir la importancia de la calidad en la competencia de una empresa y en impartir su nuevo concepto mediante la aplicación de un sistema de aseguramiento de calidad”. Y dentro de la industria de la construcción, la construcción de carreteras ha sido uno de los sectores con menor desarrollo del control de calidad, y esto no debería ser así ya que no hay infraestructura más grande y costosa como las carreteras. Además, en muchos casos se puede decir que si un país tiene malas carreteras es porque es pobre, o es pobre porque tiene malas carreteras, ya que los gastos de conservación son, en muchos casos, demasiado elevados para abordarlos. Las mezclas asfálticas son las últimas capas en la construcción de un pavimento, y cualquier defecto que presenten éstas, se reflejará en la superficie de la estructura. Los pavimentos deben proporcionar comodidad y, sobretodo, seguridad al usuario, por lo que si las mezclas asfálticas se encuentran en malas condiciones, el pavimento no cumplirá sus funciones. Y, en muchos casos, el deterioro que presentan los pavimentos es debido a que las mezclas asfálticas no han

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durado el tiempo para el que fueron diseñadas, como consecuencia de un mal control de calidad durante su ejecución. Uno de los procesos más importantes y poco atendidos de la ejecución de las mezclas asfálticas es su control de calidad. En la mayoría de las ocasiones se presta más atención a la selección de materiales, diseño u otros procesos, que al control de calidad de la obra. Es cierto que la selección de materiales y un buen diseño de la mezcla asfáltica están relacionados con la durabilidad de la misma, pero en muchos casos el buen control de calidad de una obra dependerá del éxito de la misma.

2. ANTECEDENTES En el año 2000, Martínez, A. [1], en su Tesis Doctoral “Aseguramiento de la calidad de mezclas asfálticas mediante la aplicación del ensayo de tracción indirecta en el control de su ejecución”, estableció un método de control de calidad de las mezclas asfálticas basado en el ensayo de tracción indirecta, debido a que el método de control utilizado hasta el momento, basado en el análisis de compacidad, tenía baja correlación con la durabilidad de una mezcla asfáltica. En la industria de las mezclas asfálticas no se da la importancia necesaria a la calidad, ya que los controles realizados sobre la mezcla no aseguran que, después de su colocación y compactación, tendrá las propiedades mecánicas con las que fue diseñada. Concretamente, en la Tesis Doctoral de Martínez se menciona: “El control de calidad del producto suele establecerse sobre la adhesividad y sobre la resistencia a las deformaciones plásticas (estabilidad Marshall), ignorando propiedades que pueden resultar igualmente significativas en el comportamiento del material: módulo, abrasión, resistencia a la fatiga, etc.”. Además, los controles que se realizan no son lo suficientemente sensibles para determinar cuando una mezcla asfáltica se encuentra mal ejecutada: “El control de calidad suele realizarse sobre el material fabricado en planta, no sobre el producto una vez extendido y compactado en el pavimento; lo único que llega a realizarse sobre el producto ya terminado es comparar su densidad con la de referencia” [1].

En España, y en la mayoría de los países latinoamericanos, el control de calidad de las mezclas asfálticas suele aplicarse sobre: La composición de la mezcla, determinada tras la extracción del ligante. La estabilidad y el contenido de huecos de la mezcla, determinados mediante la realización del ensayo Marshall sobre el producto fabricado en planta. Para conocer la resistencia de la mezcla a la acción del agua, solía utilizarse el ensayo de inmersión compresión o, actualmente, la pérdida de resistencia a tracción indirecta por inmersión en agua.

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La compacidad conseguida en la ejecución, mediante la extracción de testigos y la comparación de su densidad con la densidad Marshall patrón. Así, el control que se realiza sobre el producto final se reduce normalmente al control de su compacidad, exigiéndose que la mezcla colocada alcance una densidad entre el 97 y 98% de la de referencia (en función del espesor de la capa), determinada en probetas fabricadas en la compactadora Marshall con la mezcla utilizada; esta exigencia es, en particular, de España, pero en países latinoamericanos las exigencias pueden ser menores, reduciéndose esta compacidad hasta un 95% [2][3]. Sin embargo, tal como mencionaba Martínez: “Muchas veces existen problemas mecánicos y resistentes en las mezclas colocadas, como baja cohesión o pérdida de rigidez, que no han sido detectados con los controles habituales. Esto significa que el producto final puede bajar su calidad, debido a variaciones en la mezcla, que no afectan a las características Marshall ni a la densidad final de los testigos, quedando esta pérdida de calidad momentáneamente oculta y sin conocer sus causas”. Por ello, Martínez propuso un método de control de calidad de las mezclas asfálticas basado en la aplicación del ensayo de tracción indirecta, a 5 ºC. En primer lugar, estudió la sensibilidad del ensayo y encontró que el valor de la resistencia a tracción indirecta podía diferenciar mezclas de características diferentes. Así por ejemplo, mediante la resistencia a tracción indirecta se podía diferenciar dos mezclas con granulometrías diferentes, cuya densidad era la misma, por lo que el control a partir de densidades no podía diferenciarlas. En la figura 2.1 se observa una mayor resistencia a tracción indirecta de la mezcla con la granulometría centrada, pero que presenta una densidad similar a la mezcla con la granulometría ajustada al límite inferior del huso.

Figura 2.1 Variación de la resistencia con la granulometría del agregado pétreo. Mezclas S-20 (Fuente: Martínez, 2000).

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Otro ejemplo claro es cuando estudió el efecto de la energía y temperatura de compactación. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto una clara diferencia de resistencias a tracción indirecta entre las mezclas cuando son compactadas a diferentes temperaturas y energías de compactación. En la figura 2.2 se observa que una mezcla asfáltica compactada a menor temperatura pero a igual energía de compactación tiene una resistencia a tracción indirecta menor, y que una mezcla compactada a una misma temperatura pero con mayor energía de compactación tiene una resistencia a tracción indirecta mayor. Sin embargo, y aunque se observa una cierta variación en las densidades, hay casos en que la densidad se mueve en un rango similar, lo que pone de manifiesto el pobre desempeño de la densidad como método para conocer la variación de calidad en una mezcla asfáltica.

Figura 2.2 Variación de la resistencia a tracción indirecta con la temperatura y energía de compactación. Mezclas S-20 (Fuente: Martínez, 2000).

Sin embargo, aunque los resultados obtenidos por Martínez mediante la aplicación del ensayo de tracción indirecta a 5 °C fueron, en general, contundentes, para algunas de las variables estudiadas el ensayo mostró una menor capacidad para discernir entre las mezclas. Así por ejemplo, en la figura 2.3 se puede observar cómo, aunque existe una gran diferencia entre la penetración de los betunes utilizados en la fabricación de las mezclas, la resistencia a tracción indirecta no presenta grandes variaciones, siendo esta variación de apenas 0,2 MPa entre los diferentes betunes.

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Figura 2.3 Variación de la resistencia con el tipo de asfalto. Mezclas S-12 (Fuente: Martínez, 2000).

Esta limitación abre la puerta a pensar en otro ensayo que, con la misma finalidad de evaluar una propiedad mecánica de la mezcla, tuviera una mayor capacidad de diferenciar entre mezclas diferentes. Además, en los últimos años, los métodos mecanístico-empíricos para el diseño de pavimentos han otorgado una gran relevancia al módulo de la mezcla, siendo necesario conocer su valor durante la etapa de proyecto de la estructura. Por tanto, el ensayo de módulo resiliente aparece como la opción más adecuada, ya que si es necesario determinarlo en la fase de diseño, es también relativamente fácil conocerlo tras la ejecución de la mezcla, ya que al igual que ocurría con el ensayo de tracción indirecta, no se tienen que realizar operaciones adicionales, ya que puede evaluarse sobre los mismos testigos extraídos de la capa ejecutada que van a ser utilizados para la obtención de densidades. En conclusión, el ensayo de módulo resiliente aparece como un ensayo práctico para complementar al actual método de control de calidad, basado sólo en la determinación de densidades, lo que hace que en el momento de tomar decisiones sobre la aceptación o rechazo de la capa, se desconozca la capacidad resistente de la mezcla. Así pues, el objetivo de este trabajo ha sido la búsqueda de una metodología de aseguramiento de la calidad de las mezclas asfálticas que cubra ciertos aspectos de la puesta en obra que no son considerados por los procedimientos de control utilizados actualmente, y que pueden afectar al comportamiento en servicio del pavimento. Para ello, se ha estudiado un procedimiento de control basado en la determinación del módulo resiliente de la mezcla asfáltica colocada, según la nueva norma Europea, a 20 ºC, UNE-EN 12697-26 ANEXO C [4].

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3. ESTUDIO DE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE EN EL CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS El desarrollo de la investigación experimental sobre la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de las mezclas asfálticas, se ha realizado en dos etapas diferentes, en función de los objetivos propuestos: por un lado, el ensayo probetas fabricadas en laboratorio con objeto de evaluar la sensibilidad del ensayo y, por otro lado, el ensayo de testigos extraídos de pavimentos construidos para analizar los valores de módulo realmente obtenidos. El objetivo de la primera etapa ha sido comprobar si el ensayo de módulo resiliente es capaz de detectar pequeñas variaciones en la composición de la mezcla y conocer los valores de módulo resiliente que se pueden obtener con los diferentes tipos de mezclas estudiadas. Para ello, se han realizado en laboratorio series de probetas que han sido ensayadas a módulo resiliente a 20 ºC. Las mezclas que se han estudiado en el laboratorio son densas con tamaños máximos de 12’5, 19 y 25 mm (de acuerdo a la actual normativa mexicana N-CMT-4-04/08) [5]. Y en el cual se muestran muchos de estos resultados en el presente trabajo. Las granulometrías que se han utilizado corresponden a los valores medios de los límites granulométricos especificados en México, de acuerdo a la normativa mexicana de la Secretaría de Comunicaciones y transportes (N-CMT-4-04/08), tabla 4.1. Además, se han considerado las granulometrías correspondientes al límite inferior y superior de estos. Los agregado pétreos han sido: un agregado pétreo tipo basalto, perteneciente al Occidente de México, cerca de la localidad de Guadalajara; un agregado pétreo tipo calizo, proveniente del Sureste de México, cercano a la ciudad de Tabasco; y un material tipo granito, perteneciente al norte de México, cerca de la ciudad de Tijuana. Sus principales características se recogen en la tabla 3.1.

Propiedad

Tipo de agregado pétreo Basalto Calizo Granito

Densidad (g/cm3)

2,713

2,345

2,628

Absorción (%)

1,9

7,2

1,1

Desgaste de Los Ángeles (%)

13

29

20

Tabla 3.1 Propiedades de los agregado pétreos utilizados

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LIMON/MIRO

El asfalto utilizado en la mayoría de las probetas elaboradas en laboratorio ha sido un PG 70-22 proveniente de la refinería de Salamanca, México; esta clasificación del asfalto se ha realizado de acuerdo a la nueva normativa de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes de México N-CMT-4-05-004/08 [5]. Además, para evaluar el efecto del tipo de asfalto, se ha utilizado un asfalto PG 58-22 de la misma refinería, un PG 64-22 proveniente de la refinería de Tampico Madero, así como los betunes modificados PG 76-22 y PG 82-22, respectivamente. Las principales características de estos betunes se muestran en la tabla 3.2.

Propiedad

Tipo de asfalto

Temperatura [G*/senδ

PG 58-22

PG 64-22

PG 70-22

PG 76-22

PG 82-22

58,3

67,5

70,2

80,9

83,2

187

148

45

42

38

42

43

50

65

68

10

4

9

50

55

=1.0 kPa] (°C) Penetración a 25 ºC (1/10 mm) Punto de reblandecimiento (ºC) Recuperación elástica por torsión a 25ºC (%) Tabla 3.2 Propiedades de los betunes utilizados

El contenido óptimo de asfalto en las mezclas se ha obtenido con el método Marshall, de a cuerdo a la normativa mexicana de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes

(N-CMT-

4-05-003/08) [5]. Los resultados finales de las dosificaciones de las mezclas utilizadas se muestran en la tabla 3.3.

Tipo de Mezcla

Porcentaje de asfalto óptimo (%)

Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 12,5 mm,

7,0

granulometría centrada en el huso Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 19,0 mm,

6,5

granulometría en el inferior del huso

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Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 19,0 mm,

6,5

granulometría centrada del huso Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 19,0 mm,

6,0

granulometría en el superior del huso Agregado pétreo Basalto, tamaño máximo 25,0 mm,

5,5

granulometría centrada del huso Agregado pétreo Calizo, tamaño máximo 19,0 mm,

9,5

granulometría centrada del huso Agregado pétreo Granito, tamaño máximo 19,0 mm,

5,0

granulometría centrada del huso Tabla 3.3 Dosificaciones de asfalto de las mezclas utilizadas

En la mayoría de los casos se han elaborado series de cuatro probetas (en algunos casos de tres). Se ha considerado como mezcla patrón la fabricada con una energía de compactación de 75 golpes por cara con el martillo Marshall y a una temperatura de compactación de 145 ºC, de acuerdo a los resultados de la carta de viscosidad. La densidad y porcentaje de huecos fueron calculados de acuerdo a los métodos establecidos en la norma NLT-168/90 [2]. Las probetas se han ensayado a módulo resiliente de acuerdo a la nueva norma Europea, UNE-EN 12697-26 ANEXO C [4], a una temperatura de 20 ºC, y finalmente, a partir de los resultados individuales obtenidos, se han representado en tablas y figuras los valores medios.

3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS EN LABORATORIO Efecto del Contenido de asfalto El efecto del contenido de asfalto sobre el módulo resiliente de la mezcla ha sido evaluado en una mezcla de tipo densa, de tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm, con un tipo de asfalto PG 70-22 en el que se ha variado el contenido entre su óptimo ±1%. El agregado pétreo empleado es de tipo basalto y la granulometría de la mezcla ha sido ajustada al centro del límite granulométrico. Todas las probetas fueron compactadas a la temperatura de 145 ºC según la carta de viscosidad del asfalto usado y 75 golpes/cara, condiciones patrón del estudio.

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Contenido de asfalto

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

2,288

4102

360,1

8,8

2,327

3752

62,2

1,7

2,334

2920

67,8

2,3

Densidad 3

(g/cm )

(%) 5,5 (1% menor) 6,5 (Óptimo) 7,5 (1% mayor)

Tabla 3.4 Resultados de módulo resiliente vs contenido de asfalto

Efecto del contenido de betún Módulo resiliente (MPa)

5000 4000 3000 2000 1000 0 5´5 (1%Menor)

6´5 (Óptimo)

7´5 (1%Mayor)

Contenido de asfalto (%)

Figura 3.1 Resultados de módulo resiliente vs contenido de asfalto

Tipo de asfalto Se ha analizado el efecto del tipo de asfalto sobre el módulo resiliente, ensayando una mezcla densa, con agregado pétreo basalto, centrada en el límite granulométrico, fabricada con el contenido óptimo de asfalto (6,5%) y con diferentes asfaltos, tabla 3.5. Los resultados medios obtenidos se han representado en la figura 3.2.

11

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Tipo de

Densidad

asfalto

(g/cm3)

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

PG 58-22

2,299

1159

104,7

9,1

PG 64-22

2,293

2321

240,0

10,3

PG 70-22

2,327

3752

62,2

1,7

PG 76-22

2,311

4408

65,9

1,5

PG 82-22

2,308

4630

58,6

1,3

Tabla 3.5 Resultados de módulo resiliente vs tipo de asfalto

Efecto del tipo de Asfalto Módulo resiliente (MPa)

5000 4000 3000 2000 1000 0 PG 58-22

PG 64-22

PG 70-22

PG 76-22

PG 82-22

Tipo de asfalto

Figura 3.2 Resultados de módulo resiliente vs tipo de asfalto

Se comprueba que los betunes con mayor grado de desempeño (PG), aumentan los módulos resilientes. La variación de la densidad es muy pequeña. Es importante señalar que el ensayo se ha realizado a 20 ºC, y que el comportamiento de estos asfaltos a otras temperaturas dependerá de la susceptibilidad térmica de cada uno de ellos.

Naturaleza del agregado pétreo Con el fin de evaluar la sensibilidad del ensayo frente a la naturaleza del agregado pétreo se ha ensayado una mezcla densa, de tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm, centrada en el límite granulométrico y fabricada con un asfalto PG 70-22, empleando tres diferentes de agregado pétreos: calizo, basalto y granito. El óptimo de asfalto depende del tipo de agregado pétreo utilizado, tabla 3.6. 12

LIMON/MIRO

Tipo de

Densidad

Agregado

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

3

pétreo

(g/cm )

Calizo

2,171

4483

369,4

8,2

Basalto

2,327

3752

62,2

1,7

Granito

2,391

4227

117,5

4,2

Tabla 3.6 Resultados de módulo resiliente vs tipo de agregado pétreo

Módulo resiliente (MPa)

Efecto del tipo de Agregado pétreo 5000 4000 3000 2000 1000 0 Calizo

Basalto

Granito

Tipo de agregado pétreo

Figura 3.3 Resultados de módulo resiliente vs tipo de agregado pétreo

Granulometría En este punto se evalúa el efecto de las variaciones de la granulometría de la mezcla dentro de los límites, en los que se ha ensayado una granulometría centrada y otras ajustadas al límite inferior y superior respectivamente, utilizando el agregado pétreo tipo basalto con tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm, un asfalto PG 70-22 y el óptimo de asfalto depende de la granulometría utilizada, tabla 3.7.

13

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Desviación

Coeficiente de

estándar

variación

(MPa)

(%)

3114

150,3

4,8

2,327

3752

62,2

1,7

2,279

4438

151,3

3,4

Densidad

Módulo

(g/cm3)

resiliente (MPa)

Inferior

2,259

Centrada Superior

Granulometría

Tabla 3.7 Resultados de módulo resiliente vs granulometría del agregado pétreo

Efecto de la granulometría Módulo resiliente (MPa)

5000 4000 3000 2000 1000 0 Inferior

Centrada

Superior

Granulometría

Figura 3.4 Resultados de módulo resiliente vs granulometría de la mezcla

En la tabla 3,7 se puede observar como las densidades están próximas entre sí, pero el módulo resiliente aumenta conforme la granulometría se acerca a su límite superior. Esta granulometría tiene mayor cantidad de finos, que proporcionan una mayor cohesión que la granulometría del límite inferior. Energía y Temperatura de Compactación El efecto de la compacidad de las mezclas asfálticas, la mayor o menor densidad obtenida en su compactación, se ha estudiado en una mezcla con granulometría centrada en límite, agregado pétreo basalto, tamaño máximo de agregado pétreo de 19 mm y con el contenido óptimo de asfalto PG 70-22 (6,5%), que se ha fabricado y compactado variando la energía de compactación Marshall: 35, 50, 75, 100 y 125 golpes por cara y la temperatura de compactación: la óptima, la óptima menos 20 ºC y la óptima menos 40 ºC.

14

LIMON/MIRO

Densidad Nº golpes

Módulo

Desviación

Coeficiente de

resiliente

estándar

variación

(MPa)

(MPa)

(%)

3

(g/cm )

35

2,151

2243

383,2

17,1

50

2,181

2535

161,1

6,4

75

2,265

2980

339,3

11,4

100

2,281

2986

20,6

0,7

125

2,317

3222

29,3

0,8

Tabla 3.8 Efecto de la variación de la energía de compactación sobre el módulo resiliente, a 40 ºC menos que la temperatura óptima de compactación

Desviación

Coeficiente de

estándar

variación

(MPa)

(%)

2694

109,9

4,1

2,221

3098

194,7

6,3

2,266

3182

127,8

4,0

Densidad

Módulo

(g/cm3)

resiliente (MPa)

35

2,205

50 75

Nº golpes

Tabla 3.9 Efecto de la variación de la energía de compactación sobre el módulo resiliente a 20 ºC menos que la temperatura óptima de compactación

Desviación

Coeficiente de

estándar

variación

(MPa)

(%)

2886

210,2

7,3

2,272

3135

486,2

15,5

2,327

3752

62,2

1,7

Densidad

Módulo

(g/cm3)

resiliente (MPa)

35

2,196

50 75

Nº golpes

Tabla 3.10 Efecto de la variación de la energía de compactación sobre el módulo resiliente a la temperatura óptima de compactación

15

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Módulo resiliente (MPa)

Efecto de la energía y temperatura de compactación 5000 35gpc

4000

50 gpc

3000

75 gpc 2000

100 gpc

1000

125gpc

0 40ºC menor

20ºC menor

Temperatura óptima

Temperatura de compactación

Figura 3.5 Variación del módulo resiliente en función de la temperatura y energía de compactación

A partir de los resultados obtenidos, se puede decir que la temperatura y energía de compactación son variables muy importantes en módulo resiliente. Al ir disminuyendo la temperatura de compactación el módulo disminuía, al igual que disminuir la energía de compactación. Además, cuando existe una combinación de una baja energía y de baja temperatura de compactación, los resultados de módulo resiliente decrecen notablemente.

Módulo resiliente (MPa)

Módulo resiliente vs Densidad 4000

75gpc 50gpc

3500 35gpc 3000

125gpc 75gpc 100gpc

2500 35gpc 2000 2.100

2.150

50gpc 2.200

2.250

2.300

2.350

3

Densidad (g/cm ) 40ºC menor

Temp. óptima

Figura 3.6 Variación del módulo resiliente y densidad en función de la temperatura y energía de compactación

Sin embargo, al aumentar la energía de compactación por encima de la energía normalizada, aunque se aprecia un ligero aumento del módulo, éste es mucho menos significativo que la disminución que se produce cuando la energía disminuye en la misma proporción.

Temperatura de ensayo Para analizar la influencia de la temperatura de ensayo se han realizado series de probetas de una mezcla densa, con agregado pétreo basalto de tamaño máximo de 19 mm, granulometría

16

LIMON/MIRO

centrada en el límite, con diferentes tipos de asfalto (PG 58-22, 64-22, 70-22, 76-22 y 82-22) y contenido de asfalto óptimo (6,5%), y se ha determinado su módulo resiliente a 5, 20 y 40 ºC.

Módulo resiliente (MPa)

Efecto de la temperatura de ensayo 14000 12000

PG-58

10000

PG-64

8000

PG-70

6000

PG-76

4000

PG-82

2000 0 5ºC

20ºC

40ºC

Temperatura de ensayo

Figura 3.7 Variación del módulo resiliente en función de la temperatura de ensayo y tipo de asfalto

En la figura 3.7 se observa que, para cualquier tipo de asfalto, al ir aumentando la temperatura de ensayo, va disminuyendo fuertemente el módulo resiliente; además, se puede ver como el asfalto PG 70-22 a bajas temperaturas tiene el mayor módulo, mientras que a medias y altas temperaturas no es así; esto quiere decir que este asfalto presenta una rigidización excesiva a bajas temperaturas.

3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS EN CAMPO El ensayo de módulo resiliente se ha aplicado en el control de ejecución de diferentes obras de pavimentos bituminosos realizadas en México, durante un largo periodo de tiempo. Se han extraído testigos de las capas de mezcla asfáltica ejecutadas y se han ensayado a módulo resiliente a 20 ºC, con objeto de correlacionar su módulo con su compacidad. Las mezclas estudiadas han sido mezclas densas con diferentes tamaño máximo de agregado pétreo, granulometrías diferentes, diferentes tipos de agregado pétreo y asfalto y diferente contenido de asfalto. Tanto de las probetas elaboradas a partir de la mezcla fabricada en planta, como de los testigos extraídos de la capa ejecutada, se han representado los valores de módulo resiliente en función de la densidad alcanzada. En éstos gráficos se puede observar que las nubes de puntos obtenidas, para cada caso, se distribuyen de forma aproximadamente lineal y las rectas calculadas por regresión son, en muchos casos, prácticamente paralelas. En la tabla 3.11 se presentan las características de las mezclas de las obras estudiadas, como el tipo de agregado pétreo, tamaño máximo, granulometría y tipo de asfalto.

17

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Obra (Nº)

Tipo de

Tamaño máximo (mm)

Granulometría

Tipo de asfalto

agregado pétreo 1

Basalto

19

Superior en huso

PG 70-22

2

Granito

19

Centrada en huso

PG 70-22

3

Basalto

19

Centrada en huso

PG 70-22

4

Basalto

19

Superior en huso

PG 70-22

5

Basalto

25

Superior en huso

PG 76-22

6

Basalto

19

Superior en huso

PG 70-22

7

Basalto

19

Centrada en huso

PG 76-22

8

Basalto

19

Centrada en huso

PG 70-22

9

Calizo

19

Centrada en huso

PG 70-22

10

Calizo

19

Centrada en huso

PG 70-22

11

Basalto

19

Inferior en huso

PG 82-22

Tabla 3.11 Características de las mezclas de las obras analizadas

A continuación se muestran algunos gráficos en el presente documento, de lo que se ha hecho en el trabajo de investigación.

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

DENSIDAD (g/cm3)

Figura 3.8 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 1

18

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

LIMON/MIRO

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

Figura 3.9 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 3

TESTIGOS

PROBETAS

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

Figura 3.10 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 5

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

Figura 3.11 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 7

19

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO

MÓDULO RESILIENTE (MPa)

RESILIENTE

TESTIGOS

PROBETAS

5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850

1.950

2.050

2.150

2.250

2.350

2.450

3

DENSIDAD (g/cm )

Figura 3.12 Módulo resiliente vs Densidad, Obra 9

A continuación en la tabla 3.12 se muestran los resultados obtenidos en las todas las obras estudiadas en el trabajo de investigación: Densidad Compacidad Módulo Mezcla Desviación Coeficiente (g/cm3)

Resiliente (%)

Estándar

de variación

(MPa)

(%)

1963

536,1

27,3

1460

77,5

5,3

4153

48,8

1,2

3784

130,6

3,5

3594

126,0

3,5

3498

143,2

4,1

3806

130,5

3,4

3305

370,3

11,2

4827

100,3

2,1

1170

169,3

14,5

(MPa)

Obra 1 (Planta)

2,317

Obra 1

2,288

98,7

(Testigos) Obra 2 (Planta)

2,367

Obra 2

2,346

99,1

(Testigos) Obra 3 (Planta)

2,275

Obra 3

2,272

99,8

(Testigos) Obra 4 (Planta)

2,133

Obra 4

2,116

99,2

(Testigos) Obra 5 (Planta)

2,378

Obra 5

2,250

94,6

(Testigos)

20

LIMON/MIRO

Obra 6 (Planta)

2,238

Obra 6

2,228

99,5

3152

77,8

2,5

2304

293,3

12,7

4380

77,1

1,8

2173

277,1

12,8

2964

180,5

6,1

2368

170,2

7,2

4261

46,7

1,1

3089

105,8

3,4

3856

113,3

2,9

3353

166,7

5,0

4511

107,8

2,4

3913

517,7

13,2

(Testigos) Obra 7 (Planta)

2,123

Obra 7

2,033

95,7

(Testigos) Obra 8 (Planta)

2,239

Obra 8

2,188

97,7

(Testigos) Obra 9 (Planta)

2,185

Obra 9

2,073

94,8

(Testigos) Obra 10 (Planta)

2,290

Obra 10

2,285

99,7

(Testigos) Obra 11 (Planta)

2,390

Obra 11

2,363

98,8

(Testigos) Tabla 3.12 Resultados medios de probetas de mezcla fabricada en planta y testigos extraídos de obra

Del análisis de los valores de la tabla 3.12 se pueden obtener varias conclusiones; en primer lugar, se observa que los módulos de todas las probetas de mezcla de planta tienen menos dispersión (y su coeficiente de variación es menor) que la de los testigos extraídos de obra, a excepción de la Obra 1 en la que hay mayor dispersión en las probetas de planta que en los testigos. También se observa como en las Obras 5, 6, 7 y 9 existe una gran diferencia entre el módulo resiliente obtenido sobre las probetas de mezcla de planta y el obtenidos sobre los testigos extraídos de obra, debido a la mala ejecución de la mezcla asfáltica, a diferencia de la Obra 3, en la que los módulos resilientes de probetas de planta son casi iguales a los de testigos extraídos de obra, poniendo de manifiesto una buena ejecución de lo que se fabrica en planta.

21

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

4. ANÁLISIS

EXPERIMENTAL

DE

LOS

RESULTADOS

DE

LABORATORIO Investigadores de prácticamente todos los campos de estudio llevan a cabo experimentos, por lo general, para descubrir algo acerca de un proceso o sistema particular. En un sentido literal, un experimento es una prueba. En una perspectiva más formal, un experimento puede definirse como una prueba o una serie de pruebas en las que se hacen cambios deliberados en las variables de entrada de un proceso o sistema para observar o identificar las razones de los cambios que pudieran observarse en la respuesta de salida [6]. En nuestro trabajo de investigación encontraremos cuales son las variables que más y menos influyen, así como las posibles relaciones importantes entre las diferentes variables. A partir de los módulos obtenidos en laboratorio cuando se combinan diferentes variables, se pretende aplicar el concepto de diseño y análisis de experimentos, con la finalidad de conocer cuáles son las variables que más influyen en el módulo resiliente de las mezclas asfálticas. Para ello, se han fabricado y ensayado nuevas series de probetas, que se han dividido en tres categorías de acuerdo con las variables analizadas: a) Composición de la mezcla: -

Contenido de asfalto

-

Tipo de asfalto

-

Naturaleza del agregado pétreo

-

Granulometría

-

Tamaño máximo del agregado pétreo

b) Elaboración de las probetas -

Energía de compactación

-

Temperatura de compactación

-

Tipo de compactación

-

Altura de la probeta

c) Ejecución del ensayo -

Temperatura de ensayo

-

Frecuencia de aplicación de carga

-

Inmersión de probetas en agua

22

LIMON/MIRO

Composición de la mezcla Las cinco variables a analizar en la categoría de composición son el contenido de asfalto (A), el tipo de asfalto (B), la granulometría (C), el tamaño máximo de agregado pétreo (D) y el tipo de agregado pétreo (E). En la tabla 4.1 se recoge la identificación de las variables y el valor del módulo obtenido para cada una de ellas. Las probetas se fabricaron a la temperatura de compactación óptima, con una energía de compactación de 75 golpes por cara, y el ensayo se realizó a una temperatura de 20 ºC y a una frecuencia de carga de 0’5 Hz.

Tipo de agregado pétreo

Tamaño máximo

Granulometría

Tipo de

Contenido

asfalto

de asfalto

Módulo resiliente (MPa)

Identificación de la variable

Basalto

½”

Inferior

PG 58

1% menor

1004,2

1

Basalto

½”

Inferior

PG 58

1% mayor

714,8

a

Basalto

½”

Inferior

PG 82

1% menor

4019,9

b

Basalto

½”

Inferior

PG 82

1% mayor

2861,4

ab

Basalto

½”

Superior

PG 58

1% menor

1431,8

c

Basalto

½”

Superior

PG 58

1% mayor

1019,1

ac

Basalto

½”

Superior

PG 82

1% menor

5731,6

bc

Basalto

½”

Superior

PG 82

1% mayor

4079,8

abc

Basalto

1”

Inferior

PG 58

1% menor

1158,1

d

Basalto

1”

Inferior

PG 58

1% mayor

824,3

ad

Basalto

1”

Inferior

PG 82

1% menor

4636,1

bd

Basalto

1”

Inferior

PG 82

1% mayor

3300

abd

Basalto

1”

Superior

PG 58

1% menor

1651,2

cd

Basalto

1”

Superior

PG 58

1% mayor

1175,3

acd

Basalto

1”

Superior

PG 82

1% menor

6610,2

bcd

Basalto

1”

Superior

PG 82

1% mayor

4705,2

abcd

Calizo

½”

Inferior

PG 58

1% menor

1199

e

Calizo

½”

Inferior

PG 58

1% mayor

853,5

ae

Calizo

½”

Inferior

PG 82

1% menor

4799,8

be

Calizo

½”

Inferior

PG 82

1% mayor

3416,5

abe

Calizo

½”

Superior

PG 58

1% menor

1709,6

ce

Calizo

½”

Superior

PG 58

1% mayor

1216,8

ace

Calizo

½”

Superior

PG 82

1% menor

6843,5

bce

Calizo

½”

Superior

PG 82

1% mayor

4871,3

abce

23

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Calizo

1”

Inferior

PG 58

1% menor

1382,8

de

Calizo

1”

Inferior

PG 58

1% mayor

984,2

ade

Calizo

1”

Inferior

PG 82

1% menor

5535,5

bde

Calizo

1”

Inferior

PG 82

1% mayor

3940,2

abde

Calizo

1”

Superior

PG 58

1% menor

1971,5

cde

Calizo

1”

Superior

PG 58

1% mayor

1403,3

acde

Calizo

1”

Superior

PG 82

1% menor

7892,6

bcde

Calizo

1”

Superior

PG 82

1% mayor

5618

abcde

Tabla 4.1 Identificación de las variables y valores de módulo resiliente de las variables de composición para el estudio estadístico

Gráfico de probabilidad normal Porcentaje de probabilidad normal

100 C

B

80 60 40 AB A -2000

-1000

20 0 0

1000

2000

3000

4000

Valor estimado

Figura 4.1 Gráfico de probabilidad normal de las variables de composición de una mezcla asfáltica

En la figura 4.1 se observa que los componentes de una mezcla asfáltica que más influyen en el módulo resiliente son el tipo de asfalto, contenido de asfalto, granulometría y la combinación tipo de asfalto-contenido de asfalto, siendo el tipo de asfalto el que mayor influencia tiene. Elaboración de las probetas Las cuatro variables a analizar en la categoría de elaboración de las probetas son la altura de la probeta (A), la energía de compactación (B), la temperatura de compactación (C) y el tipo de compactación (D). En la tabla 4.2 se recoge la identificación de las variables y el valor del módulo obtenido para cada una de ellas. Las probetas se fabricaron con agregado pétreo tipo basalto, tamaño máximo de ¾”, granulometría centrada, tipo de asfalto PG 82 y contenido de asfalto óptimo, y el ensayo se realizó a una temperatura de 20 ºC y a una frecuencia de carga de 0’5 Hz.

24

LIMON/MIRO

Tipo de compactación

Altura

Temperatura de compactación

Módulo

Energía de

de

compactación

probeta (mm)

resiliente (MPa)

Identificación de la variable

Giratorio

40 ºC menor

0,5 º

25

1105,4

1

Giratorio

40 ºC menor

0,5 º

65

1383

a

Giratorio

40 ºC menor

1,25º

25

1640

b

Giratorio

40 ºC menor

1,25º

65

2644

ab

Giratorio

Óptima

0,5 º

25

1671

c

Giratorio

Óptima

0,5 º

65

2074

ac

Giratorio

Óptima

1,25 º

25

2465

bc

Giratorio

Óptima

1,25 º

65

3135

abc

Marshall

40 ºC menor

35 gpc

25

1715,7

d

Marshall

40 ºC menor

35 gpc

65

2000

ad

Marshall

40 ºC menor

75 gpc

25

2279,2

bd

Marshall

40 ºC menor

75 gpc

65

2600

abd

Marshall

Óptima

35 gpc

25

2207,3

cd

Marshall

Óptima

35 gpc

65

2885

acd

Marshall

Óptima

75 gpc

25

2870

bcd

Marshall

Óptima

75 gpc

65

3752

abcd

Tabla 4.2 Identificación de las variables y valores de módulo resiliente de las variables de elaboración de probetas para el estudio estadístico

Gráfico de probabilidad normal Porcentaje de probabilidad normal

100 D

C

A

B

80 60 40 20 0 -300

-100

100

300

500

700

900

Valor estimado

Figura 4.2 Gráfico de probabilidad normal de las variables de elaboración de una mezcla asfáltica

En la figura 4.2 se observa que todas las variables de elaboración de una probeta de mezcla asfáltica tienen mucha influencia en el módulo resiliente, de acuerdo a su contribución

25

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

porcentual, siendo la energía y la temperatura de compactación las que más influyen en el comportamiento del módulo resiliente. Ejecución del ensayo Por último, las tres variables a analizar son el acondicionamiento de las probetas (A), la frecuencia de carga (B) y la temperatura de ensayo (C). En la tabla 4.3 se recoge la identificación de las variables y el valor del módulo obtenido para cada una de ellas. Las probetas se fabricaron con agregado pétreo tipo basalto, tamaño máximo de ¾”, granulometría centrada, tipo de asfalto PG 82, contenido de asfalto óptimo, temperatura de compactación óptima y energía de compactación de 75 golpes por cara.

Temperatura

Frecuencia de

Módulo

de ensayo

carga

(ºC)

(Hz)

5

0’33

Sin Acondicionar

10035

1

5

0’33

Acondicionada

8433,4

a

5

1,0

Sin Acondicionar

13819

b

5

1,0

Acondicionada

11667

ab

40

0’33

Sin Acondicionar

505

c

40

0’33

Acondicionada

424,3

ac

40

1,0

Sin Acondicionar

698,6

bc

40

1,0

Acondicionada

587

abc

Acondicionamiento

Identificación

resiliente

de la variable

(MPa)

Tabla 4.3 Identificación de las variables y valores de módulo resiliente de las variables de ejecución del ensayo para el estudio estadístico

Porcentaje de probabilidad normal

Gráfico de probabilidad normal 100 80 60 40 20 C 0 -12000 -10000 -8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

Valor estimado

Figura 4.3 Gráfico de probabilidad normal de las variables de ejecución del ensayo de módulo resiliente

26

LIMON/MIRO

En la figura 4.3 se observa que la variable de ejecución del ensayo de módulo resiliente de una mezcla asfáltica que más influye es la temperatura de ensayo.

5. EVALUACIÓN DEL EFECTO PRODUCIDO POR LA FALTA DE CALIDAD EN LA EJECUCIÓN DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS En este capítulo se pretende analizar la variación de la vida de un pavimento, calculado bajo determinadas hipótesis, considerando una disminución del módulo resiliente de la mezcla que constituye las capas asfálticas. Mediante el empleo de métodos analíticos utilizados en el dimensionamiento de pavimentos y considerando los resultados de módulos resilientes obtenidos, y a partir de las leyes de fatiga obtenidas a partir de un ensayo a tracción indirecta, se ha evaluado el efecto de una mala ejecución de la mezcla asfáltica sobre la vida del pavimento, con el objeto de demostrar la importancia que tiene controlar las propiedades mecánicas de la mezcla ejecutada. Para evaluar el efecto producido por la disminución de módulo de la capa asfáltica se han determinado, en primer lugar, las leyes de fatiga, de acuerdo al ensayo de fatiga a tracción indirecta descrito en la norma Europea UNE-EN 12697-24 ANEXO E [4] sobre las probetas fabricadas en laboratorio, considerando las variables que más influían en el módulo, de acuerdo a su composición, elaboración y ejecución del ensayo. Además, se han determinado las leyes de fatiga de las probetas fabricadas en planta y de los testigos extraídos de las obras 3 y 5, las cuales corresponderían a las obras con menor y mayor diferencia entre módulos resilientes respectivamente. En segundo lugar, mediante el empleo de métodos analíticos, y a partir de las leyes de fatiga obtenidas, se analizará la pérdida de vida que tendrá un pavimento cuando la mezcla asfáltica se ejecuta de forma deficiente. La sección de pavimento considerada corresponde a la recogida en la norma española 6.1-IC sobre Secciones de Pavimento, para una categoría de tráfico T1 y una explanada E3. La categoría de tráfico pesado corresponde al rango de 1999-800 vehículos pesados por día. La explanada E3 presenta un módulo de compresibilidad en el segundo ciclo de carga (Ev2), obtenido de acuerdo con la norma NLT-357 “Ensayo de carga con placa”, de 300 MPa. La sección de pavimento considerada se indica en la tabla 5.1.

27

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Capa

Espesor (cm)

Mezcla asfáltica

25

Base granular

25

Tabla 5.1 Capas y espesores empleados en la sección de pavimento considerada

5.1 LEYES DE FATIGA Ley de Fatiga para las variables de composición de la mezcla que más influyen en el módulo resiliente La variable de composición que más influye sobre el módulo resiliente, de acuerdo al análisis estadístico que se realizó, es el tipo de asfalto. Por lo tanto, se decidió obtener las leyes de fatiga de las mezclas con mayor y menor módulo que corresponden a los tipos de asfalto PG 82-22 y PG 58-22 respectivamente. Hay que recordar que el asfalto PG 82-22 es un asfalto modificado con polímero.

LEY DE FATIGA PARA DIFERENTES TIPOS DE ASFALTOS

DEFORMACIÓN UNITARIA

0.001

y = 0.0037x-0.256 R² = 1

y = 0.0012x-0.283 R² = 0.83 0.0001

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

PG 82-22

PG 58-22

Figura 5.1 Leyes de fatiga para diferentes tipos de asfalto

En la figura 5.1 se observa que la ley de fatiga de la mezcla fabricada con el asfalto PG 82-22 se encuentra por encima de la ley de fatiga de la mezcla fabricada con el asfalto PG 58-22, aunque con pendientes muy similares. Ley de Fatiga para las variables de elaboración de la mezcla que más influyen en el módulo resiliente La variable de elaboración que más influye sobre el módulo resiliente, de acuerdo al análisis estadístico que se realizó, es la temperatura de compactación. Por lo tanto, se decidió obtener las

28

LIMON/MIRO

leyes de fatiga de las mezclas con mayor y menor módulo, que corresponden a compactar a la temperatura óptima y compactar a 40 °C por debajo de la temperatura óptima respectivamente.

LEY DE FATIGA PARA LAS DIFERENTES TEMPERATURAS DE COMPACTACIÓN

DEFORMACIÓN UNITARIA

0.001

0.0001

0.00001 1000

y = 0.0053x-0.333 R² = 0.9676

y = 0.0024x-0.32 R² = 0.9994

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

TEMP. DE COMPACTACIÓN ÓPTIMA

TEMP. DE COMPACTACIÓN 40 ºC MENOR

Figura 5.2 Leyes de fatiga para diferentes temperaturas de compactación

En la figura 5.2 se observa que la ley de fatiga de la mezcla compactada a la temperatura óptima se encuentra por encima de la ley de fatiga de la mezcla compactada a 40 °C por debajo a la temperatura óptima. Además, en este caso se puede observar que la pendiente de la ley de fatiga de la mezcla compactada a menor temperatura es mayor, por lo que será más sensible a las variaciones de deformación. Ley de Fatiga para las variables de ejecución del ensayo que más influyen en el módulo resiliente La variable de ejecución del ensayo que más influye sobre el módulo resiliente, de acuerdo al análisis estadístico que se realizó, es la temperatura de ejecución. Por lo tanto, se decidió obtener las leyes de fatiga de las mezclas con mayor y menor módulo, que corresponden a las temperaturas de ensayo de 5 y 40 °C respectivamente.

29

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

LEY DE FATIGA PARA DIFERENTES TEMPERATURAS DE ENSAYO

DEFORMACIÓN UNITARIA

0.001

y = 0.0013x-0.153 R² = 0.865

0.0001

y = 0.0015x-0.323 R² = 0.9361

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

Temp. de ensayo 40 °C

Temp. de ensayo 5 °C

Figura 5.3 Leyes de fatiga para diferentes temperaturas de ensayo

En la figura 5.3 se observa que la ley de fatiga de la mezcla ensayada a 5 °C se encuentra por encima de la ley de fatiga de la mezcla que se ensayó a 40 °C. Además, en este caso se puede observar que la pendiente de la ley de fatiga de la mezcla ensayada a 40 °C es mayor que la de la mezcla ensayada a 5 °C. Ley de Fatiga de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 3 Para mostrar el efecto de la ejecución real de una mezcla en obra, se han determinado las leyes de fatiga a mezclas de campo sobre probetas fabricadas en planta y testigos de obra. Se ha escogido en primer lugar la obra 3, ya que es la obra que tiene menor diferencia entre los módulos resilientes de probetas y testigos; por tanto, es importante conocer si la adecuada ejecución de la mezcla de obra que se deduce del ensayo de módulo resiliente se corresponde con un adecuado comportamiento en servicio, evaluado a partir del ensayo de fatiga.

En la Tabla 5.2 se presentan los módulos resilientes de la mezcla que se obtuvieron para las probetas fabricadas en planta y los testigos de obra, y sobre los que se determinaron las leyes de fatiga.

Módulo Mezcla

resiliente (MPa)

Probetas

3594

Testigos

3498

Tabla 5.2 Módulos resilientes de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 3

30

LIMON/MIRO

LEY DE FATIGA SOBRE PROBETAS FABRICADAS EN PLANTA Y SOBRE TESTIGOS DE LA OBRA 3 0.001

DEFORMACIÓN UNITARIA

y = 0.0032x-0.293 R² = 0.9813

y = 0.0034x-0.309 R² = 0.9854 0.0001

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

Probetas fabricadas en planta

Testigos de obra

Figura 5.4 Leyes de fatiga sobre probetas fabricadas en planta y sobre testigos de la obra 3

En la figura 5.4 se observa que la ley de fatiga de las mezclas de probetas fabricadas en planta se encuentra ligeramente por encima de la ley de fatiga de los testigos de obra, aunque las dos leyes de fatiga se encuentran muy próximas entre sí, lo que pone de manifiesto que el comportamiento de una y otra no difiere excesivamente y que la obra fue, por tanto, ejecutada correctamente, ya que la ley sobre testigos coincide prácticamente con la ley de diseño (sobre probetas).

Ley de Fatiga de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 5 Por otra parte, se realizó lo mismo en la obra 5, ya que es la obra que presenta mayor diferencia entre los módulos resilientes de probetas y testigos, y por tanto es importante conocer si esta diferencia entre módulos, se corresponde con los resultados obtenidos en el ensayo a fatiga.

En la Tabla 5.3 se presentan los módulos resilientes de la mezcla que se obtuvieron para las probetas fabricadas en planta y los testigos de la obra 5, sobre los que se determinaron las leyes de fatiga.

Módulo Mezcla

resiliente (MPa)

Probetas

4827

Testigos

1170

Tabla 5.3 Módulos resilientes de las probetas fabricadas en planta y de los testigos de la obra 5

31

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

LEY DE FATIGA SOBRE PROBETAS FABRICADAS EN PLANTA Y SOBRE TESTIGOS DE

LA OBRA 5

0.001

DEFORMACIÓN UNITARIA

y = 0.0044x-0.259 R² = 0.9694

y = 0.0029x-0.349 R² = 0.9765 0.0001

0.00001 1000

10000

100000

1000000

NÚMERO DE CICLOS

Probetas fabricadas en planta

Testigos de obra

Figura 5.5 Leyes de fatiga sobre las probetas fabricadas en planta y sobre testigos de la obra 5

En la figura 5.5 se observa que la ley de fatiga de las mezclas de probetas fabricadas en planta se encuentra muy por encima de la ley de fatiga de los testigos de obra, lo que de nuevo pone de manifiesto que la diferencia que se obtuvo en el ensayo de módulo resiliente entre probetas de planta y testigos se sigue presentando en el ensayo de fatiga, siendo esta diferencia debida a una mala ejecución de la mezcla asfálticas.

5.2 CÁLCULO DE LA VIDA DEL PAVIMENTO Mediante el empleo de métodos analíticos se ha obtenido el estado de tensiones y deformaciones que se produce en la sección del pavimento seleccionado, en función del módulo de la mezcla obtenido en las diferentes condiciones consideradas, tanto a función de las variables de elaboración, como tras su puesta en obra. En este último caso se ha considerado tanto la obra 3 como la obra 5, representativas de una buena y mala ejecución respectivamente. Mediante la ayuda del software DISPAV-5 y las leyes de fatiga obtenidas anteriormente se ha determinado la vida del pavimento en cada caso. Para realizar este análisis se ha considerado que existe adherencia entre capas. Los valores del coeficiente de Poisson fueron otorgados por el software dependiendo del tipo de capa (mezcla asfáltica: 0,35, base granular: 0,40 y capa subrasante E3: 0,45).

Variable de elaboración de una mezcla asfáltica Como se mencionó anteriormente, la variable que más influye en la elaboración de una mezcla asfáltica es la temperatura de compactación. Mediante un estudio analítico, se ha obtenido la vida del pavimento, expresada en ejes equivalentes de 18 000 lbs, variando únicamente el módulo resiliente de las mezclas asfálticas cuando son compactadas a la temperatura óptima y a 40 °C por debajo de la temperatura óptima.

32

LIMON/MIRO

Como se puede observar en la tabla 5.4, la vida del pavimento disminuye notablemente, cuando disminuye el módulo de la mezcla asfáltica por efecto de compactarla a una temperatura inadecuada.

Temperatura de

Módulo

Aplicaciones de carga

compactación

resiliente

(millones de ejes

(°C)

(MPa)

equivalentes)

105

2980

21,4

145

3752

47,7

Tabla 5.4 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, al variar la temperatura de compactación de la mezcla

Vida en millones de ejes equivalentes vs Temperatura de compactación

Millones de ejes equivalentes

100 80 60

Mr = 3752 MPa

40 Mr = 2980 MPa 20 0 105

145

Temperatura de compactación (°C)

Figura 5.6 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, al variar la temperatura de compactación de la mezcla

Ejecución en campo Obra 3: buena ejecución Como se observó en el apartado 5.1, las leyes de fatiga entre las mezclas de planta y los testigos de obra son muy similares, lo que pone de manifiesto que la mezcla ha sido bien ejecutada. Para validar esto, se ha determinado la vida, expresada en millones de ejes equivalentes, de la sección antes mencionada. Como se puede observar en la tabla 5.5, la vida del pavimento es muy similar tanto a partir de las probetas, como a partir de los testigos.

33

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Módulo

Aplicación de carga

resiliente

(millones de ejes

(MPa)

equivalentes)

Probetas

3594

42,4

Testigos

3498

39,8

Mezcla

Tabla 5.5 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 3

Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de ejecución de la mezcla

Millones de ejes equivalentes

100 80 60 Mr = 3594 MPa

Mr = 3498 MPa

Probetas de planta

Testigos de obra

40 20 0 Probetas vs Testigos

Figura 5.7 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 3

Obra 5: mala ejecución Como se observó en el apartado 5.2.6, las leyes de fatiga entre las mezclas de planta y los testigos de obra son muy diferentes, lo que quiere decir que la mezcla no ha sido bien ejecutada. Para validar esto, se ha determinado la vida, expresada en millones de ejes equivalentes, de la sección antes mencionada. Como se puede observar en la tabla 5.6, la vida del pavimento disminuye radicalmente, cuando el módulo de los testigos es muy diferente del obtenido sobre las probetas de planta.

Módulo

Aplicación de carga

resiliente

(millones de ejes

(MPa)

equivalentes)

Probetas

4827

86,8

Testigos

1170

1,2

Mezcla

Tabla 5.6 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 5

34

LIMON/MIRO

Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de ejecución de la mezcla

Millones de ejes equivalentes

100

Mr = 4827 MPa

80 60 40 20 Mr = 1170 MPa 0 Probetas de planta

Testigos de obra

Probetas vs Testigos

Figura 5.8 Vida de la sección, en millones de ejes equivalentes, de la obra 5

Se puede concluir que el módulo resiliente de una mezcla asfáltica es un buen indicador de la vida que tendrá la sección del pavimento. Por otra parte, cuanto más parecidos sean los módulos de las probetas fabricadas en planta y de los testigos extraídos, mejor ejecutada se estará la mezcla asfáltica, mayor será su resistencia a la fatiga y mayor será la vida del pavimento.

6. DETERMINACIÓN

DE

CRITERIOS

PARA

EL

CONTROL

DE

CALIDAD A PARTIR DEL MÓDULO RESILIENTE Uno de los puntos importantes dentro de esta investigación es determinar los criterios de control de calidad de una mezcla asfáltica en el momento de su ejecución a partir del módulo resiliente. Como ya se ha mencionado en los capítulos introductorios, el control de calidad de la mezcla asfáltica, una vez colocada y compactada, se basa en la extracción de testigos para la determinación de su espesor y su densidad. Este valor de densidad es comparado con una densidad de referencia obtenida sobre una probeta elaborada con una muestra proveniente de planta y compactada. Por ejemplo, las especificaciones españolas sobre la unidad terminada indican que deberá alcanzarse una compactación mínima del 98% de la densidad Marshall de referencia para capas de espesor superior a 6 cm y del 97% para capas de menor espesor; por su parte, las especificaciones mexicanas establecen que la compactación mínima debe ser del 95% para capas de cualquier espesor. Por otra parte, el Asphalt Institute establece que los testigos extraídos de obra deben tener al menos un 8% de huecos, que equivale a una compactación mínima de aproximadamente el 96%.

Sin embargo, las experiencias recogidas en el capítulo 3 y 5 han puesto de manifiesto que el control de densidad no resulta el más adecuado por su poca sensibilidad para detectar variaciones en la composición de la mezcla, a diferencia de utilizar los resultados del ensayo de módulo resiliente. Además, el hecho de que una capa presente una alta compacidad, 35

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

no asegura que se haya ejecutado correctamente, ya que no se trata de un parámetro que pueda evaluar directamente la resistencia mecánica de la mezcla asfáltica.

6.1 CRITERIOS DEL CONTROL DE CALIDAD Para validar la utilización de este ensayo se presenta a continuación un análisis de los valores de confianza de los módulo resiliente retenido (relación módulo/módulo óptimo de cada tipo de mezcla) y porcentajes de compacidad (relación densidad/densidad óptima de cada tipo de mezcla) en función de las variables estudiadas en laboratorio, en particular de las variables de elaboración y composición, con el objeto de establecer un límite mínimo, tanto en módulo resiliente retenido como en porcentaje de compacidad. Posteriormente, para verificar el criterio de control propuesto, se ha realizado un estudio sobre los valores obtenidos de los testigos extraídos de obra. En la figura 6.1 se han representado los valores de módulo resiliente y porcentaje de compacidad en función de las variables de elaboración y composición. Cuando se realizó el análisis sobre los tipos de asfalto, se utilizó un agregado pétreo de tipo basalto y una granulometría centrada en huso. Por otra parte, cuando se realizó el análisis sobre los agregados pétreos, granulometría y tamaño de agregado pétreo, se utilizó un tipo de asfalto PG 70-22. En la tabla 6.1 se muestra, en modo de ejemplo, los valores considerados para asfalto PG 70-22.

Módulo Variables

resiliente (MPa)

Compacidad (%)

Módulo retenido (%)

Temp. de compactación 145 °C 75 golpes por cara

3752

100

100

3443

99,2

91,7

3402

98,1

90,6

3182

97,3

84,8

3136

96,8

83,5

y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 4,0 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 2,0° y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 125 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 1,25° y altura de probeta de 6,5 cm

36

LIMON/MIRO

Temp. de compactación 145 °C 50 golpes por cara

3134

97,6

83,5

3098

95,4

82,5

2986

98,0

79,5

2980

97,3

79,0

2886

94,3

76,9

2870

96,7

76,4

2694

94,8

71,0

2694

92,9

71,8

2535

93,6

67,0

2243

92,4

59,0

2074

88,8

55,2

y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 125 °C 50 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 100 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C 35 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C 75 golpes por cara y altura de probeta de 2,5 cm Temp. de compactación 125 °C 35 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 1,0° y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 50 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 105 °C 35 golpes por cara y altura de probeta de 6,5 cm Temp. de compactación 145 °C Ángulo de giro de compactación 0,5° y altura de probeta de 6,5 cm Tabla 6.1 Valores de módulo resiliente, porcentaje de compacidad y módulo retenido, para las diferentes variables de elaboración, cuando se utiliza un asfalto PG 70-22

37

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Módulo resiliente (MPa)

Porcentaje de compacidad vs Módulo resiliente para las variables de elaboración y composición PG 58-22

5000

PG 64-22

4000

PG 70-22

3000

PG 76-22 PG 82-22

2000

Calizo Granito

1000

Gran. Inferior

0 85

90

95

100

Gran. Superior TMN 1/2"

Porcentaje de compacidad (%)

TMN 1"

Figura 6.1 Módulo resiliente vs Porcentaje de compacidad para las variables de elaboración y composición

Para cada variable considerada, a partir de la figura 6.1 se ha obtenido el porcentaje de módulo resiliente retenido, como la relación entre el módulo resiliente para cada variable y el módulo resiliente óptimo, siendo éste último el obtenido cuando la mezcla con esa variable está bien ejecutada.

Módulo resiliente vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición Módulo resiliente (MPa)

5000

PG 58-22 PG 64-22

4000

PG 70-22 3000

PG 76-22

2000

PG 82-22 Calizo

1000

Granito Gran. Inferior

0 0

20

40

60

Módulo retenido (%)

80

100

Gran. Superior TMN 1/2" TMN 1"

Figura 6.2 Módulo resiliente vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición

En el gráfico 6.3 se ha representado la relación entre porcentaje de compacidad y el promedio del módulo retenido de todas las variables de composición. Este último valor se ha obtenido como la media de los módulos retenidos de todas las variables, al porcentaje de compacidad correspondiente. En la tabla 6.2 se muestra, en modo de ejemplo, los valores considerados para obtener el punto más bajo de la figura 6.3. Este punto es el promedio del módulo retenido para todas las variables de elaboración, cuando la mezcla asfáltica es compactada con un ángulo de giro de 0,5°. 38

LIMON/MIRO

Variable de

Módulo retenido

Compacidad

elaboración

(%)

(%)

PG 58-22

58,8

88,6

PG 64-22

59,2

88,3

PG 70-22

55,2

88,8

PG 76-22

57,2

87,7

PG 82-22

56,6

87,5

Calizo

60,1

88,6

Granito

59,7

88,6

Gran. Inferior

60,1

88,2

Gran. Superior

59,3

87,2

TMN ½”

59,4

88,5

TMN 1”

60,2

87,4

Valor medio

58,7

88,1

Tabla 6.2 Obtención del valor medio de módulo retenido para el punto más bajo de la figura 6.3

Porcentaje de compacidad vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición

Módulo retenido (%)

100 80 60 40 20 0 85

90

95

100

Porcentaje de compacidad (%)

Figura 6.3 Módulo retenido vs Porcentaje de compacidad para las variables de elaboración y composición

Posteriormente, se han establecido diferentes límites de calidad a partir de la media aritmética y la desviación estándar de los datos recogidos en la figura 6.3.

-

Media aritmética del módulo retenido = 80%

-

Desviación estándar del módulo retenido = 15%

-

Media aritmética del módulo retenido + desviación estándar del módulo retenido = 95%

39

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

-

Media aritmética del módulo retenido – desviación estándar del módulo retenido = 65%

-

Media aritmética del porcentaje de compacidad = 96%

-

Desviación estándar del porcentaje de compacidad = 2%

-

Media aritmética del porcentaje de compacidad + desviación estándar de porcentaje de compacidad = 98%

-

Media aritmética del porcentaje de compacidad – desviación estándar del porcentaje de compacidad = 94%

A partir de estos límites se han establecido diferentes zonas de calidad, representadas en la figura 6.4. Los rangos establecidos en el gráfico de control servirán para determinar si una mezcla ha sido mal ejecutada, si sus componentes no son los adecuados o si se produce una combinación de malos componentes y mala ejecución.

Figura 6.4 Gráfico de control de calidad de una mezcla asfáltica a partir del porcentaje de compacidad y módulo retenido

Cada uno de los rangos establecidos corresponde a un nivel de calidad: -

Calidad alta: mezcla asfáltica con compacidad alta y módulo retenido alto

-

Calidad aceptable: mezcla asfáltica con compacidad aceptable y módulo retenido aceptable (por encima de la media)

-

Calidad regular: mezcla asfáltica con compacidad regular y módulo retenido regular (por debajo de la media)

-

Calidad baja: mezcla asfáltica con compacidad baja y módulo retenido bajo

40

LIMON/MIRO

Este gráfico de control permite complementar el criterio del porcentaje de compacidad usado actualmente como parámetro de control de calidad de ejecución de la mezcla. Por otra parte, hay que mencionar que las propiedades de las mezclas evaluadas a partir de los testigos extraídos de las capas ejecutadas, generalmente tienen valores inferiores respecto a cuando se evalúan sobre probetas fabricadas en laboratorio, debido a los factores que intervienen en el proceso de ejecución de las capas e incluso en el de extracción de testigos. Por ello, algunos investigadores proponen introducir un factor de pérdida de resistencia cuando ésta se evalúa directamente sobre testigos. Por tal motivo, se ha decidido establecer un intervalo de confianza en módulo retenido. El intervalo se ha obtenido a partir de los valores de la obra 3, ya que es la que tiene los módulos resilientes más semejantes entre probetas de planta y testigos extraídos de campo, Tabla 6.3. Nº Ensayo

Módulo retenido (%)

1

98,6

2

95,5

3

100

4

97,1

5

97,9

6

98,9

7

99,1

8

96,2

9

95,8

10

96,1

11

96,5

12

96,3

Media (X)

97,3

Tabla 6.3 Valores de porcentaje de módulo retenido de la Obra 3

El intervalo de confianza se ha obtenido de acuerdo a la siguiente ecuación: X – 1,96 (/(n)1/2) ≤  ≤ X – 1,96 (/(n)1/2)

(6.1)

donde: X = media de los módulos retenidos 1,96 = coeficiente para una estimación de confianza del 95% = desviación estándar de los módulos retenidos n = número total de ensayos 41

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Por tanto, el intervalo de confianza es el siguiente: 96,45 ≤  ≤ 98,15

Expresado de otros términos, el intervalo de confianza es de 97,3 con una precisión de estimación de ±0,85. Entonces, la relación de módulo resiliente de testigo de obra/intervalo de confianza a su precisión de estimación menor se llamará módulo de campo corregido.

Módulo de campo corregido = Módulo resiliente de testigo de obra/96,45

(6.2)

Estos valores mínimos se han determinado a partir de los estadísticos del módulo retenido, en particular de su desviación estándar: -

Relación mínima entre valores medios de módulo resiliente corregido de testigos de obra y de probetas de mezcla fabricada en planta para aceptación: 80%

-

Relación mínima entre valores medios de módulo resiliente corregido de testigos de obra y de probetas de mezcla fabricada en planta para no levantar la mezcla y reponerla por una nueva, pero aplicando una sanción económica: 65%

Podría establecerse una gratificación, cuando la calidad obtenida fuera muy buena. Esta gratificación podría aplicarse cuando la relación de valores medios de módulo resiliente corregido de testigos de obra y de las probetas de mezcla fabricada en planta sea mayor del 95%. Los valores mínimos de porcentaje de compacidad permitidos para el control de calidad de una mezcla asfáltica después de que ésta ha sido colocada y compactada, de acuerdo a la figura 6.4 es de 96% para no generar sanción y 94% para que la mezcla no sea levantada y repuesta por una mezcla nueva por parte cliente. Así, las especificaciones españolas sobre la unidad terminada que establecen que debe existir una compactación mínima del 98% para capas superiores a 6 cm y del 97% para capas de menor espesor, encajarían en el gráfico de control propuesto. En cambio, la relación mínima exigida actualmente en México del 95% estaría fuera del gráfico, dando a entender que es insuficiente.

6.2 VERIFICACIÓN DEL CONTROL DE CALIDAD PROPUESTO Para saber si el método de control y los rangos propuestos son los adecuados para asegurar que una mezcla es ejecutada de manera correcta, se ha procedido a aplicar lo visto a los testigos extraídos de obra.

42

LIMON/MIRO

En la tabla 6.4, se presentan los valores de módulo resiliente obtenido sobre las probetas de mezcla fabricadas en planta, los módulos resilientes de los testigos de obra, los módulos resilientes corregidos de testigos de obra, los porcentajes de módulo retenido y los porcentajes de compacidad de las obras estudiadas.

Mezcla

Densidad (g/cm3)

Obra 1 (Probetas) Obra 1 (Testigos) Obra 2 (Probetas) Obra 2 (Testigos) Obra 3 (Probetas) Obra 3 (Testigos) Obra 4 (Probetas) Obra 4 (Testigos) Obra 5 (Probetas) Obra 5 (Testigos) Obra 6 (Probetas) Obra 6 (Testigos) Obra 7 (Probetas) Obra 7 (Testigos) Obra 8 (Probetas) Obra 8 (Testigos) Obra 9 (Probetas) Obra 9 (Testigos) Obra 10 (Probetas) Obra 10 (Testigos) Obra 11 (Probetas)

2,317 2,288

Compacidad (%)

98,7

2,367 2,346

99,1

2,275 2,272

99,8

2,133 2,116

99,2

2,378 2,250

94,6

2,238 2,228

99,5

2,123 2,033

95,7

2,239 2,188

97,7

2,185 2,073

94,8

2,290 2,285 2,390

99,7

98,8

Módulo Resiliente (MPa) 1963

Módulo Resiliente corregido (MPa) 1963

1460

1514

4153

4153

3784

3923

3594

3594

3498

3594

3806

3806

3305

3427

4827

4827

1170

1213

3152

3152

2304

2388

4380

4380

2173

2252

2964

2964

2368

2455

4261

4261

3089

3203

3856

3856

3353

3476

4511

4511

Módulo Retenido (%)

77,1

94,4

100

90,0

25,1

75,7

51,4

82,8

75,2

90,1

89,9

43

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

Obra 11 (Testigos)

2,363

3913

4057

Tabla 6.4 Valores de módulos, porcentaje de módulo retenido y porcentaje de compacidad de las obras estudiadas

En la figura 6.5, se ha representado la relación entre el cociente entre el módulo corregido de los testigos y de las probetas de las obras estudiadas y el porcentaje de compacidad obtenido. Se puede observar que existe una obra con bonificación, cinco obras que están en el rango de aceptación, otras tres obras que se encuentran en el rango de penalización y, por último, dos obras que se encuentran en el rango de rechazo.

Figura 6.5 Gráfico de control de calidad de obra a partir del porcentaje de compacidad y la relación entre módulos de testigos y probetas

Los valores de la figura 6.5 se han comparado con los valores mínimos propuestos para la relación entre módulos.

Control de calidad a partir de los valores mínimos de relación entre módulos Si se aplican los valores mínimos de relación entre módulos después de su colocación y compactación, para su bonificación, aceptación, penalización y rechazo, se obtendría: Bonificación: obra 3 Aceptación: obras 2, 4, 8, 10 y 11 Penalización: obras 1, 6 y 9 Rechazo: obras 5 y 7

44

LIMON/MIRO

Control de calidad a partir de los valores mínimos de compacidad de acuerdo a la Normativa Española Si se aplica el porcentaje de compacidad exigido en la Normativa Española se obtendría: Aceptación: obras 1, 2, 3, 4, 6, 10 y 11 Penalización: obra 7 y 8 Rechazo: obras 5 y 9

Control de calidad a partir de los valores mínimos de compacidad de acuerdo a la Normativa Mexicana Si se aplica el actual criterio de control de calidad en México, (apartado 2.8.3.1), se obtendría: Aceptación: obras 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10 y 11 No Aceptación (*): obras 5 y 9

De acuerdo a este análisis, se pueden observar las diferencias que existen entre el método de control de calidad propuesto, encaminado a asegurar las propiedades mecánicas de la mezcla, y el método de control de calidad actual, basado solo en la densidad y no en las propiedades mecánicas: éste último acepta casi todas las obras, mientras que a partir del porcentaje de módulo resiliente retenido, casi la mitad de las obras se rechazan ó penalizan. Por ello, un control de calidad basado en las propiedades mecánicas que la mezcla asfáltica alcanza después de su colocación y compactación es de suma importancia para asegurar el adecuado comportamiento de la mezcla.

(*) No se menciona “Penalización” porque la actual Normativa Mexicana no considera este concepto cuando una mezcla asfáltica no alcanza los valores mínimos establecidos de porcentaje de compacidad.

7. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Conclusiones Las conclusiones de este estudio son:

1.- La determinación del módulo resiliente de las mezclas asfálticas permite determinar un parámetro relacionado con su cohesión. El módulo depende de la granulometría de la mezcla y de su compacidad, del tipo de agregado pétreo y del tipo y contenido de asfalto, siendo estos factores los que determinan la calidad de la mezcla.

45

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

2.- El ensayo para la determinación del módulo resiliente, a 20 °C, es suficientemente sensible para detectar variaciones en el módulo de las mezclas cuando se modifican las proporciones de sus componentes.

3.- Con respecto a las condiciones de ejecución, se ha evaluado el efecto de una compactación a bajas temperaturas, habiéndose observado que en esas condiciones, es posible conseguir una adecuada compacidad, aumentando suficientemente la energía de compactación, pero provocando a su vez una importante disminución en el valor de módulo resiliente, lo que supone una reducción de la calidad de la mezcla.

4.- Los resultados obtenidos sobre testigos obtenidos de las diferentes obras analizadas han demostrado que el módulo resiliente está relacionado con la compacidad de la mezcla, permitiendo de este modo conocer la calidad de una mezcla no sólo a través de sus propiedades volumétricas, sino también de sus propiedades mecánicas. Por ello, el actual método de control debe ser complementado con un ensayo que evalúe alguna propiedad mecánica, como es el módulo resiliente.

5.- El módulo resiliente está relacionado con la resistencia a fatiga de la mezcla. A partir de los módulos y de las leyes de fatiga obtenidas sobre testigos, y bajo determinadas hipótesis de cálculo, ha sido posible evaluar el efecto producido por la disminución del módulo en la vida del pavimento.

6.- Es posible mejorar el control de calidad habitualmente empleado, mediante el ensayo de módulo resiliente, ya que el actual parámetro de control de calidad, la densidad de referencia, no otorga una información concreta sobre el comportamiento de una mezcla asfáltica después de su colocación y compactación.

Líneas futuras de investigación Las líneas futuras de investigación son:

1.- Realizar un análisis más detallado del efecto de las variables de composición de las mezclas asfálticas sobre el módulo resiliente, ya que sólo se han estudiado betunes y agregado pétreos de la Republica Mexicana.

2.- Llevar a cabo un estudio más amplio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de la ejecución de las mezclas asfálticas a través de los criterios propuestos para 46

LIMON/MIRO

comprobar si los rangos establecidos en este estudio son los adecuados para aceptar o rechazar una obra, ya que hasta el momento sólo se han estudiado mezclas utilizadas en la Republica Mexicana.

3.- Corroborar con mayor número de mezclas, tanto de laboratorio como de campo, la relación entre el módulo resiliente y el desempeño a fatiga, especialmente a distintas temperaturas.

BIBLIOGRAFÍA 1. Martínez, A. Aseguramiento de la calidad de mezclas asfálticas mediante la aplicación del ensayo de tracción indirecta en el control de su ejecución. Tesis doctoral, Tutor: Félix Pérez Jiménez, Barcelona, España, 2000. 2. CEDEX Centro de estudios y experimentación de obras públicas. Normas españolas NLT, Ensayos de carreteras. Madrid, 1996. 3. Asphalt Institute. Principios de construcción de pavimentos de mezcla asfáltica en caliente. Serie de manuales N° 22 (MS-22), Asphalt Institute, Lexington, 1991. 4. Normas UNE, 2006. 5. Normativa de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, México, 2008. 6. Montgomery, E. Diseño de análisis de experimentos, Limusa Wiley, 2° edición, 2005. 7. AFNOR (Asociación Francesa de Normalización). Normativa para el control de calidad de mezclas asfálticas, 2007. 8. Baldai, C. y Kattar, F. Asphalt mix design and the indirect test: a new horizon. Asphalt concrete mix design: development of more rational approaches. ASTM STP 1041, W. Gartner Ed., American Society for Resting and Materials, 1989, pp. 86-105. 9. Boudreau R. y Hicks, R. Effects of test parameters on resilient modulus of laboratorycompacted asphalt concrete specimen. Transportation Research Record, 1992, pp. 46. 10. Huang, Y. Pavement analysis and design. Prentice Hall, Inc., New Jersey, 1993. 11. Kennedy, T., Roberts, F. y McGennis, R. Effects of compaction temperature and effort on the engineering properties of asphalt concrete mixtures. Placement and compaction of asphalt mixtures. ASTM STP 829, F.T. Wagner, Ed., American Society for Testing and Materials, 1984, pp. 48-66. 12. Lottman, R. Laboratory test method for predicting moisture-induced damage to asphalt concrete. Transportation Research Record 843, Transportation Research Board, National Research Council, Washington D.C., 1982, pp. 88-94. 13. Monismith, C., Finn, F. y Vallerga, B. A Comprehensive asphalt concrete mixture design system. Asphalt concrete mix design: development of more rational approaches, 47

CONTROL DE CALIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE

ASTM STP 1041, W. Gartner Jr., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1989, pp. 39-71. 14. Moreno, R. Efecto del equipo y procedimiento de medida en la determinación del módulo resiliente y resistencia a tracción indirecta de las mezclas asfálticas. Tesina de especialidad, Tutor: Adriana Martínez, Barcelona, España, 2005. 15. Wagner, F. T. Placement and compaction of asphalt mixtures. ASTM STP 829, Ed., American Society for Testing and Materials, 1984.

AGRADECIMIENTOS Al Dr. Felix Pérez y Dra. Adriana Martínez cuya ayuda y orientación ha sido especialmente oportuna y valiosa. También quiero agradecer a las empresas SURFAX y PACCSA por el apoyo recibido para la obtención de los resultados. En especial, al Ing. Ignacio Cremades y al Ing. Rafael Limón por todo el apoyo que me han brindado. Además quiero agradecer a las empresas que colaboraron de una u otra manera para la elaboración de este trabajo como son Agacel, Asfaltos Guadalajara, CCM, CYPSA VISE, Construcarr, Constructora Arcon, Grupo Escudero y Suelos y Control.

48

Comparativa de mediciones de ruido generado en carreteras con carpeta de pavimento rígido vs pavimento flexible. Guadalupe LÓPEZ, [email protected]; Daniel RANGEL, [email protected]. INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE – División de Laboratorios de Infraestructura: Grupo Mecánica de Suelos y Materiales Granulares. Resumen El ruido ambiental es el resultado de la suma del ruido generado por distintas fuentes y actores, entre los cuales podemos mencionar vehículos, tránsito, velocidad de conducción, tipo y condiciones de superficie de rodamiento, la existencia o no de barreras para la propagación o disipación de ruido incluso fauna y actividades urbanas, entre varios otros. El ruido generado por el tránsito vehicular en una carretera tiene tres fuentes principales: el contacto de la llanta con la carretera, el motor del vehículo y por el sistema de emisión de gases (sistema de escape) del mismo. El entendimiento y estudio de esta interacción proporciona conocimientos precisos sobre cómo se genera y claves para la mitigación del ruido. El ruido generado entre la interacción llanta – superficie (pavimento) es aun objeto de estudio en muchos países, sobre todo en la Unión Europea, sin embargo no así en México. El presente trabajo muestra un estudio comparativo realizado en campo donde se mide la intensidad – en niveles de Leq(A) – de ruido ambiental generado a través de sonómetro, debido al tránsito en carreteras para dos condiciones distintas de superficie (pavimento flexible y pavimentos rígidos), estableciendo el efecto de esta variable en la generación del ruido y su comparación con estándares internacionales de niveles de ruido permitidos en carreteras como un Índice Ambiental de Ruido (IAR). Palabras Claves: contaminación acústica; ruido llanta – pavimento; mitigación de ruido.

I.

INTRODUCCIÓN

Desde hace años, el ruido se ha convertido en un factor contaminante constante en la mayoría de las aglomeraciones urbanas, convirtiéndose en la actualidad en un grave problema a la salud humana con efectos fisiológicos, psicológicos, así como problemas económicos y sociales. El ruido se localiza entre los principales impactos ambientales del sector transporte de acuerdo a la OCDE. El ruido en carreteras es generado en conjunto por el sistema del vehículo que transita (motor, ventilador, escape, entre otros), por su movimiento (contacto de la llanta sobre pavimento) y el ruido aerodinámico que se produce por su paso. A las velocidades límites de las carreteras (80-110 Km/h) el ruido aerodinámico es despreciable, por lo que el ruido en movimiento se atribuye principalmente al sistema del vehículo y a la interacción llanta-pavimento. Esta interacción es determinante en el tránsito por carreteras, ya que mientras el ruido debido al sistema motor es relativamente constante e independiente de la velocidad, el ruido llanta-pavimento aumenta entre 8 y 12 dB(A) cada vez que se dobla la velocidad. Esto hace que a velocidades alrededor de los 50-60 Km/h la principal fuente de ruido es la del movimiento, y causante de la totalidad del ruido generado a velocidades superiores de 70-80 Km/h.

1

El impacto sonoro de una carretera es producto de los niveles de inmisión que se originan en su entorno en función del nivel emitido y de las condiciones de propagación entre emisor y receptor. La emisión sonora de una carretera depende de varios factores, siendo los elementos de mayor contribución en la generación del ruido por tránsito vehicular el motor, la rodadura y el ruido aerodinámico, y las variables como el numero de vehículos, la forma de conducción, entre otros. El impacto más fuerte se identifica en zonas próximas a las ciudades, por ser áreas donde la probabilidad de causar efectos a los receptores de la contaminación acústica, es mayor. El análisis sobre las propiedades, ventajas o desventajas del uso del concreto hidráulico sobre el empleo de carpetas asfálticas no es objetivo de este trabajo y esta fuera del alcance del mismo. El presente, sólo muestra los resultados de la medición de la generación de ruido en carreteras en carpeta asfáltica comparado con el generado en concreto hidráulico, así como su análisis como factor en la gestión integral del impacto ambiental en la infraestructura de caminos y carreteras.

II.

MARCO TEORICO

II.1 Generalidades II.1.1 Definición de Ruido y Nivel de Presión Sonora (Leq) El ruido es un contaminante físico que consiste en una mezcla compleja de sonidos de frecuencias diferentes, que produce una sensación auditiva considerada molesta o incómoda y que con el paso del tiempo y por efecto de su reiteración puede resultar perjudicial para la salud de las personas. Refiriéndonos solamente al campo de la acústica, es cualquier sonido espectro continuo complejo y que es percibido como molesto. Las presiones acústicas a las que el oído humano es sensible, varían en un intervalo muy amplio. Así, el umbral inferior de la audición humana (la presión acústica mínima que provoca una sensación auditiva) es de 2X10-5 pascales (Pa), y el umbral máximo es de alrededor de 20 Pa. La manipulación de valores que cubren éste campo varía tanto que se recurre a una escala logarítmica, utilizando el decibelio (dB) como unidad de medida. Un oído humano es capaz de percibir y soportar sonidos correspondientes a niveles de presión sonora entre 0 y 120 dB., este último marca el denominado umbral del dolor auditivo. El oído humano no es sensible de la misma manera a las diferentes frecuencias, así que se han definido una serie de filtros de ponderación para poder reflejar un nivel sonoro representativo de la sensación del ruido que realmente se recibe. Los filtros más conocidos son denominados A, B, C y D. El filtro utilizado en el dominio del ruido del transporte es el A, y los niveles de presión sonora utilizados se miden en decibelios A [dB(A)] y se menciona como “ponderación A”. El grado de exposición de los seres vivos a niveles de ruido altos en tiempos prolongados, ha resultado ser una causa grave en las afecciones a la salud humana y del deterioro de los ecosistemas naturales. Un indicador acústico ampliamente utilizado y al que se refiere la normativa en materia de ruido es el de nivel de presión sonora continuo equivalente: Leq(t). Éste 2

índice expresa la media de la energía sonora percibida por un individuo en un intervalo de tiempo, es decir, representa el nivel de presión que habría sido producido por un ruido constante con la misma energía que el ruido realmente percibido, durante el mismo intervalo de tiempo. Y se acompaña siempre de la indicación del período de tiempo al que se refiere. Existen otros índices acústicos estadísticos, como L10 y L50, que se refieren al nivel alcanzado o sobrepasado durante el 10% y el 50% del tiempo de medición, respectivamente. El L50 también se conoce como la mediana estadística y representa el ruido medio. II.1.2 Contaminación acústica Desde hace años el ruido se ha convertido en un factor contaminante constante en la mayoría de las ciudades, suponiendo en la actualidad un grave problema con efectos fisiológicos, psicológicos, económicos y sociales. Se trata equivocadamente como un mal menor, aunque es muy difícil de caracterizar; no es constante en el tiempo ni en el espacio, no amenaza la vida de las personas a corto plazo y no degrada el medio de modo tan evidente como lo hacen otros tipos de contaminantes. El principal causante de la contaminación acústica es la actividad humana. El ruido aparece como un problema de la contaminación acústica urbana, como consecuencia de la Revolución Industrial y del desarrollo de nuevos medios de transporte con el crecimiento de las ciudades. Fue en el año de 1972 cuando la Organización Mundial de la Salud (OMS) catalogó el ruido como una forma más de contaminación. Actualmente es considerado uno de los contaminantes ambientales más molestos y que más inciden sobre el bienestar de los ciudadanos, pero sigue siendo la contaminación la menor regulada de todas las existentes. El ruido es un contaminante cuya producción es la más barata y su emisión requiere muy poca energía. Su medición y cuantificación es compleja, además de no generar residuos, no produce un efecto acumulativo en el medio amiente aunque sí puede producirlo en el hombre. Su radio de acción es inferior al de otros contaminantes, ya que no se propaga mediante los sistemas naturales como otros contaminantes del aire que se dispersan por acción del viento. Por último, es percibido únicamente por el sentido del oído, esto hace que sus efectos como contaminante sean subestimados. Estudios realizados en diferentes países han demostrado que el 80% de la contaminación acústica es causada por el tráfico vehicular en las ciudades, debido a la mala distribución funcional del territorio y el desarrollo urbano disperso, esto ha llevado a la creación de una extensa red de calles y avenidas que enlazan las distintas zonas de la ciudad por las que circulan de forma constante e ininterrumpida los diferentes medios de transporte. Para cubrir las necesidades públicas, se ha producido un aumento exponencial de los medios de transporte y de su utilización, provocando un sensible incremento de los niveles de ruido de fondo en los ambientes exteriores, principalmente en los núcleos urbanos. A lo anterior, sumamos factores como el recubrimiento de los caminos que tiene influencia en el ruido que se genera.

3

La Organización Mundial de la Salud (OMS), manifiesta algunas afectaciones sobre la contaminación acústica, como lo son daños psicológicos, disminución de la concentración, afectación de manera negativa a la efectividad y la productividad; menciona también que puede aumentar la frecuencia de accidentes de trabajo, la irritabilidad y los estados histéricos y neuróticos, así como ocasionar síntomas fisiopatológicos como aceleración de la respiración y del pulso, aumento de la presión arterial, disminución del peristaltismo digestivo, problemas neuromusculares que ocasionan dolor y falta de coordinación, disminución de la visión nocturna, aumento de la fatiga, entre otros. Puede también ocasionar lesiones irreparables como la sordera que se va desarrollando de forma crónica y permanente. La OCDE establece niveles máximos recomendados para ruido en carreteras nuevas y existentes para día y para la noche en zonas donde que puedan afectar la salud humana debido a la contaminación acústica. Tabla 1. Niveles aceptables de ruido en carreteras propuestos por la OCDE. Leq (día) Carretera nueva 60 +5 dB(A)

Leq (noche) Carretera existente 65 +5 dB(A)

Carretera nueva 50 - 55 dB(A

Carretera existente 55 - 60 dB(A)

II.2 Generación de ruido por tránsito El ruido generado por el tráfico es una secuencia temporal de la suma de niveles sonoros variables emitidos por el ruido aerodinámico de los vehículos que transitan, las características de la superficie (ruido de rodadura) y el ruido que genera el vehículo (ruido motor). Las variaciones en la generación de la intensidad en cada una de estas fuentes depende de factores como la velocidad, el tipo de motor, la fricción al contacto con el suelo, etc. Por ejemplo, con el aumento de la velocidad, se tienen incrementos en el nivel sonoro siendo a altas velocidades (120 Km/h) donde cobra relevancia, sin embargo, el impacto en este es más bien dentro del vehículo que fuera del mismo. Se describe brevemente qué es el ruido de motor, el de rodadura y el aerodinámico, siendo de mayor interés para este estudio los dos primeros. - Ruido motor: Es el ruido generado por el conjunto de la admisión, el bloque de motor y el escape del vehículo. Es la fuente más obvia de contaminación acústica y ésta relacionada a los vehículos con motor de combustión interna. El ruido predomina a bajas velocidades y depende de la carga del motor y de la velocidad de giro. Con las innovaciones tecnológicas, el diseño de nuevos motores, especialmente en los vehículos ligeros, ha hecho que el factor de carga no tenga relevancia en el aumento del ruido que se genera, sobre todo a regímenes bajos de motor (ralentí). Sin embargo, es relevante en vehículos pesados y en motocicletas, y va en aumento conforme a los años de uso. 4

- Ruido de rodadura: Es el producido por el contacto llanta – pavimento, es apreciable y se considera relevante a partir de velocidades medias (40-60 Km/h); la intensidad depende de la velocidad del vehículo y se ve influenciado por el modo de conducción como frenado, aceleración y curvas. A parte de la velocidad, este ruido es principalmente condicionado por el contacto de la llanta con la superficie (pavimento). - Ruido aerodinámico: Es generado por la turbulencia del medio (aire) por el paso del vehículo. Es de importancia a velocidades mayores (>120 Km/h) y se manifiesta principalmente al interior del vehículo. La minimización de este tipo de ruido ha sido prioridad para la industria manufacturera de vehículos con muy buenos resultados. Se tienen otras contribuciones de ruido por los sistemas auxiliares, como lo son sistemas de ventilación, enfriamiento del motor, frenado, elevadores o sistemas de apertura de puertas (v.g. transporte público), etc. Sin embargo, estas fuentes no tienen un espectro ni una velocidad predominante, y tienen un efecto muy puntual en la generación de ruido. Dentro de estos podemos considerar también bocinas, sirenas y equipos de sonido (música). Estos sistemas no suelen considerarse en el cálculo de la emisión global del ruido por vehículos, aunque no se descarta que igualmente sean fuentes de contaminación acústica y generan molestias a quienes lo perciben. La OCDE manifiesta que existe un predominio del ruido generado por los medios de transporte en relación con las demás fuentes de ruido y, que dependiendo del desarrollo país en particular, entre el 15 y el 40% de la población está sometida a niveles de ruido superiores a 65 dB(A) procedentes del tráfico vehicular. Con lo que respecta al ruido por ferrocarriles es el 1,7% y al transporte aéreo, más del 1% de la población que está expuesta a estos niveles. Los reglamentos de la Administración Federal de Carreteras (FHWA, por sus siglas en ingles) en referencia al nivel de contaminación acústica en las autopistas/carreteras, requieren la realización de estudios sobre el ruido al construir autopistas nuevas o al cambiar o ampliar las ya existentes. Los estudios sobre el ruido ayudan a identificar zonas de actividad que pueden ser afectadas por el ruido del tráfico, determinando los niveles de sonido ya existentes y generan una base para la predicción de niveles en un futuro. En base a estos, se pueden evaluar maneras de reducir el impacto del sonido.

II.2.1 Ruido llanta – pavimento El ruido de rodadura es el generado de la interacción llanta – pavimento, y se caracteriza por tener distintas contribuciones en como se genera y en la propagación, pudiendo ocurrir fenómenos de amplificación o reducción. Existen tres fenómenos involucrados en la generación de este tipo de ruido: mecánicos y aerodinámicos. II.2.1.1 Fenómenos Mecánicos 5

Las vibraciones originadas por las excitaciones mecánicas de superficie sólidas, son la principal causa de la generación de la radiación acústica (sonido). La generación mecánica del ruido tiene dos componentes: vibraciones radiales y tangenciales (Figura 1), ambas originadas por los impactos y choques resultantes del contacto del perfil de la llanta y la superficie.

Figura 1. Excitación mecánica de la llanta por contacto con el pavimento

La dureza, tanto de la llanta como de la superficie de contacto, define el contenido de frecuencias de las fuerzas de excitación generadas. Este parámetro esta condicionado por el tiempo del contacto del choque y las vibraciones que se generan al contacto. Cuanto mas rígidas sean las superficies el tiempo de contacto será menor, por lo que el rango de frecuencia de las fuerzas de excitación generará ruido con un contenido de frecuencia más ancho. Un aspecto importante es la capacidad de amortiguamiento que tiene el material que conforma la llanta, ya que a mayor amortiguamiento, menor será el movimiento que tendrán las superficies vibrantes y menor el ruido generado. Con respecto al pavimento, se ha encontrado que la textura de este (Sandberg, 1980) tiene una relación directa con el nivel de ruido emitido para bajas frecuencias y texturas entre 10 y 500 mm. Para texturas entre 0.5 y 10 mm la relación entre el nivel de ruido a altas frecuencias y la textura también guardan proporción para en manera inversa, es decir, a más textura menos ruido. II.2.1.2 Fricción Dentro de los fenómenos mecánicos están los de fricción. Los procesos de fricción tienen que ver con la adhesión entre el pavimento y la llanta. Es un proceso mecánico que presenta fenómenos donde ocurren fenómenos de adhesión y fricción debido a los movimientos en micro escala que presentan la figura o huella de la llanta al contacto con el pavimento generando ruido que contribuye al de la rodadura llamados stick-slip y stick-snap. Figura 2. El efecto stick-slip se asocian a mecanismos de fricción, por lo que las superficies con coeficientes de fricción mayores suelen tener incrementos de nivel de ruido debido a este fenómeno. Al contrario, los efectos de stick-snap están asociados a mecanismos de adhesión, por lo que

6

mayores rugosidades disminuyen la probabilidad de que ocurran estos fenómenos y por tanto el ruido generado puede ser menor.

Figura 2. Excitación mecánica de la llanta por contacto con el pavimento

II.2.1.3 Fenómenos Aerodinámicos La contribución de tipo aerodinámico se relaciona con el flujo de aire impulsado durante el movimiento de la rueda y la interacción de las cavidades en el perfil de la llanta. Figura 3.

Figura 3. Flujo de aire por la compresión de las cavidades en la llanta.

Uno de los mecanismos más importantes (Kuijpers, 2001 y Sandberg, 1980) en la generación de ruido es la compresión del aire impulsado por el movimiento de la llanta y dirigido hacia el suelo. Este fenómeno se conoce como “air pumping” y es condicionado por la resistencia del pavimento al paso del aire a través de él. La llanta, en su movimiento de avance se comporta como una bomba que comprime el aire contra la superficie plana que forma el pavimento. Cuando el pavimento es muy denso (reflectante) la presión que alcanzan estos puntos aumenta y por lo tanto el nivel de ruido generado es mayor que si el pavimento tuviera una menor resistencia al paso del aire a su interior. Esto es lo que ocurre con los asfaltos porosos, y es la razón por la que disminuyen el ruido. 7

Otra contribución al ruido aerodinámico es la resonancia del aire dentro de la llanta (resonancia de Helmholz), donde el volumen del aire que existe en el interior del neumático actúa como muelle comprimiendo la masa de aire que existe entre la cavidad interior y el aire exterior. Su contribución depende del tamaño de la llanta y de las dimensiones de la rueda. Por último, también se tienen una contribución por parte de los canales dispuestos en la huella de la llanta para el drenaje de agua. Estos canales simulan los conductos de una flauta, y producen sonido en virtud a su longitud. Generalmente, las distribuciones asimétricas de los canales y figura de la huella de la llanta hacen que la energía sonora no se concentre en una frecuencia sino que se disperse a rangos más amplios. II.2.2 Textura y regularidad superficial. El pavimento tiene dos propiedades relacionadas estrechamente con la generación de ruido, una es la textura y otra es su regularidad superficial. Sobre la textura encontramos que esta se divide en tres: la microtextura (irregularidades menores a 0.5 mm), la macrotextura (irregularidades entre 0.5 a 50 mm) y la megatextura (mayor a 0.5 m) contraste, el pavimento de asfalto de drenaje usa una mezcla de asfalto nivelado abierto, la cual elimina los aglomerados de la gradación intermedia para obtener una mayor mezcla de porosidad. Figura 4.

Figura 4. Relación del ruido con la porosidad de la superficie. La microtextura es necesaria para conseguir una buena adherencia. La macrotextura es necesaria para mantener esa adherencia a altas velocidades o con el pavimento mojado. La macrotextura mejora también la visibilidad con pavimento mojado, elimina o reduce los fenómenos de reflexión de la luz, que tienen lugar en los pavimentos lisos mojados, y mejora la percepción de las marcas viales. Por contra, los pavimentos rugosos, con fuerte macrotextura, producen un mayor desgaste de los neumáticos y suelen resultar ruidosos. La megatextura y la irregularidad superficial resultan indeseables. Inciden negativamente sobre la comodidad y aumentan el ruido de rodadura, los gastos de mantenimiento de los vehículos y los gastos de conservación de la vía. Figura 5. 8

Figura 5. Clasificación del perfil según AIPCR.

II.3 Pavimentos baja sonoridad o silenciosos El término de pavimento silencioso es referido a cualquier pavimento que produce menos ruido que algún otro debido al tránsito sobre el mismo. Los pavimentos silenciosos no se limitan a asfaltos o concretos, pero sí a la incorporación de prácticas conocidas para hacerlos más silenciosos. Tradicionalmente los pavimentos han sido diseñados y construidos para incorporar tres factores importantes: seguridad, durabilidad y costos, los factores ambientales como la generación de ruido no habían sido incluidos en este balance.

Figura 6. Rango de ruido y diferentes superficies de pavimento.

9

Lo que hace a un pavimento silencioso o ruidoso son dos componentes primordiales, la textura y la porosidad (Figura 6). La textura debe de ser aplanada o negativa con respecto a la superficie de rodamiento. Como regla, la textura que tenga cualquier pavimento presentado como silencioso debe de ser orientada negativamente (puntos abajo). El desempeño del ruido de un pavimento es medido a través de dos métodos comúnmente utilizados, uno es el On-board sound intensity (OBSI, por sus siglas en inglés) (Figura 7) y el otro es sobre el borde del camino (Figura 8). La metodología OBSI mide el ruido a centímetros de donde se produce por el contacto de la llanta con el pavimento y es más enfocado a la generación de ruido por esta interface. Y la metodología sobre el borde del camino, mide los niveles de ruido a 7.5 m hasta 15 m desde la línea central del carril exterior y los niveles que se miden son representativos de quienes son sometidos a los niveles de ruido que se generan en conjunto por el flujo de vehículos en la carretera. Ya que permite evaluar el ruido debido al contacto entre el neumático y la superficie de la carretera a una distancia lejana, de esta forma además de valorar la generación se valora la propagación acústica.

Figura 7. Sistema On-board sound intensity (OBSI).

Figura 8. Mediciones sobre el borde del camino.

10

III.

METODOLOGÍA

Se realizaron mediciones en campo sobre cinco puntos, en los cuales se realizaron monitores en ambos sentidos de la vialidad. Dos puntos corresponden a carreteras con pavimento rígido (carpeta de concreto hidráulico) y tres a carretera con pavimento flexible (carpeta asfáltica). En la Tabla 2 se muestran los puntos correspondientes y la referencia geográfica de cada estación de monitoreo. La medición se realiza de manera directa a través de sonómetro de precisión en tripié estándar a una distancia de 7,5 m del hombro de la carretera y a una altura de 1,5 m respecto al eje de la misma; se emplea una pantalla antiviento (windscreen) y se dirige el micrófono del sonómetro hacia la fuente (Figura 7). Tabla 2. Localización de los puntos de muestreo de ruido en carretera. PUNTO 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B

CARRETERA MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo A MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo B MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo B MÉXICO - QUERÉTARO Cuerpo A QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo B QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo A QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo B QUERÉTARO - SAN LUIS POTOSÍ Cuerpo A QUERÉTARO IRAPUATO Cuerpo B QUERÉTARO IRAPUATO Cuerpo A

Km Ruta 201

57

201

57

193

57

193

57

26

57

26

57

10

57

10

57

9

45

9

45

COORD. 20°34'15,26"N 100°17'22,72"O 20°34’17,79”N 100°17’23,07”O 20°33'39,76"N 100°13'59,63"O 20° 33’41,50”N 100°13’59,08”O 20° 4 7’54,92N 100°26’ 53,61O 20°47’55,5”N 100°26’55,66”O 20°40'27,19"N 100°26'02,05"O 20°47’03,78”N 100°23’48,43”O 20°32'21,04"N 100°28'23,61"O 20°32’20,08”N 100°28’24,07”O

PAVIMENTO RÍGIDO (Concreto Hidráulico) RÍGIDO (Concreto Hidráulico) RÍGIDO (Concreto Hidráulico) RÍGIDO (Concreto Hidráulico) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto) FLEXIBLE (Asfalto)

Se tomaron lecturas del Leq de 60 s, en horario continuo desde las 09H00 hasta las 16H30, para intervalos de 1 hora y de 30 minutos en su caso. Estas lecturas se integran y conforman los Leq(total) para las 7.5 h. El equipo de medición acústica utilizado en las mediciones es un sonómetro de precisión marca Brüel & Kjaer, modelo 2238, con un rango de medición de 20 a 100 dB(A); calibrado para la norma mexicana NMX-AA-059-1978 “Sonómetros de Precisión”. Las ubicaciones de las estaciones de monitoreo se establecieron en puntos con al menos 700 m lejos de curvas, salidas o incorporaciones a la carretera y cruces con otras vialidades en ambas direcciones con respecto a la estación. También se evito tener pendientes ascendientes o 11

descendientes bruscas o fuertes en el terreno. Esto último para evitar posible variaciones en la velocidad, frenado o aceleración del tránsito y tener contribuciones por alguno de estos factores.

Figura 9. Posición de la estación del sonómetro con respecto a la carretera. Dado a que se emplea un sonómetro de precisión calibrado se considera una variación menor a + 5 dB en las mediciones registradas y se consideran como períodos continuos de 7.5 horas. La precisión sonora del sonómetro empleado es de hasta 0.5 de decibel (dB). Se evitó realizar mediciones bajo condiciones climáticas adversas como lluvia o viento fuerte (velocidad media entre 41 y 70 Km/h).

IV.

RESULTADOS

IV. 1. Mediciones Para cada punto se promedia el Leq obtenido para el periodo continuo muestreado y se promedia entre ambos sentidos para obtener un valor de Leq por punto. La Tabla 3 muestra en resumen de los promedios de Leq(total), L10, L50 en dB(A) de los valores obtenido para los cinco puntos monitoreados así como las condiciones en que se realizó el muestreo de ruido. Los puntos nombrados 1 y 2 son puntos en tramos de carretera con carpeta de rodamiento de pavimento rígido (concreto hidráulico) y los puntos 3, 4 y 5 de pavimento flexible (carpeta asfáltica). 12

Tabla 3. Condiciones de monitoreo y resultados de Leq, L10, L50 y L90. Punto 1

Numero de carriles 3

Temp. Amb. °C 24°

Velocidad del viento 19 Km/h NNE

Leq total dB(A) 81.08

L10 dB(A) 82.1

L50 dB(A) 81.1

L90 dB(A) 79.4

2

3

27.7°

23 Km/h W

78.12

79.5

78.1

76.4

3

2

26.5°

8 Km/h SE

71.36

74.1

71.2

67.8

4

2

28.4°

11 Km/h ENE

74.35

76.0

74.1

72.1

5

2

20°

14 Km/h WNW

73.30

75.6

73.3

70.3

IV. 2. Efectos del tipo de pavimento En la Tabla 4 se muestran los niveles de ruido en promedio para los tipos de pavimento. La Figura 10 presenta el gráfico de barras donde se observa la diferencia entre las carreteras de concreto hidráulico (rígido) y las de asfalto (flexible) para los puntos correspondientes. Se observa para todos los casos que los Leq en los puntos establecidos en carreteras de pavimento rígido son superiores a los registrados en carreteras en pavimento flexible, existiendo casos donde esta diferencia es de hasta 7.8 dB(A). Tabla 4. Comparación niveles de ruido entre tipos de pavimentos Tipo de Pavimento Rígido Flexible Diferencia

dB

Leq(total) 79.60 73.00 6.60

L10 80.80 75.23 5.57

L50 79.60 72.87 6.73

L90 77.90 70.07 7.83

Niveles de ruido con respecto al pavimento

82.0 80.0 78.0 76.0 74.0 72.0 70.0 68.0 66.0 Leq

L10 Rígido

L50

Flexible

Figura 10. Niveles de ruido registrados en pavimentos Flexible y Rígido. 13

IV. 3. Relación con el TDPA Dado que el flujo y la composición vehicular son factores que también influyen en los niveles de la generación de ruido, se relaciona en la Tabla 5 con el TDPA total (considerando toda la composición vehicular) y con TDPA pesado, considerando solo camiones tipo C2, C3, C4, C3R2 T2S1, T2S2, T3S2, T2S1R2, de acuerdo a la clasificación y los datos de Datos Viales para el Estado de Querétaro del 2009.

Tabla 5. Comparación niveles de ruido entre tipos de pavimentos Tipo de Pavimento Leq (total) Rígido Rígido Flexible Flexible Flexible

85.2 88.2 80.7 79.4 78.4

L10

L50

TDPA total

TDPA pesado

86.1 89.4 83.0 82.0 81.6

85.0 87.8 80.0 79.5 77.0

44 654 48 344 26 961 32 802 16 804

15 373 15 058 7 123 12 098 3 289

% TDPA pesado 31% 35% 28% 20% 23%

Niveles de ruido y TDPA total 84

Pavimentos Flexibles

Pavimentos Rígidos

82 80 78

dB

76 74

Leq

72

L10

L50

70 68

66 64 20300

26880

36660

47802

48804

TPDA

Figura 11. Niveles de ruido por tipo de pavimentos y el tránsito total de vehículos. 14

Relación Leq y TDPA pesado 100 95 y = 0.6289x + 65.195 R² = 0.8488

Leq (dB)

90 85

% TDPA pesado

80

Lineal (% TDPA pesado)

75 70 65 15

20

25

30

35

40

Porcentaje de TDPA pesado

Figura 12. Relación de niveles de ruido y la composición de vehículos pesados. El flujo del tránsito (o intensidad del tránsito), entendido como el número de vehículos que circulan por un lapso de tiempo, tiene una incidencia directa en el ruido. Para flujos no saturados (donde los vehículos circulan en forma más o menos independiente entre sí) se cumple que por cada aumento al doble del flujo hay un incremento de 3 dB en el nivel. Cuando el flujo se empieza a saturar, es más difícil maniobrar, por lo que la velocidad promedio disminuye junto con los niveles de ruido.

IV. 4. Indicador ambiental de ruido El indicar ambiental de ruido propuesto se basa en el indicador acústico Leq(total) y es referido a los niveles que la OMS recomienda para el ruido de día. Corresponde a la relación del Leq(total) con respecto al límite en carreteras existentes para el día:

IAR 

Leq(total ) 65dB( A)

Los índices ambientales de ruido son como se muestran en la Tabla 5 para pavimento flexible y para rígido.

15

Tabla 6. Índices ambientales de ruido (IAR) Tipo de Pavimento

Leq (total)

IAR

Rígido Flexible

79.6 72.2

1.2 1.1

En el caso del TDPA pesado, los coeficientes de correlación para Leq(total) son de 0.8301, L50 de 0.7892 y L10 de 0.7542. En este caso, un aumento en la composición de vehículos pesados se refleja de manera distinta en los niveles de ruido, sin embargo los hace de manera significativa. Si existiera un incremento de 5000 vehículos el Leq(total) aumentaría hasta 4dB; 3,5dB en el L50 y 2,5 dB en L10. V.

CONCLUSIONES

Los niveles de ruido registrados en carreteras con pavimentos rígidos (concreto hidráulico) presentan niveles Leq(A) hasta 7.3 dB superiores a los registrados en carreteras cuyos recubrimientos son de pavimentos flexibles (carpetas asfálticas). Esto era de esperase debido a las características y propiedades de ambos pavimentos. Sin embargo, también observamos que la composición vehicular juega un papel importante en los niveles de la generación de ruido, donde por cada 5 % que aumente la composición de vehículos pesados que circulan en cualquiera de los dos tipos de pavimentos podemos esperar un aumento de hasta 3 dB en la generación de ruido. En el caso de carreteras con pavimentos rígidos, el Índice Ambiental de Ruido (IAR) muestra que la intensidad de ruido generado es cerca de un 20% superior a los límites recomendados por la OMS para carreteras existentes, y de un 10% en pavimentos flexibles. Las prácticas más utilizadas actualmente para la mitigación de ruido en carreteras es la de construir barreras para reducir sus efectos y aislar el ruido generado de las áreas que puedan verse afectadas. Algunos casos plantean el control del tránsito, límites de velocidad, y en mucha menor medida la modificación o la construcción de carreteras alternas por los costos que esto implica. Estas prácticas son consideradas medidas de “fin de tubo” ya que tratan de mitigar con los niveles de contaminación, en este caso ruido, una vez que ya se ha generado. Los resultados obtenidos en el presente trabajo evidencian la necesidad de desarrollar pavimentos seguros, de calidad pero más confortables y menos contaminantes al medio, como una medida eficaz en la mitigación del ruido antes que este se genere. Los pavimentos silenciosos o de baja sonoridad se consiguen con estructuras de vacíos y texturas superficiales que permitan absorber el ruido. Actualmente hay mucho interés para el desarrollo de los mismos como alternativas a la construcción de barreras acústicas, que han ido aumentando en especial en las carreteras urbanas.

16

Desarrollando pavimentos silenciosos y aplicándolos en la construcción de nuevos caminos y el mantenimiento de carreteras existente podemos contribuir a reducir los impactos generados por la infraestructura carretera en el país.

VI.

REFERENCIAS

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17

Seguimiento de experiencias en la implementación con protocolo AMAAC: 2009-2013 Diana Berenice López Valdes PACCOSA [email protected] México

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes. Juan Fernando Mendoza Sánchez – Instituto Mexicano del Transporte – [email protected] Luis Felipe Romero González – Instituto Mexicano del Transporte – [email protected] Rodolfo Téllez Gutiérrez – Instituto Mexicano del Transporte – [email protected]

Resumen

Introducción

Este artículo describe los efectos que el estado superficial de un pavimento genera como impactos al medio ambiente, particularmente el ruido y las emisiones.

La textura de los pavimentos tiene especial importancia como un elemento para describir el estado en que se encuentra una carretera, en términos de las irregularidades presentes en un pavimento.

La investigación muestra los resultados de cómo el estado superficial de una carretera, medido en términos de su índice de rugosidad internacional (IRI) y según la clasificación de estado superficial en México de los caminos contribuye a la generación de emisiones contaminantes.

Dichas condiciones superficiales definen principalmente aspectos de seguridad y confort para los usuarios de una carretera, de acuerdo a diferentes escalas y parámetros, como el IRI (ver figura 1).

Para la realización de la estimación de emisiones se desarrolló una metodología basada en la utilización de la herramienta informática HDM-4, la cual incluye las variables más importantes, derivadas del medioambiente, del camino y del vehículo. Los resultados muestran la cantidad de las emisiones que se generan un tramo tipo (emisiones de hidrocarburos, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, partículas, dióxido de carbono y óxido de azufre), y tipo de vehículo. Palabras Clave: estado impacto ambiental, vehiculares.

superficial, emisiones

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

Figura 1. Escala del índice de rugosidad internacional

1

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

En México la condición del camino se evalúa según se muestra en la tabla 1 y se correlaciona conforme al IRI. Tabla 1. Clasificación del superficial de las carreteras Condición del camino Bueno Satisfactorio (regular) No satisfactorio (malo) Fuente: DGCC, SCT.

estado

IRI (m/km) Pavimento asfáltico

<2.8 2.81-4.2 >4.2

De acuerdo a los diferentes estados del pavimento, los impactos al componente ambiental aire pueden ser más o menos significativos. En este sentido la operación del transporte al transitar por las carreteras generan impactos negativos al medio ambiente, dicha operación vehicular contribuye a la contaminación atmosférica (calidad del aire) por la generación de emisiones, así como daños a la salud pública por los efectos sonoros adversos del contacto llanta-pavimento. La investigación se centra en la influencia del estado superficial en la emisión de gases contaminantes, y como la condición del camino podría ayudar a la reducción de emisiones. Las emisiones vehiculares son una gama de contaminantes que afectan al medio ambiente; hoy existe el reto y la prioridad de disminuir las emisiones de GEI que contribuyen al cambio climático y que son acciones prioritarias dentro de los planes y programas ambientales nacionales e internacionales. Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

En las últimas décadas ha sido más evidente la importancia de medir la contribución de las emisiones de gases invernadero y su efecto al calentamiento global. En el sector transporte, las emisiones de gases invernadero tienen su fuente principal en la emisión de CO2 por la quema de combustibles, lo que se relaciona directamente con el uso de energéticos. La realización del monitoreo ambiental usualmente se apoya en los inventarios de emisiones, que son herramientas útiles para detallar e identificar las diferentes fuentes de emisión y la contribución de diferentes sectores. Los inventarios cuentan con estimaciones de emisiones confiables e información que puede utilizarse en la gestión y monitoreo de la calidad del aire, ya que puede ser trazable en el tiempo y actualizable. Existen diferentes maneras de llevar a cabo los inventarios de emisiones en carreteras, los parámetros más comúnmente empleados son: el número de vehículos y su nivel de actividad, donde se incluye el kilometraje que recorre la unidad y el consumo de combustible promedio; las velocidades de operación; patrones de arranque y longitudes de viaje; tecnología vehicular y edad de la flota vehicular; factores de emisión, los cuales se encuentran incorporados en diferentes modelos como el HDM-4, el cual además permite incorporar el IRI en los datos de entrada para la estimación de emisiones.

2

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

como obtener la información ambiental de la zona donde se ubica el camino. La etapa 2 es la alimentación del modelo HDM-4 y realizar los análisis necesarios con el modelo. Finalmente la etapa 3 considera los resultados de las emisiones derivadas del análisis del modelo. Como procesos alternativos se maneja el aseguramiento de la calidad de acuerdo a los estándares establecidos y finalmente se definen los resultados finales.

Metodología para la estimación de emisiones en carreteras La metodología planteada para la estimación de emisiones en carreteras se basa en tres etapas, conforme se muestra en la figura 2. El mayor trabajo se presenta en la primera de ellas, donde se requiere recopilar la información de los datos del tránsito, obtener la información de la geometría del camino, caracterizar la flota vehicular que circula en él, así

Datos del tránsito

Geometría del camino Datos de entrada

Datos ambientales

Caracterización del parque vehicular Modelo de emisión (HDM-4)

Estimación de emisiones

Datos de salida

Estado superficial

Emisiones (HC, NOx, SO2, CO, CO2, PM)

Aseguramiento de la calidad

Resultados Ton*Km*1000Veh veh

Figura 2. Metodología para la estimación de emisiones de vehículos automotores que circulan en carreteras. El HDM-4 es un modelo computacional que simula condiciones económicas y físicas a lo largo de un periodo, para una serie de especificaciones y escenarios definidos en la gestión de redes carreteras. El Subsistema de Efectos Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

Ambientales (SEA) es parte de unos de los tres submodelos que lo integran. Este submodelo consta a su vez de tres partes para la estimación de contaminantes ambientales: emisiones de vehículos, balance energético y ruido. 3

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

El análisis realizado en este modelo es con base en una flota de vehículos representativos, los cuales muestran características que pueden ser consideradas como representativas del total de vehículos.

Con los reportes que arroja el modelo se pueden manejar la información para presentarla en gráficas o tablas.

Los contaminantes criterio estimados dentro del modelo son seis: hidrocarburos, óxidos de nitrógeno; dióxido de azufre; monóxido de carbono; y las partículas suspendidas PM (partículas en suspensión) y dióxido de carbono.

Para aplicar la metodología y realizar la estimación de emisiones, se eligió un tramo carretero del estado de Querétaro. La información de entrada se obtuvo de diversas fuentes para la estimación de emisiones, tales como la geometría horizontal del camino, las longitudes, y especificaciones geométricas, la geometría vertical se obtuvo de planos de elevaciones con uso de herramientas de sistemas de información geográfica; la caracterización de la flota vehicular se realizó mediante encuestas aplicadas en las rutas que conforman éste estudio. En cada caso en particular se consideraron condiciones óptimas para que analizar únicamente el efecto del estado superficial del pavimento, el cual fue establecido conforme a la tabla 1.

Con el uso del módulo ambiental para estimar la cantidad de emisiones integrado en el HDM-4, se tiene la posibilidad de conocer la cantidad de emisiones generadas en una red carretera o segmento de la misma, por la operación del transporte que circula sobre ella. Además de las emisiones anuales totales y por vehículo, la variación anual neta de las emisiones como consecuencia de las distintas obras y alternativas de construcción con un caso base (sin proyecto o mínimo), que normalmente representa el estándar mínimo de conservación rutinario, puede también ser analizada con el HDM-4. Una vez realizado el análisis, el modelo permite generar tres tipos de reportes:   

Emisiones anuales por vehículo Resumen de emisiones anuales Cambio neto anual en emisiones

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

Estimación de emisiones

Los resultados se muestran en la tabla 2 para tres clasificaciones vehiculares únicamente: vehículos ligeros (A), autobuses (B) y Camiones (C). En la tabla se puede observar la cantidad emisiones emitidas a la atmósfera en gramos por kilómetro al año, conforme a los tres diferentes niveles de clasificación del estado superficial de acuerdo a la Dirección General de Conservación de Carreteras de la SCT (DGCC).

4

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

Tabla 2. Emisiones por clasificación vehicular tipo A, B y C, en gramos por kilómetro emitido anualmente de acuerdo al estado superficial VEHÍCULO ESTADO BUENO SATISFACTORIO NO SATISFACTORIO

VEHÍCULO ESTADO BUENO SATISFACTORIO NO SATISFACTORIO

VEHÍCULO ESTADO BUENO SATISFACTORIO NO SATISFACTORIO

HC 2,408.47 2,445.77 2,457.17

CO 19,303.15 19,571.18 19,657.18

HC 898.29 898.01 905.72

CO 2,329.22 2,354.22 2,362.36

HC 4,893.54 4,940.17 4,980.65

CO 32,371.58 32,675.03 32,922.61

A NOx PM 3,065.66 5.46 3,129.16 5.50 3,146.45 5.52 B NOx PM 5,188.01 245.57 5,262.72 250.24 5,272.09 250.16 C2, 3, 4 NOx PM 5,585.16 22.91 5,635.42 23.13 5,795.65 24.95

CO2 203,781.97 206,376.28 207,243.27

SO2 15.54 15.74 15.81

CO2 416,446.22 423,125.75 423,563.56

SO2 82.11 83.43 83.51

CO2 293,227.19 295,441.31 297,116.72

SO2 57.81 58.25 59.99

Fuente: Elaboración propia.

Para cada tramo se obtuvieron las emisiones de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), partículas (PM), dióxido de carbono (CO2) y dióxido de azufre (SO2). Con respecto al tipo de combustible empleado por el parque vehicular, se considera solamente los vehículos de gasolina y diesel. El tipo de pavimento considerado es asfáltico.

La gráfica 1 muestra la línea de tendencia de las emisiones de CO2, principal gas precursor del cambio climático. Tendencia de las emisiones de CO2 en vehículos tipo A 208,000.00 207,000.00 206,000.00 205,000.00 204,000.00

Interpretación de resultados Los resultados de las emisiones muestran que al verse deteriorado el estado superficial del camino, las emisiones comienzan a crecer para los tres diferentes tipos de vehículos y para los diferentes contaminantes estudiados, aunque el crecimiento depende de la aportación que tienen cada uno de ellos a la atmósfera. Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

203,000.00 202,000.00

Gráfica 1. Emisiones de CO2 para vehículos tipo A, de acuerdo al estado superficial del camino (gr/Km anuales) 5

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

La aportación de cada contaminante depende diferentes factores en la combustión automotor. La gráfica 2 muestra la contribución de cada gas para los vehículos tipo A. 250,000.00 BUENO

200,000.00 150,000.00

SATISFACTORIO

100,000.00 NO SATISFACTORIO

50,000.00

HC CO NOx PM CO2 SO2

0.00

A

Gráfica 2. Emisiones para vehículos tipo A, de acuerdo al estado superficial del camino (gr/Km anuales) En todos los casos las emisiones tienden a aumentar cuando el estado superficial del camino pasa de un nivel bueno a un satisfactorio, y aún más cuando está en un nivel no satisfactorio.

Conclusiones Desde el punto de vista ambiental el mejoramiento de las carreteras contribuye directamente a la reducción de emisiones contaminantes. El uso de importante emisiones, cuenta la software a

herramientas informáticas es para la estimación de por lo que deberá tomarse en posibilidad de adecuar el las condiciones del lugar del

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

estudio. El uso del HDM-4 es básico ya que se encuentra desarrollado para la gestión de carreteras, y no tiene consideraciones urbanas como otros modelos, de esta manera la información de entrada de la herramienta va directamente a elementos propios de una carretera. El uso potencial de la información del presente estudio se puede dar de diversas maneras:  Contar con información de la cantidad de emisiones que se generan en la red carretera de un estado o del país, con fines de elaboración de estrategias relacionadas con el cambio climático, ya sean políticas de mitigación o de adaptación.  Incluir en las estrategias de conservación la variable ambiental “emisiones generadas” al definir la acción de conservación a implementar, ya que de acuerdo a cada acción de mejora establecida en el HDM-4 se obtienen más o menos emisiones.  Reportar el ahorro de emisiones por la mejora del estado del camino que se le realice a la red de carreteras. La cual podría tener ventajas a nivel país participando en el mercado de bonos de carbono y obtener recursos para la mejora de la infraestructura vial  Identificar puntos críticos donde se generan actualmente un número significativos de emisiones, de tal manera que se pueda conocer la 6

Influencia del estado superficial del pavimento en la generación de emisiones contaminantes

causa y proponer alternativas de solución, que podría ser la mejora de la geometría del camino, el estado superficial del pavimento, la conceptualización de rutas alternas, entre otras.  Eficiencia en el consumo de energía de los vehículos, identificando las zonas de mayor consumo energético, para establecer acciones de ahorro de energía.  Establecer rutas vulnerables, donde los vehículos mayormente contaminantes no les sea posible circular en zonas de alto valor ambiental. Finalmente se espera que esta investigación influya en las políticas

Mendoza, J.F.; Romero, L.F.; Téllez, R.

públicas en materia de conservación vial para la reducción de gases de efecto invernadero y pueda en un futuro formar parte del programa sectorial de comunicaciones y transportes contra el cambio climático

Bibliografía Mendoza, J.F. et al. Inventario de emisiones en carreteras. Publicación Técnica No. 339 Instituto Mexicano del Transporte. Qro, México. (2010) Mendoza, J.F. et al. Reporte nacional “Mitigando el cambio climático en las carreteras” XXIV Congreso Mundial de la Carretera. México, DF (2011)

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APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS TIBIAS EN MÉXICO ING. ÁLVARO GUTIÉRREZ MUÑIZ Departamento de Asfaltos de QUIMIKAO, México [email protected]

VIII Congreso Mexicano del Asfalto 27 al 31 de Agosto, 2013 Cancún, Quintana Roo

RESUMEN

Las mezclas asfálticas “Tibias” o “Warm Mix Asphalt”, constituyen un grupo de tecnologías las cuales pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas, colocadas y compactadas sin afectar las propiedades reológicas del asfalto y la mezcla en la etapa de servicio; esta reducción de temperatura de mezclado y compactación puede variar dese los 10° hasta los 50°C dependiendo de la tecnología empleada. Las ventajas de las mezclas asfálticas “Tibias” al reducir las temperaturas en la etapa de mezclado y compactación son muy amplias, ya que podemos obtener mezclas con bajos porcentajes de vacíos y altas densificaciones, podemos tener un mayor margen de horario de trabajo para colocar las mismas, podemos reducir la cantidad de energía utilizada y otras más, siendo la principal la reducción de la oxidación del asfalto, ya que la mayor velocidad de oxidación del mismo ocurre precisamente en la etapa de mezclado y compactación fomentada por la alta temperatura y la pequeña capa de asfalto que cubre el agregado en contacto con el oxígeno del medio ambiente, al reducir la temperatura reducimos la velocidad de oxidación incrementando la vida del asfalto en el pavimento al hacerlo menos rígido.

En este trabajo mostramos nuestras experiencias de tres aplicaciones en campo de mezclas asfálticas tibias realizadas en diferentes sitios del país. En cada una de estas tres aplicaciones se modificó el asfalto con diferentes formulaciones considerando las variaciones de clima y tráfico de cada lugar, así como el tipo y granulometría de cada agregado.

1.- INTRODUCCIÓN Las “Mezclas Asfálticas Tibias” (Warm Mix Asphalt), constituyen un grupo de tecnologías, las cuales pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas, colocadas y compactadas sin afectar las propiedades reológicas del asfalto y la mezcla en la etapa de servicio. La mayoría de estas tecnologías tienden a reducir la viscosidad del asfalto con el objetivo de facilitar el mezclado de este con el agregado así como la posterior compactación de la mezcla obteniendo muchas ventajas respecto a las mezclas en caliente tradicionales. Otras tecnologías de mezcla tibia disminuyen la tensión interfacial entre el agregado y asfalto para facilitar el mezclado y la compactación logrando también reducir la temperatura de la mezcla. La reducción de temperatura varía según la tecnología empleada y puede ser desde los 10° hasta 50°C menos que las mezclas en caliente que utilizan asfalto tipo AC-20. Al utilizar este tipo de tecnologías “WMA” se obtienen beneficios tanto en la pavimentación como en el medio ambiente: * Beneficios de utilizar mezclas tibias en la pavimentación.  Facilidad para compactar empleando menos esfuerzos y menor temperatura obteniendo valores de densidades muy cercanos a la densidad de diseño.  Obtener el óptimo porcentaje de vacíos en la mezcla asfáltica compactada, con lo cual evitamos la oxidación del asfalto.  Habilidad para que la mezcla asfáltica sea transportada a grandes distancias de donde es producida,  Habilidad para poder incorporar un mayor porcentaje de mezcla asfáltica reciclada (RAP).  Reducción de la oxidación del asfalto en la etapa de mezclado, colocación y compactación incrementando la durabilidad del pavimento. * Beneficios de utilizar mezclas tibias en el medio ambiente.  Al tener que calentar menos el asfalto para elaborar la mezcla asfáltica ahorramos el consumo de combustible reduciendo las emisiones de diversos gases, siendo el principal el Dióxido de Carbono que es el responsable del calentamiento global. En USA la producción aproximada de Dióxido de Carbono en las plantas de mezclas asfálticas en caliente es de aproximadamente 2,500 toneladas por año, con el uso de las mezclas asfálticas es posible reducir esta cantidad hasta 1700 toneladas. * Beneficios de utilizar mezclas tibias en las condiciones de trabajo.  Reducción de los humos azules (componentes volátiles orgánicos) generados en la colocación de las mezclas asfálticas en caliente, con los cuales los trabajadores aspiran menos cantidades de los mismos.  Menor consumo de combustible por parte de la maquinaría debido a que con menos esfuerzo se obtienen altos valores de densidad de la mezcla.

Las principales tecnologías para producir mezclas Asfálticas Tibias son:  Adición de agua en el asfalto. Este tipo de tecnología disminuye la viscosidad del asfalto a altas temperaturas debido a la presencia de una pequeña cantidad de agua en forma de vapor en el asfalto para que la misma produzca una espuma controlada reduciendo así la viscosidad del mismo. Dentro de este grupo contamos principalmente con dos técnicas; una es mediante la inyección de agua a presión por medio de unos inyectores produciendo una espuma uniforme en todo el asfalto, esta tecnología recibe el nombre de “Double Barrel Green”, y la otra técnica es mediante la adición de Zeolitas sintéticas; las Zeolitas son aluminio silicatos cuya molécula contiene aproximadamente 20% de agua, al adicionar la Zeolita en el asfalto, el agua es evaporada formándose una espuma uniforme en el asfalto reduciendo la viscosidad del mismo.  Adición de polímeros orgánicos en el asfalto. Este tipo de tecnología basa la reducción de la viscosidad del asfalto a temperaturas entre 100° y 160°C debido a que se le adiciona un polímero orgánico (Hidrocarburo Alifático). Esta técnica es la más aplicada en el mundo, simplemente en Estados Unidos se han aplicado más de 250,000 toneladas de Mezcla Asfáltica Tibia y en el mundo se han aplicado más de 10 millones de toneladas. La desventaja principal de usar estos polímeros orgánicos es que aumentan la viscosidad del asfalto a bajas temperaturas ocasionando problemas de fisuración por fatiga si se usan grandes cantidades del mismo.  Adición de Tensoactivos en el asfalto. Este tipo de tecnología se basa en la reducción de la tensión interfacial generada entre el asfalto y el agregado, logrando reducir las temperaturas de mezclado y compactación de las mezclas asfálticas.  Adición de arena húmeda a una mezcla de agregado grueso. Este tipo de tecnología basa la reducción de la viscosidad del asfalto debido a que se adiciona arena húmeda a una mezcla asfáltica de agregado grueso que contiene exceso de asfalto a temperaturas entre 120 y 150°C, cuando la arena húmeda tiene contacto con la mezcla de agregado grueso, el agua se evapora haciendo espuma y reduciendo la viscosidad del asfalto facilitando la compactación de la mezcla. Más de 38,000 toneladas de Mezcla Asfáltica Tibia se han aplicado en Estados Unidos y más de 100,000 toneladas se han aplicado en el mundo. Esta es una de las principales tecnologías aplicadas en Europa. Tal como le hemos explicado las mezclas asfálticas en “Tibio” (Warm Mix Asphalt), pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas y colocadas mediante diversas tecnologías; la mayoría de estas tienden a reducir la viscosidad del asfalto solo a estas altas temperaturas en la que se realiza el mezclado y la compactación. El Instituto del Asfalto de USA y la metodología SUPERPAVE, recomiendan para fabricar una mezcla asfáltica en el laboratorio y

utilizando asfalto sin modificar una viscosidad del asfalto de 170 +/- 20 centipoises para obtener un excelente mezclado y una viscosidad del asfalto de 280 +/- 30 centipoises para obtener una excelente compactación, es importante aclarar nuevamente que las anteriores recomendaciones son para fabricar la mezcla en el laboratorio y no son recomendaciones para la aplicación en campo, más sin embargo es de gran utilidad para el constructor contar con estos datos generalmente mostrados en una gráfica como punto de partida al inicio de la construcción de la carpeta. Al utilizar las tecnologías de las mezclas tibias, estas recomendaciones de viscosidad de mezclado y compactación no son muy efectivas y por lo tanto las temperaturas de mezclado y compactación deben ajustarse en campo siguiendo las recomendaciones del fabricante del asfalto especial para estas mezclas tibias. La tecnología de Mezclas Asfálticas Tibias que se ha utilizado en México y se reporta en este estudio, consiste en la adición a el asfalto de un aditivo químico base poliaminas grasas que modifica las propiedades reológicas del mismo tal como lo muestra la gráfica de la figura uno. En esta gráfica podemos observar que el asfalto aditivado disminuye su viscosidad respecto al asfalto original AC-20 a las temperaturas entre 100 y 160°C para promover beneficios a la cuales las mezclas asfálticas son producidas, y colocadas, también podemos observar que aumenta su viscosidad respecto a el asfalto original a las temperaturas entre 52 y 82°C para reducir los problemas de deformación permanente y finalmente observamos que disminuye su viscosidad respecto al asfalto original a temperaturas menores a 25°C para reducir problemas de fisuración por fatiga.

Figura 1- Comportamiento lineal de la viscosidad del asfalto AC-20 de Salamanca y comportamiento especial de la viscosidad del asfalto WMA en función de la temperatura.

El uso de la tecnología de las “Mezclas Asfálticas Tibias” ha tenido un importante crecimiento en el transcurso de los últimos años en los países desarrollados y tomando como referencia a el país de Estados Unidos de Norteamérica, este ha incrementado el uso de esta tecnología observando grandes beneficios ambientales y en la pavimentación, por lo que la NAPA (National Asphalt Pavement Association) ha publicado en su segundo reporte de encuesta anual de la industria del pavimento asfáltico, este incremento de la producción de las mezclas asfálticas tibias, siendo el DOT (Department of Transportation) quién más ha incrementado su utilización. La figura 2 muestra estos resultados.

Figura 2- Millones de toneladas de “Mezcla Asfáltica Tibia” utilizadas en los últimos años en USA.

2.- Aplicaciones en campo con las Mezclas Asfálticas Tibias. A).- Aplicación en la ciudad de Guadalajara, Jalisco, México. Estas aplicaciones fueron realizadas en el mes de Noviembre del 2010 en la calle de Juan Álvarez entre las avenidas Federalismo y Tolsa y en la calle Morelos entre las calles Luis Pérez Verdia y Salado Álvarez.

Figura 3- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la calle de Juan Álvarez en la ciudad de Guadalajara.

En esta aplicación fue necesario utilizar 11.0% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de 82 -22 que fue compactado a 100°C. La figura 4 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto AC-20 del cual se partió para su modificación. Propiedades reológicas del

Condición de envejecimiento

Resultado AC-20 (Salamanca)

Asfalto WMA

Punto de inflamación

Sin envejecimiento

275°C

275°C

230°C, mín.

Viscosidad a 135°C

Sin envejecimiento

0.415 Pa s

0.209 Pa s

3 KPa, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase.

Sin envejecimiento

1.314 KPa (64°C)

1.359 KPa (82°C)

1.00 KPa, mín.

Pérdida de masa

RTFO

1.42%

1.32%

1.00%, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase

RTFO

5.952 KPa

2.351 KPa

2.20 KPa, mín.

(64°C)

(82°C)

4,264 KPa

2,892 KPa

(28°C)

(34°C)

Asfalto

G* / sen  a la temperatura de prueba

G* / sen  a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase

PAV

G* x sen  a la temperatura de prueba

Resultado

Requisito

5000 Kpa, máx.

Rigidez en creep “S” a la temperatura de prueba

PAV

225 MPa (-6°C)

158 MPa (-12°C)

300 Mpa, máx

Valor m a la temperatura de prueba

PAV

0.323 (-6°C)

0.346 (-12°C)

0.300, mín.

Figura 4 – Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto AC-20 de Salamanca (PG 64 –16) y del asfalto WMA (PG 82 -22).

En la tabla de la figura 5 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto AC-20 de Salamanca y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que el asfalto utilizado en la mezcla tibia fue un PG 82 -22, cabe aclarar que la

prueba de RTFO fue realizada a 163°C tal como lo indica la norma, aunque la mezcla en campo nunca alcanzó esta temperatura por lo nos permitimos realizar la prueba de RTFO a 143°C y el asfalto aumento un grado PG en la parte de baja temperatura, es decir, de ser un asfalto PG -22 se convirtió en PG -28, esto significa que incrementamos la vida del asfalto al disminuir su rigidez en la carpeta a bajas temperaturas reduciendo la aparición de grietas; hasta hoy (2 años y medio de haber aplicado la carpeta) no se observan grietas ni deformación permanente.

AC-20 (Salamanca)

Asfalto WMA

Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas)

0

1

Temperatura de modificación (°C)

150 a 155

150 a 155

Mezcla Asfáltica

Mezcla Asfáltica WMA

Temp. Asfalto en el mezclado (°C)

150

150

Temp. Agregado en el mezclado (°C)

155

135

Temp. de la mezcla (°C)

155

135

Velocidad de producción

190

216

Temp. de compactación (°C)

145°C

100°C

Emisiones de CO

+ 2.2

Referencia

3

(m /hr)

3

2

(Ton / 365m de mezcla asfáltica) Figura 5 – Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto AC-20 de Salamanca y utilizando el asfalto WMA.

Después de dos años y medio de haber sido aplicada esta carpeta, esta se encuentra en perfectas condiciones no presentado problemas de deformación permanente ni de fisuras por fatiga, el problema de roderas no se presenta porque es un asfalto PG 82 y la fisuración por fatiga no se presenta porque es un asfalto PG -22. Esta tecnología de hacer un asfalto blando elástico permite obtener carpetas asfálticas muy flexibles ideales para calles de ciudades que cuentan con bases débiles y con espesores menores entre 4 y 5 cm.

B).- Aplicación en la carretera San Luis Potosí a Querétaro. Esta aplicación fue realizada en la carretera San Luis Potosí a Querétaro en el kilómetro 63+704 a el kilómetro 63+200 en los carriles de alta y baja velocidad y fue comparada con una mezcla asfáltica fabricada con asfalto modificado con polímero tradicional aplicada en el mismo kilometraje soló que en el sentido Querétaro a San Luis Potosí.

Figura 6- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la carretera San Luis Potosí-Querétaro Km 63.

En esta aplicación fue necesario utilizar 5.0% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de 76 -16 que fue compactado a 120°C. La figura 7 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto modificado con polímero. Propiedades reológicas del

Condición de envejecimiento

Resultado Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Punto de inflamación

Sin envejecimiento

280°C

280°C

230°C, mín.

Viscosidad a 135°C

Sin envejecimiento

0.978 Pa s

0.311 Pa s

3 KPa, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase.

Sin envejecimiento

1.472 KPa (76°C)

1.399 KPa (76°C)

1.00 KPa, mín.

Pérdida de masa

RTFO

1.22%

1.15%

1.00%, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase

RTFO

5.024 KPa

3.647 KPa

2.20 KPa, mín.

(76°C)

(76°C)

4,527 KPa

3,955 KPa

(34°C)

(34°C)

Asfalto

G* / sen  a la temperatura de prueba

G* / sen  a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase

PAV

G* x sen  a la temperatura de prueba

Resultado

Requisito

5000 Kpa, máx.

Rigidez en creep “S” a la temperatura de prueba

PAV

274 MPa (-6°C)

162 MPa (-6°C)

300 Mpa, máx

Valor m a la temperatura de prueba

PAV

0.313 (-6°C)

0.318 (-6°C)

0.300, mín.

Figura 7 – Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto modificado con polímero (PG 76 –16) y del asfalto WMA (PG 76 -16).

En la tabla de la figura 8 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con un polímero tradicional y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que en el proceso de mezclado la mezcla tibia fue calentada a una temperatura máxima de 135°C, mientras que la mezcla con el asfalto modificado con polímero alcanzó una temperatura de 175°C, en esta etapa de mezclado el asfalto se encuentra cubriendo a el agregado en forma de una película con un espesor muy pequeño y el oxígeno reacciona rápidamente con el mismo y esta velocidad de reacción aumenta conforme aumenta la temperatura, esto significa que el asfalto modificado con polímero reaccionará en mayor proporción con el oxígeno incrementando su rigidez aumentando la posibilidad de fisurarse a bajas temperaturas; por lo que utilizando el asfalto WMA disminuimos la velocidad de oxidación y por lo tanto incrementamos la vida del mismo en la carpeta asfáltica reduciendo la aparición de grietas en la carpeta.

Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas)

4a5

1

Temperatura de modificación (°C)

180 a 190

150 a 160

Mezcla Asfáltica

Mezcla Asfáltica WMA

Temp. Asfalto en el mezclado (°C)

175

150

Temp. Agregado en el mezclado (°C)

175

135

Temp. de la mezcla (°C)

175

135

Velocidad de producción

180

216

Temp. de compactación (°C)

165°C

120°C

Emisiones de CO

+ 2.4

Referencia

3

(m /hr)

3

2

(Ton / 365m de mezcla asfáltica) Figura 8– Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con polímero (PG 76 -16) y utilizando el asfalto WMA PG (76 -16).

C).- Aplicación en la carretera Reforma – Dos Bocas en Tabasco. Esta aplicación fue realizada en la carretera Reforma-Dos Bocas en el kilómetro 31+200 en el cuerpo B en ambos carriles en el sentido hacia Reforma. Esta mezcla tibia fue comparada con una mezcla asfáltica fabricada con asfalto modificado con polímero tradicional aplicada en el mismo kilometraje soló que en el sentido hacia Dos Bocas.

Figura 9- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la carretera Reforma-Dos Bocas Km 31 en Tabasco.

En esta aplicación fue necesario utilizar 3.7% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de 70 -16 que fue compactado a 90°C. La figura 10 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto modificado con polímero. Propiedades reológicas del

Condición de envejecimiento

Resultado Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Punto de inflamación

Sin envejecimiento

256°C

250°C

230°C, mín.

Viscosidad a 135°C

Sin envejecimiento

0.478 Pa s

0.299 Pa s

3 KPa, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase.

Sin envejecimiento

1.573 KPa (70°C)

1.021 KPa (70°C)

1.00 KPa, mín.

Pérdida de masa

RTFO

1.55%

1.55%

1.00%, máx.

Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase

RTFO

5.867 KPa

3.647 KPa

2.20 KPa, mín.

(70°C)

(70°C)

4,527 KPa

2,359 KPa

(31°C)

(31°C)

Asfalto

G* / sen  a la temperatura de prueba

G* / sen  a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase

PAV

G* x sen  a la temperatura de prueba

Resultado

Requisito

5000 Kpa, máx.

Rigidez en creep “S” a la temperatura de prueba

PAV

196 MPa (-6°C)

147 MPa (-6°C)

300 Mpa, máx

Valor m a la temperatura de prueba

PAV

0.322 (-6°C)

0.315 (-6°C)

0.300, mín.

Figura 10 – Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto modificado con polímero (PG 70 –16) y del asfalto WMA (PG 70 -16).

En la tabla de la figura 11 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con un polímero tradicional y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que en el proceso de mezclado la mezcla tibia fue calentada a una temperatura máxima de 135°C, mientras que la mezcla con el asfalto modificado con polímero fue calentada a una temperatura de 170°C y como la velocidad de oxidación del asfalto es directamente proporcional a la temperatura, esta ocurre en mayor proporción en el asfalto modificado con polímero. Los resultados de la prueba de RTFO mostrados en tabla de la figura 10, fueron realizados a 163°C tal como lo indica la norma, como la mezcla en campo nunca alcanzó esta temperatura, nos permitimos realizar la prueba de RTFO a 143°C y el asfalto aumento un grado PG en la parte de baja temperatura, es decir, de ser un asfalto PG -16 se convirtió en PG -22, esto significa que disminuyendo la rigidez del asfalto incrementamos la vida del mismo en la carpeta asfáltica reduciendo la aparición de grietas en la carpeta.

Asfalto modificado con polímero

Asfalto WMA

Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas)

5a6

1

Temperatura de modificación (°C)

180 a 190

150 a 160

Mezcla Asfáltica

Mezcla Asfáltica WMA

Temp. Asfalto en el mezclado (°C)

170

150

Temp. Agregado en el mezclado (°C)

170

135

Temp. de la mezcla (°C)

170

135

Velocidad de producción

100

140

Temp. de compactación (°C)

150°C

90°C

Emisiones de CO

+ 2.3

Referencia

3

(m /hr)

3

2

(Ton / 365m de mezcla asfáltica) Figura 11 – Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con polímero (PG 70-16) y utilizando el asfalto WMA PG (70 -16).

Conclusiones: Construir carpetas asfálticas utilizando la tecnología de las “Mezclas Asfálticas Tibias” es ya una realidad en los países desarrollados y en México, dado la obtención de los beneficios tanto del cuidado del medio ambiente debido a la reducción de emisiones de Dióxido de Carbono al utilizar menos energía, así como en el incremento de la vida útil de la carpeta asfáltica dado que se facilita la compactación y se reduce la velocidad de oxidación del asfalto. La tecnología de “Mezcla Asfáltica Tibia” mostrada en este estudio utilizando un asfalto grado PG 82 -22 que se compactó a 100°C proporciona un asfalto blando ideal para construir carpetas asfálticas de espesores entre 4 y 7 centímetros colocadas sobre base con bajo soporte estructural, esto lo hemos observado en las aplicaciones en las calle de la ciudad de Guadalajara donde carpetas de 4 cm fueron colocadas sobre bases débiles y después de dos años y medio no se observan daños de rodera ni fisuración por fatiga.

La reducción de temperatura en la etapa del mezclado y compactación de las mezclas asfálticas tibias disminuye la rigidez del asfalto a bajas temperaturas, esta reducción puede aumentar en el asfalto un grado PG a bajas temperaturas y de tener un asfalto grado PG -16 se puede convertir en un asfalto PG -22.

DETERMINACIÓN DEL VALOR DE SORCIÓN DE AZUL DE METILENO PARA "FILLERS" MEDIANTE ESPECTROFOTOMETRÍA VISIBLE Álvaro Muñoz, Daniela Alcántara, Fulgencio Noh Pat, Israel Sandoval Lasfalto S. de R.L. de C.V. Ignacio Cremades Surfax S.A. de C.V. Resumen. En la industria del asfalto se realiza la prueba de azul de metileno para estimar el grado de reactividad de fillers en presencia de agua. Dicha prueba se basa en la formación de un halo color azul que es estable conforme transcurre el tiempo, indicando la saturación del filler con el colorante. Sin embargo los resultados obtenidos mediante esta prueba son subjetivos y poco confiables ya que dependen del criterio del analista. Como una alternativa a esta prueba se desarrolló un método analítico que más confiable y objetivo que el método clásico, y debido a la presencia de un grupo cromóforo en el azul de metileno se optó por la espectrofotometría visible. Se utilizaron 4 fillers de diferente naturaleza, con morfología, mineralogía y tamaño de partícula caracterizados, como objeto de estudio. Se establecieron las condiciones para la nueva metodología y se determinó la capacidad de sorción de azul de metileno de los "fillers problema", mediante el método innovador y el método clásico y se compararon los resultados. El método innovador presenta una buena repetibilidad y reproducibilidad (desviación estándar relativa <3%) en su ejecución, además, se obtienen resultados más precisos y confiables que el clásico, el cual muestra una diferencia en las mediciones hasta del 66% con respecto al innovador. Con este método se pretende que los valores obtenidos sean un reflejo más cercano del comportamiento del filler en aplicaciones de campo. Introducción La prueba de azul de metileno (AM) es utilizada en la industria del asfalto para estimar el grado de reactividad, en presencia de agua, de fillers (malla 200), contenidos en los materiales pétreos para mezclas asfálticas. Esta prueba se basa en cuantificar la capacidad de sorción del filler midiendo la cantidad de AM necesario para cubrir su superficie total (interna y externa). El azul de metileno en polvo, que se comporta como un colorante catiónico al mezclarse con agua y es identificado con la fórmula empírica C16H18N3SCl. La técnica de la prueba se basa en 2 principios:  

El fenómeno de intercambio iónico entre los cationes intercambiables de los fillers y los cationes del AM dispersos en el medio acuoso. La adsorción y absorción física de las moléculas de AM en la superficie externa e interna del filler.

La capacidad de sorción de cada filler depende de su naturaleza, aunque dicha capacidad aumenta en función de la superficie específica y la carga de éstos. Esta prueba se relaciona con la capacidad del filler de sorber agua y aumentar su volumen. Basados en este principio se han desarrollado distintas técnicas de prueba usando AM, siendo la más utilizada, por su simplicidad y efectividad, la prueba con papel filtro. En México, esta técnica está establecida por la Recomendación AMAAC 05/2008, basada en la norma M-MMP-4-04-014/09 de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes. Dicha técnica consiste en disolver AM en agua destilada con concentración conocida y colocar la solución en una bureta; así mismo se pesa una masa conocida de filler, se mantiene en agitación en un vaso de precipitados. Se adiciona la solución de AM gota por gota y después de cada gota, se remueve una gota de la suspensión del vaso de precipitados y se coloca en el papel filtro. La prueba continúa hasta la formación de un halo color azul claro alrededor de la gota, reportando como miligramos de AM por cada gramo de filler. Este método indica una evaluación semicuantitativa de la reactividad de los fillers; así como indicaciones cualitativas del tipo de mineral contenido en dichos fillers.

Esta metodología muestra resultados subjetivos, poco precisos y con una alta incertidumbre, ya que la interpretación de dichos resultados depende del criterio del analista. Debido a la poca confiabilidad de los resultados obtenidos mediante esta prueba y que el azul de metileno presenta un grupo cromóforo (grupo funcional capaz de absorber la luz visible) por dar un tono azul, se ha propuesto determinar la capacidad de sorción de AM para fillers mediante espectrofotometría visible, demostrando la objetividad, la confiabilidad y la exactitud de dicho método. Este estudio tiene la finalidad de proponer un método analítico innovador y sencillo para la utilización en la industria del asfalto. Metodología experimental

Absorbancia

Longitud de onda. De acuerdo a Bergmann y O'Konski (1963), la mayor absorbancia del azul de metileno en forma monomérica se alcanza a una longitud de onda de 664 nm. Linealidad del método. Se preparó una solución estándar 100 mg/L de AM grado reactivo (82,8% base húmeda) y se realizaron diluciones hasta tener un rango de concentraciones cuya absorbancia a 664 nm fuera mayor a 0.1 y menor a 1. En la figura 1 se puede observar la curva de calibración realizada con las concentraciones utilizadas (0,5, 1, 2, 3, 4 y 5 µg/ml). Se obtuvo un coeficiente de determinación de 0.992. Todas las soluciones de azul de metileno se almacenaron en contenedores de polipropileno como lo sugieren Bergmann y O’Konski (1963) para evitar adsorción del colorante en el vidrio. 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Concentración (ug/ml)

Figura 1. Curva de calibración de azul de metileno

Fillers. Se seleccionaron fillers de 4 diferentes bancos: Chapala, San Martín, Cerritos y CU, los cuales han sido caracterizados previamente, con respecto a su mineralogía, su morfología por microscopía electrónica de barrido y su distribución de tamaño de partícula, expresado en percentil 50:

Filler Banco Chapala Minerología: Basalto Percentil 50: 17,88 μm

Filler Banco San Martín Minerología: Mixto Percentil 50: 29,00 μm

Filler Banco Cerritos Minerología: Tezontle Percentil 50: 47,33 μm

Filler Banco CU Minerología: Arcilla Percentil 50: 40,22 μm

Sorción de azul de metileno por el filler. Una vez realizada la curva de calibración, se prosiguió a desarrollar un método para determinar la capacidad de sorción de AM de los fillers. A. Gürses et al (2005) estudiaron las cinéticas de adsorción de azul de metileno en presencia de un filler, en su caso arcilla, y determinaron que el equilibrio de sorción se alcanza aproximadamente a los 60 minutos de agregar el filler en una solución de AM a concentración inicial de 100 mg/L. Por lo que con la información previa se establecieron las condiciones del método y se realizó la metodología de la siguiente manera: Se prepara 1 L de solución de AM a una concentración de 100 mg/L y se almacena en un envase de polipropileno. Se toman 100 ml de solución y se vierten en un vaso de precipitados; se comienza la agitación de la solución a una velocidad entre 400 y 500 rpm. Inmediatamente se añaden 0,1 g de filler y se empieza a contabilizar el tiempo de sorción. Se toman 300 μl de muestra de la suspensión cada 15 minutos en un tubo y se adicionan 10 ml de agua destilada. Se centrifuga durante 4 minutos a 4000 rpm. Se lee la muestra en un espectrofotómetro visible modelo 722 a una longitud de onda de 664 nm. Todas las muestras tomadas se realizaron por duplicado. Repetibilidad y reproducibilidad. Una vez establecidas las condiciones del método se prosiguió a validar el método por medio de su reproducibilidad y repetibilidad. Para eso se realizó la prueba de azul de metileno con el método innovador para los 4 fillers con las condiciones previamente mencionadas, los cuales fueron realizados por 2 analistas distintos. Se realizó un análisis de los resultados de cada analista y se determinó la desviación estándar de dichas mediciones, así mismo se compararon los resultados entre ambos analistas. Resultados Los resultados, como se muestran en la figura 2, muestran que la sorción de azul de metileno para fillers arcillosos (Banco CU) alcanza un equilibrio a los 60 min, mientras que los fillers no arcillosos (Banco Cerritos y Chapala) lo alcanzan a los 30 minutos. En el caso del Banco San Martín, que no es un filler de una mineralogía definida, logra el equilibrio al mismo tiempo que los fillers no arcillosos.

mg Azul metileno / g muestra

90 80

A

70 60 50 40 30 20

B

10

C D

0 0

20

40

60 80 Tiempo (min)

100

120

140

Figura 2. Absorción de AM con respecto al tiempo: A (Banco CU), B (Banco San Martín), C (Banco Chapala) y D (Banco Cerritos)

Así mismo, como se muestra en la tabla 1, se observa una desviación relativa estándar menor al 3% tanto en las mediciones de cada analista como entre ambos analistas, demostrando que el método es repetible y reproducible. mg AM / filler DER mg AM / filler DER DER entre Analista A Analista A Analista B Analista B analistas

Filler Banco CU

70.42

0.34

70.67

1.22

0.76

Banco Chapala

15.07

2.12

15.10

1.27

1.43

Banco San Martín

17.9

1.7

17.7

1.0

1.3

Banco Cerritos

3.8

2.3

3.7

2.0

2.0

Tabla 1. Comparación de resultados entre 2 analistas distintos para la prueba de azul de metileno mediante espectrofotometría visible.

Discusión Este estudio se realizó con la finalidad de encontrar un método que brindara resultados más exactos, precisos y confiables, el cual pudiese ser una alternativa al método utilizado actualmente con papel filtro, especificado en la Recomendación AMAAC 05/2008, basada en la norma M-MMP-4-04-014/09 de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, debido a que los resultados de dicho método son subjetivos y no siempre son reflejo de lo que sucede en campo al realizar mezclas asfálticas. Se realizó una comparación de resultados entre los fillers antes mencionados, así como de fillers de otros bancos utilizando tanto el método espectrofotométrico y el del papel filtro, como se observa en la tabla 2.

Filler Banco CU Banco Chapala Banco San Martín Banco Cerritos Banco GAT Banco GAR

mg AM / filler Método innovador 70.55 15.09 17.78 3.76 >94.55 >94.55

mg AM / filler Método clásico 72 17 20 4 34 32

Diferencia (%) 2.06 12.69 12.52 6.38 >64.04 >66.16

Tabla 2. Comparación de resultados de la prueba de azul de metileno para diversos fillers obtenidos mediante el método innovador y el clásico

Puede observarse que sólo en el caso del filler correspondiente al Banco CU, los resultados de ambos métodos son iguales, sin embargo para los demás fillers los resultados obtenidos por el método clásico difieren con respecto al innovador hasta mayor a un 66%, mostrando que el método espectrofotométrico es más confiable y exacto que el método del papel filtro. Esta diferencia tan grande en el caso de los Bancos GAT y GAR puede explicarse debido a que en el método innovador se utiliza una solución de azul de metileno muy diluido, garantizando la presencia de monómeros y dímeros del colorante que son sorbidos por un filler que tiene una superficie específica extensa y poros relativamente pequeños hasta lograr su saturación interna y superficial, a diferencia de el método clásico en el cual se utiliza una solución muy concentrada de azul de metileno favoreciendo la aglomeración o formación de complejos entre las moléculas del colorante que son sorbidos por el mismo filler y que pueden formar multicapas alrededor de éste, incluso superando su capacidad de sorción. El método analítico innovador permite calcular la concentración de azul de metileno remanente en la solución después de haber transcurrido un determinado tiempo y se compara con la concentración inicial, previa a la incorporación del filler. Por diferencia de concentraciones se calcula la cantidad, en miligramos, de AM adsorbido por cada gramo de filler y se obtiene su capacidad de sorción. En cambio en el método del papel filtro se debe esperar que se forme un halo de color azul y que sea estable conforme transcurre el tiempo al aplicar una gota de la solución de AM en el papel filtro y su interpretación puede ser subjetiva, ya que depende del criterio del analista.

Conclusiones Se desarrolló un nuevo método analítico para determinar la capacidad de sorción de azul de metileno en fillers utilizados para mezclas asfálticas, basado en el principio de espectrofotometría visible, estableciendo las siguientes condiciones: 100 ml de una solución de azul de metileno, 0,1 g de filler, 1 hora de agitación, dilución y centrifugación de muestras y lectura a una longitud de onda de 664 nm. La determinación de la capacidad de absorción de azul de metileno mediante espectrofotometría visible garantiza ser un método eficaz y necesario para determinar la reactividad de los fillers utilizados en mezclas asfálticas, debido a su sencillez, rapidez y confiabilidad. Este método pretende ser una alternativa al método del papel filtro debido a que en la industria del asfalto es una necesidad tener valores más exactos que sean reflejo de lo que sucede en aplicaciones de campo. REFERENCIAS Turkoz M. and Tosun H. 2011. The use of methylene blue test for predicting swell parameters of natural clay soils. Scientific Research and Essays. Vol 6, p. 1780-1792 Solaimanian M., Harvey J., Tahmoressi M., and Tandon V. 2003. Test methods to predict moisture sensitivity of hot-mix asphalt pavements. Moisture Sensitivity of Asphalt Pavements - A National Seminar, p. 77-110. Transportation Reasearch Board. San Diego, California. Chiappone A., Marello S., Scavia C. and Setti M. 2004. Clay mineral characterization through the methylene blue test: comparison with other experimental techniques and applications of the method. Canadian Geotechnical Journal. Vol. 41, Number 6, p. 1168-1178 Bergmann, K. and O'Konski, C. T. 1963. A spectroscopic study of methylene blue monomer, dimer, and complexes with montmorillonite. J. Phys. Chem. 67, 2169-2177. Secretaría de Comunicaciones y Transporte, 2009. M-MMP-4-04-014/09. Azul de metileno de materiales pétreos para mezclas asfálticas. A. Gürses, Ç. Dogar, M. Yalçin. 2005. The adsorption kinetics of the cationic dye, methylene blue, onto clay. Ataturk University. Erzurum, Turkey.

_______________________________________________________ Evaluación de mezclas asfálticas modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente M.I.C. Jesús Murillón Duarte 1, Dr. Mario Salazar Amaya 1, M.I.C. Efraín Márquez López1, M.I.C. Julio Chávez Cárdenas1, Dr. Horacio Delgado Alamilla 2 Dr. Paul Garnica Anguas 2 1

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán, México; [email protected], [email protected]; [email protected]; [email protected]. 2 Instituto Mexicano del Transporte, San Fandila, Pedro Escobedo, Querétaro, México; [email protected], [email protected].

Resumen En la actualidad nos hemos encontrado con grandes problemas de contaminación los cuales afectan a nuestro medio ambiente, uno de ellos es la acumulación de neumáticos de desecho, los cuales van aumentando año con año, algunas soluciones para estas como material granulado y polvo son: carreteras, campos de fútbol, campos de juego y gimnasia, pistas de atletismo, pistas ecuestres, relleno de césped artificial, camas para ganado, calzado; sin embargo debido al poco consumo de este deshecho en estos métodos, el problema aumenta, por esta razón se ha buscado la forma de incluir el hule de los neumáticos en forma de polvo en la construcción de los pavimentos asfálticos de carretera. En nuestra investigación hemos demostrado varias ventajas en el uso de este material como parte de dichos pavimentos, mejorando así algunas características. Tal parece que podría ser una excelente forma de reciclar dicho material de desecho, ya que como sabemos, la construcción de carreteras es un sector altamente productivo y por el cual se generan altos consumos de materiales, materiales entre los que podría estar nuestro material de desecho objetivo, siendo así una de las mejores soluciones para el reciclado de éste. Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ Introducción

En México según la Asociación Nacional de Distribuidores de Llantas (Andellac), cada año se desechan 40 millones de neumáticos viejos. La investigación cita a la obra pública como instrumento de reciclado prioritario, siempre que la utilización de materiales del reciclado de Neumático Fuera de Uso (NFU) sea técnica y económicamente viable. Entre las posibles aplicaciones en la obra pública, una de las de mayor interés es la fabricación de mezclas asfálticas para carreteras, ya que el caucho de los neumáticos comporta mejoras en su comportamiento, es más económico que otros modificadores alternativos y permite consumir una considerable cantidad de residuo. En España por ejemplo, el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3) del Ministerio de Fomento, siguiendo las directrices del citado Plan, especifica el empleo prioritario de polvo neumático en mezclas asfálticas siempre que sea técnica y económicamente posible, además México se menciona de forma muy superficial en la normativa existente de SCT: N-CMT-4-05-002-06, referidas a pavimentos modificados.

Antecedentes

La incorporación del polvo de caucho procedente del triturado de neumáticos de desecho en asfaltos, se desarrolló comercialmente en EEUU en los años 60 con la patente de Charles McDonald para su aplicación en tratamientos superficiales y bacheos. El empleo de ligantes con hule molido en mezclas asfálticas comenzó a generalizarse en 1985, en Arizona y California. En Europa empezaron las pruebas con asfaltos modificados de alta viscosidad con hule molido en mezclas drenantes en los años 70, especialmente en Bélgica y Francia, pero la falta de plantas de trituración y el desarrollo de los ligantes modificados con polímeros (SBS, EVA, etc.) limitaron su empleo. En España el primer asfalto con polvo de neumático de NFU (neumático fuera de uso) a escala industrial se desarrolló en el año 1996 y fue realizado en central. Este asfalto se utilizó en tramos de ensayo en Sevilla y Madrid [3]. Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ En México por otra parte se han tenido pequeños intentos de la aplicación de esta técnica, tal es el caso de la calzada Tlalpán en 1970 en la ciudad de México, además CAPUFE lo utilizó en autopistas de altas especificaciones en 1996 y las Autopistas México-Puebla, México-Querétaro, México-Córdoba, México Cuernavaca, Pátzcuaro-Uruapan. Objetivos

Comprobar que este tipo de reciclado de hule de llanta en pavimentos flexibles en verdad resulta una alternativa viable para el uso de neumáticos fuera de uso, debido a su bajo costo de aplicación y a la mejora de las características de la mezcla (mayor resistencia al envejecimiento, aumentando la flexibilidad y resistencia a la tensión, reduciendo la aparición de grietas por fatiga o temperatura), corroborando estas últimas con las diferentes pruebas de laboratorio. Reducir el número de neumáticos fuera de uso en los tiraderos proponiendo un uso alterno, tomando en cuenta todas las ventajas que este tipo de técnica representa para los pavimentos.

Metodología y materiales El polvo de caucho reciclado se obtiene triturando los neumáticos enteros hasta el tamaño deseado y separando los metales y tejidos que puedan incorporar. La forma de trituración, la granulometría de las partículas y el contenido remanente de contaminantes metálico y textil afectan a las propiedades del polvo de caucho obtenido. La utilización en mezclas asfálticas precisa que el hule reciclado esté en forma de partículas finas de tamaños inferiores a 2 mm, ó 0,5 mm, según las aplicaciones. La incorporación de polvo neumático a una mezcla asfáltica modifica sus propiedades reológicas y mejora sus prestaciones como material para carreteras. Esta incorporación se puede hacer de dos maneras: Una de ellas es la mezcla previa del polvo de caucho con el asfalto para su posterior empleo como ligante en la mezcla asfáltica. Esta forma de incorporación del polvo neumático a las mezclas asfálticas por adición previa al asfalto se conoce como “vía húmeda”. El segundo procedimiento consiste en introducir el polvo neumático directamente en la planta de fabricación de mezclas asfálticas, junto con el asfalto y los agregados. El polvo de neumático actúa en parte como árido, pero las partículas más finas interaccionan con el asfalto modificando sus propiedades, Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ consiguiéndose así mejorar el comportamiento de la mezcla asfáltica. Esta forma de modificación en la que el polvo neumático se incorpora directamente como un componente más de la mezcla asfáltica, se conoce como “vía seca”, la cual se estudia en nuestra investigación [5]. El desarrollo de nuestra investigación se basa en el protocolo de la Asociación Mexicana del Asfalto A.C. que es una guía de diseño para pavimentos densos (mezclas con niveles de porosidad relativamente bajos), para obtener el mejor comportamiento de un pavimento flexible, dicho protocolo se basa en lo mejor de diversos métodos. Dentro de este método básicamente se sigue la siguiente secuencia, plasmada en capítulos dentro del documento: Criterios de selección del nivel requerido, Selección de los agregados pétreos, Selección del cemento asfáltico, Diseño volumétrico, Susceptibilidad de la mezcla asfáltica al daño inducido por humedad y Susceptibilidad a las deformaciones permanentes. En dicho documento marca cuatro niveles de diseño, dependiendo de los requerimientos de nuestra mezcla, para esta investigación usamos el nivel II, que nos permitirá utilizar nuestra mezcla en un gran número de obras viales. Ya teniendo el dato base del cual debemos de partir podremos proceder a hacer los diferentes ensañes: Selección de agregados: En nuestro caso en particular se utiliza el banco de material sugerido por el Instituto Mexicano del Transporte dado que ya se tiene estudiado, además de usarse una granulometría ya probada por el mismo instituto.En la siguiente gráfica podemos observar una comparativa con los porcentajes marcados dentro del protocolo.

Gráfica 1 Granulometría de proyecto contra límites AMAAC

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_______________________________________________________ También comparamos la granulometría de diseño con las propuestas por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) y en la figura siguiente podemos ver que sigue cumplendo:

Gráfica 2 Granulometría de proyecto contra límites SCT

Ya corroborado que la granulometría nos cumple con las diferentes normativas nacionales, se modificará esta granulometría con contenidos de hule de molido de neumático al 1% y 2% con respecto al peso total de la muestra, sustituyendo material de la malla No.50 debido a que es el tamaño más cercano al del hule molido. También cabe señalar que el material cumplió con los diferentes parámetros en las pruebas que el protocolo marca tanto para agregados gruesos (Desgaste los ángeles, Desgaste Microdeval, Intemperismo acelerado, Caras fracturadas, partículas alargadas y lajeadas y adherencia con el asfalto de cubrimiento), como finos (con las pruebas de Equivalente de arena, Angularidad y Azul de metileno). Por otra parte la selección del cemento asfáltico nos remitió a la norma SCT NCTM-4-05-004/05, donde hace mención a que la selección debe ser con respecto a la temperatura máxima y mínima que se espera en el lugar. Además en nuestro caso como el cemento asfaltico es convencional, debe cumplir las temperaturas en mezclado y tendido, además de la humedad y diseño volumétrico de la mezcla. Otra factor de influencia es la cantidad de hule usado, que en nuestro caso en particular y basándonos en el “Manual de Empleo de Caucho de NFU en mezclas bituminosas”[3] español, se decidió trabajar con cantidades de 1% y 2% con respecto al volumen de agregados, con el fin de obtener resultados satisfactorios y desempeño óptimo en las pruebas de deformación permanente y susceptibilidad a la humedad. Una de las pruebas que más nos dejará ver el comportamiento de la mezcla modificada es la deformación permanente, la cual se efectuará mediante el uso del Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA). Evaluación de pavimentos asfálticos modificados con hule de neumático, mediante diseño volumétrico, TSR y deformación permanente

_______________________________________________________ Resultados y Discusión Las pruebas de diseño volumétrico nos mostraron algo ya esperado, las probetas modificadas con hule de llanta ocuparon mayor contenido de Cemento asfaltico, debido a que dicho material absorbe parte de nuestro material cementante, así que obtuvimos contenidos de cemento asfaltico de 5.4% para probetas sin modificar y de 5.8 para las modificadas con 2% de hule; las probetas con 1% de hule no lograron llegar al 4% de vacíos aún y cuando se le agregó hasta 6% de hule y además ´presentó un comportamiento peculiar tal como se aprecia en la gráfica 1.

Gráfica 3.- VA respecto al porcentaje de asfalto mezcla modificada con1% hule

De la prueba de TSR tenemos que las probetas modificadas con hule de llanta resultaron menos resistentes a la tensión, esto puede deberse a que las partículas de material tienen menor cantidad de asfalto ya que el hule de llanta absorbe parte de este sin embargo podemos notar que no sufren modificación en sus resistencias debido a la aplicación de humedad, debido probablemente a que el hule ayuda a absorber agua.

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_______________________________________________________

Gráfica 4.- Relación de resistencias

Gráfica 5.- Valores de TSR

En la prueba de deformación permanente el comportamiento de la mezcla modificada con hule de llanta resulta ser más favorable en la deformación permanente, teniendo algunos milímetros menos de deformación con respecto a la mezcla convencional, aunque también resulta interesante ver que aunque la mezcla modificada con hule parece deformarse en un inicio, esta tiende a mantener su postura original gracias al hule incluido, esto lo podemos notar en las gráficas siguientes:

Gráfica 5.- Deformación permanente mezcla convencional

Gráfica 6.- Deformación permanente mezcla 1% de hule

Gráfica 7.- Deformación permanente mezcla con 2% de hule

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_______________________________________________________ Conclusión:

La presente investigación pretende abrir camino en un tema poco abundado dentro de México, la incorporación de hule molido en mezclas asfálticas, con el fin de buscar un avance en materia medio ambiental debido a que se reciclaran los neumáticos de desecho que contaminan considerablemente el país, y que se están convirtiendo en un problema de magnitudes catastróficas, ya que no existen las suficientes formas de aprovecharlos. Con este trabajo se pretende demostrar lo positivo de su uso y así extender este tipo de aplicación en la mayor parte del país para tratar de aminorar este gran problema tal como se ha demostrado en diversos países. Además cabe mencionar que no sólo se reciclará un material altamente contaminante, sino que además las mezclas asfálticas mejoran algunas características.

Referencias 1. Normas SCT: N-CMT-4-05-002-01, N-CMT-4-05-002-06 2. Alfonso Rico Rodríguez, Rodolfo Téllez Gutiérrez, Paul Garnica Anguas; Publicación 104 imt pavimentos flexibles problemática, metodologías de diseño y tendencias, Querétaro, Mex, 1998. 3. MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE. Manual de Empleo de Caucho de NFU en mezclas bituminosas, España, 2007. 64 p. 4. F. Perez-Jimenez, R. Miro Recasens(*), A. Martínez, C. Martínez Laínez y A. Páez Dueñas, Evaluación de la cohesión de betunes modificados con polvo de neumáticos, 2006. 54 p. 5. UNIVERSIDAD DE SALAMANCA, Diseño de desarrollo y seguimiento de un aglomerado asfáltico con polvo de caucho. España, 75 p. 6. GALLEGOS MEDINA. (2001). Mezclas bituminosas modificadas por adición de polvo de neumáticos. CEDEX ,Madrid. 2001. 82 p. 7. RAMIREZ GARCIA, José Luis, Tesis usos y aplicaciones del asfalto modificado con hule reciclado de llantas, México, 2004, 98 p.

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_______________________________________________________ 8. CRESPO VILLALAZ, Carlos, Vías de comunicación, México 2001, 717 p. 9. PEREZ JIMENEZ, Félix, Estudio, Diseño y control de mezclas bituminosas, Madrid 2006, 220 p. 10. GARNICA ANGUAS, Paul, Delgado Alamilla, Horacio, Gómez López José Antonio; González Madrigal, Álvaro, Comportamiento de la mezclas asfálticas modificadas con SBR, SCT, IMT, México 2004, 38 p. 11. GARNICA ANGUAS, Paul; Delgado Alamilla, Horacio; Sandoval Sandoval, Carlos Daniel, Análisis comparativo de los métodos Marshall y Superpave para compactación de mezclas asfálticas, SCT, IMT, México 2005, 48p. 12. Secretaría de Comunicaciones y Transportes; Anuario estadístico; México; 2009, 2010. 13. Asociación Mexicana del Asfalto; Protocolo AMAAC, México, 2010.

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Rheology of Asphalt Definitions, Hardware, Standards,

Markus Nemeth Anton Paar Germany GmbH 1

www.anton-paar.com

A Brief History American Association of State Highway And Tranportation Officials (AASHTO) initiated in 1989 the Strategic Highway Research Program (SHRP)

 Conceived as a means of designing and maintaining longer-lasting, safer roadways

 SHRP was part of the National Research Council with agency (state), industry and academic leadership. Program funding originated from state federal highway funds.

 Operations were under contract with private sector groups and universities, research focused in four areas:

• Flexible Pavements • Ridged Pavements and Structures • Highway Operations • Pavement Performance

 Results in development of AASHTO T 315 www.anton-paar.com

AASHTO T 315

Standard Method of Test for Determining the Rheological Properties of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR)

 For determining the LVE properties of binders for specification tests.  Specifically looking at the balance of elastic to viscous properties to achieve good performance across various temperatures and physical performance criteria.

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The binder

The binder  The binder just forms a part of the whole road pavement mixture and is used to bind solid additives such as sand or rock.  Measuring data for binders achieved according to the SHRP specifications have shown good correlation compared with the real wear resulted from normal traffic and climate.  In Europe, the binder used for the road construction is called ”Bitumen” while Americans mainly speaking of ”Asphalt” - nevertheless the road builders of both are meaning the same material.

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What is Bitumen? What is Asphalt?  Bitumen  Asphalt

= Binder = Binder + Additives (ash, ...)

Contents of binder  hydrocarbons  resins  paraffins, waxes and fats  heavy oils  proteins, lignins and complex oxygen, nitogen and sulfur compounds Formed by microorganisms as part of crude oil and coal. Residue from evaporation/distillation at 400 °C.

Example:

Bitumen 1 80 % hydrocarbons 10 % resins 1 % asphaltenes 9 % others

Bitumen 2 60 % hydrocarbons 20 % resins 15 % asphaltenes 5% others www.anton-paar.com

Requirements to road pavements

Major requirements are good dimensional stability, tightness to liquids and dust and sufficient grip.

SHRP tests will not be able to simulate all possible load conditions but should be able to verify binders and to provide information about the following phenomena: - Ruttings

- Fatigue cracking - Thermal cracking - Processibility

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Requirements to road pavements

Rutting (due to heavy trucks)

Permanent deformation of the pavement causes Aqua planning and loss of grip for tires = Danger

Fatigue cracking Binders fatigued by either volatilization of smaller molecules or oxidation. They will become brittle thus being unable to withstand the permanent, cyclic traffic load. Due to the harder consistency of the pavement, both the mobility of the binder’s macromolecules and the adhesion between binder and granule surface are decreased.

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Requirements to road pavements

Avoidance of thermal cracking Alternating climate conditions, especially low ambient temperatures in connection with the resulting material contraction, may cause cracks in aged pavements. North of Canada: -40°C to 60°C Spain: 0 to 60°C

Processability In road engineering, the hot mixtures consisting of binder, mineral additives and possibly recycled asphalt material are produced and homogenized at different high temperatures, e. g. at T = +155 to 163 °C. The binder resp.the final mixture must be capable of being pumped and poured.

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Performance grade of binders Performance grade The binder's PG (Performance Grade) grade is specified with regard to the climate conditions and the required resistance of the road pavement. Environmental conditions are specified in terms of Average 7-day maximum pavement design temperature X = the average of the highest daily pavement temperature for the 7 hottest consecutive days a year) Minimum pavement design temperature Y = lowest annual pavement temperature of the year)

Example : PG 64-28 means therefore the binder must be resistant from –28°C to 64°C

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Road pavement binders

 A rheological measurement on a binder and mineral mixture is not possible because of the large granules - thus the binder only is investigated. The rheological behavior of the mixture is affected largely by the binder.  Experiences have shown that measurements on the binder only yielded good correlations with the actual behavior of the final mixture.  The mixture's long-time characteristics occuring with high traffic volume is not fully predictable.

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Rheological Tests according to SHRP High Temperature Viscosity At temperatures of T > 100 °C, the viscoelastic behavior of most of the binders will get lost and the viscous flow behavior is dominating. A further increase in temperature will change to ideal-viscous behavior. Rotational tests used to analyze the viscosity at high temperatures from 100 to 200 °C should simulate the actual processing conditions.

According to the ASTM D4402, the dynamic viscosity preferably is measured at a speed of

n = 20 min-1 and at a temperature of T = 135 °C.

The limiting viscosity < 3 Pas must not be exceeded. This measurement is performed exclusively on unaged, original binders. www.anton-paar.com

Rheological Tests according to SHRP Oscillation tests using the Dynamic Shear Rheometer (DSR) According to SHRP and AASHTO specification TP5, the rheological behavior within a temperature range from T = +5 to +85 °C is determined using an oscillating rotational viscometer and a plate/plate measuring system.  Radian frequencies of 1 to 100 s-1 (preferably 10 s-1) should be applied to simulate a vehicle's running speed of v = approx. 80 km/h.  The device must be equipped with temperature sensors capable of being recalibrated. The sensor has to be checked on the accuracy of DT =  0.1 K (°C) every three months.  Oscillation measurements are carried out in the linear viscoelastic (LVE) deformation range because rheological measurements outside the LVE range hardly can be interpreted and the measurements becomes difficult www.anton-paar.com

Three tests on the same samples after different treatment Original Asphalt Binder as from the tank

Rolling Thin Film Oven (RTFO): Performed on artificially aged material using the Rolling Thin Film Oven in order to characterize the formation of ruttings after a defined period. (Short time aging due to evaporation and oxidation, after aprox. 1 year)

Pressure Aging Vessel (PAV): Performed on artificially aged material using the Pressure Aging Vessel in order to characterize the formation of fatigue cracking and thermal cracking. (Long time aging after 3 to 15 years) www.anton-paar.com

AASHTO T 315 Standardization Criteria

Temperature

 4° — 88°C at 6° increments.  Tolerance 0.1°C.  Every 6 months.  Using a “Portable Thermometer”  Must be recalibrated the same as the rheometer

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…Standardization Criteria…

Torque Transducer

 Verify performance of torque transducer indirectly, no fixture apparatus, tolerance ± 3%.

 Performed after temperature calibration every 6 months.  Only Cannon Viscosity Standard N2700000SP may be used.

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…Standardization Criteria…

Dimensional Tolerances: Test Plates

 Diameter and edge.  25 ± 0.05mm  ≥ 1.5mm edge  8 ± 0.02mm  ≥ 1.5mm edge

 Concentricity and Runout.  At current concentric conditions don’t have an tolerance per se, that is if a eccentric condition exists maintenance is required.  Runout is ≤ 20 μm www.anton-paar.com

Technical overview Smart Pave

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SmartPave Asphalt Rheometer according to TP5, T315-04  Based on MCR 102  High dynanical EC-Motor  Air bearing of extremely high stiffness  Torque range: 0.0005 to125 mNm  Angle resolution: < 0.1 mrad  Peltier System with actively heated hood  Automatic temperature calibration

 Easy to use Software especially designed for SHRP testing  Research Software available www.anton-paar.com

SmartPave Peltier Chamber with actively heated hood Screw connector

Guiding rail

Upper oven Measuring system Calibration sensor Inset 25 or 8 mm Peltier heated lower plate

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SmartPave Software supported Automatic Temperature Calibration with Certified Temperature Sensor  Position of the Calibration Sensor in the Rheometer at the sample location

 Quick Connection of the Calibration Sensor to the Rheometer electronic by a plug

AASTHO requires portable thermometer www.anton-paar.com

SmartPave  Fully Automated Temperature Calibration  Peltier Heating and Cooling

 Patented actively controlled Peltier hood  Accurate temperature control  No temperature gradients within the sample

 No Water Immersion of the sample needed  Sophisticated Research Software  For SHRP / AASHTO Testing: Simple and Easy to use Workbooks

 Guided Operation

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Rheoplus Supported Tests AASHTO T315 The standard defines 4 tests:    

Original Binder Deformation/Ruttings Rolling Thin Film Oven - RTFO Aged Binder Deformation/Ruttings Pressure Aging Vessel Residue - PAV Aged Binder Fatigue Cracking Linearity

Grading:    

Used to define the performance grade of an unknown sample Test at start temperature (58°C, 19°C for PAV) Test failed: o Temperature step until sample passes 6°C (3°C for PAV) Test passed: o Temperature step until samples fails

Verification:   22

Carried out at one pre-defined temperature To verify the grading of a sample (passed or failed)

Rheoplus Predefined Asphalt Workbooks

Predefined workbooks according to AASHTO T315 can be found in the Rheoplus

The Smart Applications guide the user through the setup of the instrument.

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Rheoplus Grading Tests AASHTO T315 – Grading Settings for grading tests  

Parallel-Plate: PP25/1mm gap or PP08/2mm gap for PAV Angular Frequency: 10 rad/s



Binder [ G*/sin(delta) > 1.0 kPa ] o Strain for Binder: 12% o Start temperature: 58°C o More temperatures: (46, 52, 58, 64, 70, 76, 82)°C RTFO [ G*/sin(delta) > 2.2 kPa ] o Strain for RTFO: 10% o Start temperature 58°C o More temperatures (46, 52, 58, 64, 70, 76, 82)°C PAV [ G*/sin(delta) < 5000 kPa ] o Strain for PAV: 1% o Start temperature 19°C o More temperatures (4, 7, 10, 13, 16, 19, 22, 25, 28, 31, 37, 40)°C





24

Rheoplus Grading Tests AASHTO T315 – Grading Settings for verification tests  

Parallel-Plate PP25 (PP08 for PAV) Angular Frequency for all samples: 10 rad/s



Binder [ G*/sin(delta) > 1.0 kPa ] o Strain for Binder: 12% o Performed at grading temperature RTFO [ G*/sin(delta) > 2.2 kPa ] o Strain for RTFO: 10% o Performed at grading temperature PAV [ G*/sin(delta) < 5000 kPa ] o Strain for PAV: 1% o Performed at grading temperature





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Asphalt Workbook RheoPlus Software with special simple to run Asphalt Workbooks

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Asphalt Workbook RheoPlus Software with special simple to run Asphalt Workbooks

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Tests results

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Test results Original Binder; Pass at 64, 70; Fail at 76 and 82 Criteria: |G*| /sind > 1.0 kPa

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Test results RTFO; Pass at 46, 58, 70

Criteria: |G*| /sind > 2.2 kPa

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Test results PAV (aged 12 hours); Pass at 28, 22, 16; Fail at 10 and 4 Criteria: |G*| · sind < 5000 kPa

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Methodology and Technique

Good Practices for Asphalt Testing Specific

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Sample Handling Heating

Volume

Time

 Gather information on the asphalt binder, this will dictate heating requirements.  i.e. Neat or Modified?

5 gal. (18.9 l)

6-7 hrs.

1 gal. (3.8 l)

2 hrs

1 qt. (1 l)

1-1.25 hrs

8 oz. (236.5 ml)

30-45 min.

3 oz. (88.7 ml)

20-30 min.

1 oz. (29.6 ml)

10-15 min.

 Heat the asphalt binder till it is sufficiently fluid, SAE 10W30 motor oil viscosity.  135°C for neat.  163°C for modified (higher as needed).

 Heating time varies by sample volume.

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Sample Handling…

Test Specimen Preparation  Direct pour  No mould.  Limits stearic hardening.  Referee method.

 Mould pouring  Can pour multiple specimens at once.  Convenient.  Can mount specimen on upper or lower plate.  Limit time in mould, 2 hrs max., stearic hardening a concern.

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Specimen Trimming

Cleanly trimming the specimen, this is very important. Excessive material (smears) leftover after trimming and/or removing too much material can lead to errors.

 Recommendations:  Keep specimen to a manageable size.  Trim in small sections.  Heat the trimming tool to appropriate temperature, avoid too hot (smoking) and too cool (pulling) conditions.  Trimming tool design important.

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Specimen Trimming

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AASHTO T315 Exclusive Asphalt Rheological Tests

New and future tests and their supporting accessories.

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Multiple Stress Creep Recovery Test

Involves 100 repetitions over the 1 second creep interval at a constant stress level and a 9 second recovery interval Template (NCHRP 9-10 test) is available which will work on both xx0 and xx1 SmartPaves with firmware versions 2.68 and higher, and Rheoplus v3.10 and higher Uses the loop function in the software to perform the repetitions Data analysis is included in the template

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Multiple Stress Creep Recovery Test

MSCR test runs 10 cycles each at 2 different stress levels. A template is available which runs the test at a selected temperature using a constant stress creep of 1.0 seconds duration followed by a zero stress recovery of 9.0 seconds duration. The test is run at two stress levels - 100 Pa and 3200 Pa. Ten cycles are run at each of the two stress levels for a total of 20 cycles Data analysis is included in the template This test is integrated into SHRP+ specifications

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Ground Tire Rubber Modified Binder Tests Concentric Cylinder (C-PTD 200) QC/QA test application using T315 as basis.

 Cup and bob test setup geared towards eliminating edge effects. • Edge effects occur due to increased gap size to accommodate GTR.

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Low Temperature Fatigue: Mixture Convection Temperature Device (CTD 450) Uses rectangular specimen of asphalt mixture.

 Research only; looking at characterization of fatigue properties.

 Could be useful in low temperature work when sample volume is not an issue unlike the proposed 4mm tests.

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DSR 4mm Testing

Small volume testing (4mm) for BBR comparable results. Plate/Plate measuring system with 4mm diameter Sample Volume is 25 mg Approx. -40°C to 60°C Used exclusively in research Needs further work: • Edge effect an issue • Sample prep issue • Slippage issue

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DSR 4mm Testing

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QUESTIONS?

::: Thank you for your attention!

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Octavo Congreso Mexicano del Asfalto Agosto 27 a 30, 2013 – Cancún, Quintana Roo

Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México Issues to consider for improving the quality of the pavements in Mexico Raúl Vicente OROZCO

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RVO y Cía., México, D.F. RESUMEN: Se describen los conceptos básicos que exige el buen comportamiento de los pavimentos en México, pasando revista a diferentes aspectos que deben siempre considerarse, a juicio del autor. Entre estos sobresalen los siguientes: La tendencia mundial al respecto y el enfoque geotécnico que debe estar presente: la rigidez relativa entre las capas del pavimento, dentro de su estructuración convencional o innovadora, la concentración de sólidos que, simultáneamente con el contenido de fluido (agua, asfalto, alquitrán de hulla, etc.) y su grado de saturación correspondiente, permite definir la propiedad fundamental deseada (resistencia, impermeabilidad, durabilidad, etc.). Otros aspectos se refieren al tránsito, clima, materiales, manejo del agua superficial y subterránea, deterioro primario y secundario, ajustes de prueba, características de aceptación (IRI, µ, ), normatividad, control de calidad (especificaciones), deslinde de responsabilidades, etc. ABSTRACT: It describes the basic concepts required by the good performance of pavements in Mexico, reviewing different aspects that must always be considered, in the opinion of the author. Among these the following stand: The world trend in this respect and geotechnical approach should be present: the relative stiffness between the layers of the pavement, in its conventional or innovative structure solids concentration that simultaneously with the content of fluid (water, asphalt, tar coal, etc..) and degree of saturation corresponding to define the desired fundamental property (strength, impermeability, durability, etc...). Other issues relate to traffic, weather, materials, management of surface water and groundwater, primary and secondary deterioration, test settings, characteristics of acceptance (IRI, μ, ), standardization, quality control (specifications) and demarcation of responsibilities.

1) INTRODUCCIÓN Salvo los casos en que la conservación de los pavimentos de las carreteras se está realizando concienzuda y oportunamente, porque los hay y muchos, se puede mejorar el comportamiento de otros, aunque estén dotados de una capa superior reciente de concreto asfáltico o de cemento Portland. La mejor manera de alcanzar el desempeño deseado en tales pavimentos consiste en pasar revista a todos los factores que intervienen durante su tiempo de utilización. A mi mejor leal saber y entender, considero que estas importantes obras de ingeniería requieren recibir la atención que se merecen desde todos los puntos de vista: usuario, vehículo, seguridad, economía, cálculo, proyecto, construcción, supervisión, control de calidad, conservación, operación, ecología, etc.

Por consiguiente, el espíritu de este escrito es expresar libremente las ideas que al respecto tiene el autor, muchas aprendidas o prestadas de otras especialidades, con el fin de aportar o recordar algo a los expertos en el seguimiento oportuno del buen comportamiento de los pavimentos (Orozco, 2012). 2) TENDENCIA MUNDIAL Para satisfacer simultáneamente las cualidades deseables en un pavimento (seguridad, durabilidad, rugosidad, comodidad, rigidez, economía y flexibilidad) ilustradas en la Fig. 1, a continuación se resume la tendencia mundial acerca de los pavimentos:  Modelación teórica más realista e innovadora del comportamiento de los pavimentos que incorpore la caracterización de los geomateriales obtenida de pruebas no destructivas.

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

Figura 3 Deformómetros fijos de impacto convencionales

Figura. 1 Cualidades de un pavimento

La aplicación de las "redes neuronales artificiales" es la técnica más reciente de análisis, como se ilustra en la Fig. 2 y se analiza en detalle por Beltrán G. y Romo M. (2012).

Figura 4 Deformómetros fijos de impacto de alto rendimiento

Figura. 2 Aplicación a los pavimentos de las redes neuronales artificiales

 Incorporación más efectiva de los conceptos básicos de la geotécnica (se puede decir geotecnia por la costumbre) durante el proyecto y la conservación de los pavimentos, mediante su evaluación sistemática con deformómetros de impacto (Figs. 3 y 4) y de rebote elástico (Figs. 5 y 6), además de los perfilómetros láser (Figs. 7 y 8) y otros equipos complementarios de gran rendimiento.

Figura 5 Deformómetro rodante pesado de rebote elástico

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OROZCO S, RV

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Figura 6 Deformómetro rodante ligero de rebote elástico

Figura 9 Simulador vehicular pesado para pruebas destructivas

 Disponibilidad de información y datos precisos, altamente confiables, tanto de campo como de laboratorio, obtenidos de organismos oficiales e instituciones de investigación asociadas con empresas de consultoría y de construcción. Figura 7 Perfilómetro láser de gran rendimiento para carreteras en operación

Figura 8 Perfilómetro láser ligero para control de calidad durante la construcción

 Aplicación necesaria de parámetros geotécnicos más significativos, para suprimir el uso generalizado de conceptos totalmente empíricos, como el CBR (California Bearing Ratio). Estos conceptos ya cumplieron amplia y satisfactoriamente su misión de épocas pioneras.  Apoyo en la auscultación del comportamiento de los pavimentos mediante métodos indirectos (no destructivos), a partir de investigaciones formales en tramos de prueba a escala natural y con simuladores vehiculares pesados muy eficientes, como el ilustrado en la Fig. 9.

3) ENFOQUE GEOTÉCNICO A raíz de la definición de geotécnica en el diccionario de la lengua española (Real Academia Española, 1992, 2001): "Aplicación de los principios de ingeniería a la ejecución de obras públicas en función de las características de los materiales de la corteza terrestre", viene a la mente una serie de reflexiones ligadas a lo que llamamos coloquialmente "geomateriales", cuyas tecnologías debemos estudiar y conocer, para aprovecharlos en las obras de ingeniería. Desde luego que la geología, la mecánica de suelos y la de rocas, más otras especialidades afines, pertenecen a la geotécnica que es la matriz de todas. Con respecto al buen comportamiento de los pavimentos, debe tomarse siempre en cuenta el enfoque geotécnico como fundamental para lograrlo, cualquiera que sea el geomaterial, como los concretos: asfáltico, de cemento Portland, cálcico, alquitránico, azúfrico y zeolítico. Por ejemplo, en algunas calles de Monclova, Coah. se han construido pavimentos de buen comportamiento, elaborados a base de escoria de fundición y alquitrán de hulla, ambos geomateriales procedentes de Altos Hornos de México, S.A. de C.V.(RVO y Cía, 1990). En Tabasco se tiene experiencia en concreto azúfrico-asfáltico para pavimentos carreteros con buen comportamiento (Ing. Pedro Corona Ballesteros). El concreto zeolítico, constituido por varios geomateriales (suelos del lugar, zeolita artificial activada, cemento Portland y agua), tiene mucha aceptación por las múltiples propiedades alcan-

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

zadas simultáneamente (antifisuramiento por la alta resistencia a la tensión, impermeabilidad y antierosión muy alta, entre otras); en México, hay varios ejemplos del buen comportamiento de estos pavimentos en Tabasco (Figs. 10 a 12), Michoacán (Figs. 13 y 14), Guanajuato (Figs. 15 y 16) y otros estados.

Figura 12 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)

Figura 10 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)

Figura 13 Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal (Morelia)

Figura 11 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)

Figura 14 Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal en arcillas expansivas (Morelia)

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de impacto (Figs. 3 y 4). En las Figs. 18 y 19 se ilustran las cuencas típicas para los desplazamientos verticales, comúnmente denominadas "cuencas de deflexión".

Figura 15 Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)

Figura 17 Sección estructural “invertida” con la base comparada con el balasto de FC

Figura 16 Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)

4) RIGIDEZ RELATIVA ENTRE CAPAS Como toda obra de ingeniería, hasta una vivienda de interés social, se requiere la cimentación de la misma con el módulo elástico suficiente para absorber los esfuerzos y las deformaciones que inducen las cargas transmitidas por el tránsito. La capa de sustentación o "zapata continua de cimentación" conviene que sea más rígida que las superiores o, dicho en otras palabras, "lo mejor va de abajo hacia arriba". Debe escogerse bien el nivel de desplante en el terreno de cimentación, como se ilustra en la Fig. 17. Hay varios casos de aplicación que conviene conocer (Orozco, 2012). Considero que la capa superior del pavimento debe estar concebida como la parte "cómoda" para el usuario: antiruidos, antibrincos, antiacuaplaneo, antiderrapante, o sea: confortable y segura. La rigidez de las capas, medida con el "módulo elástico" es ahora ya un procedimiento tan rutinario que es muy sencillo obtenerlo por retrocálculo ("solución al problema inverso"), a partir de las cuencas de desplazamientos verticales obtenidas de mediciones con equipos no destructivos, como el deformómetro

Figura 18 Cuencas de desplazamiento vertical típicas

Figura 19 Perfiles de desplazamientos obtenidos con el deformómetro de impacto

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verticales

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

5) DURABILIDAD Y NIVEL DE CALIDAD Este concepto está íntimamente ligado a la vida de un pavimento y comienza con los niveles de calidad admisibles para cada elemento constitutivo, empezando por nosotros mismos. Si nuestro nivel de calidad personal es inadmisible, ¿Que esperamos del comportamiento de un pavimento? (Orozco, 2001). En primer lugar, los geomateriales pueden ser NOBLES, es decir: sanos y limpios, resistentes e inocuos, económicos y manejables, ..., o CONFLICTIVOS: expansivos o colapsables, blandos u orgánicos, reactivos o degradables, ... , los cuales requieren tratamiento especial (cal, cemento Portland, zeolitas artificiales activadas, agua, asfalto, ...) para transformarlos en NOBLES. En segundo lugar, tales geomateriales deben ser adaptables a las condiciones variables del clima, es decir: a los cambios extremos de temperatura y de humedad. Sabemos que es impredecible conocer el calor y el frío esperados, así como la lluvia y la evaporación, pero sí es posible seleccionar los geomateriales de mejor comportamiento: naturales o artificiales (hechos por el hombre). En tercer lugar, se debe tener grabado en la mente que, para prevenir la fatiga de los pavimentos por la acción adicional del tránsito, es imperioso fijar los niveles de calidad o raseros límite "ADMISIBLE e INADMISIBLE”, como se ilustra en la Fig. 20. El índice Estructural (Ie) se explica en el Cap. 6 (Orozco, 2012).

mo nivel de calidad concebido desde el inicio de la obra, para alargar su vida con el mínimo de costos y molestias al usuario. Estas ideas de esquematizan en la Fig. 21.

Figura 21 Conservación de pavimentos seguros y confortables

En cuarto lugar, es necesario estar consciente de que el nivel de calidad (transformado a especificación) de un pavimento se refiere a su geometría y sus acabados, geomateriales y procedimientos constructivos. Además, desde que se gesta la "idea", con las subsecuentes actividades de Planificación, Estudios, Proyecto, Construcción, Supervisión, Control de calidad, Conservación y Operación, el nivel de calidad debe ser el mismo durante toda la vida esperada de la obra. En la Fig. 22 está anotada entre paréntesis la palabra clave de cada responsable de las actividades inherentes, para su deslinde.

Figura 20 Durabilidad, prevención de la fatiga y nivel de calidad

Obsérvese que la capacidad de carga relativa (Calificación estructural, Ce) va disminuyendo gradualmente con el tiempo y, por ende, la durabilidad de las capas del pavimento, hasta llegar a la etapa de rehabilitación. De no hacerse esta acción o este "paréntesis", el deterioro incipiente continuará hasta entrar al deterioro crítico por fatiga y a la etapa de reconstrucción, la cual corresponde ya al deterioro extremo. Por eso, la misión de la conservación de carreteras consiste en MANTENER siempre el mis-

Figura 22 Deslinde de responsabilidades en cada actividad de control

En quinto lugar, pero que es de lo más importante, está el tránsito, tanto el actual como el futuro, donde deberá tomarse en cuenta toda la disciplina que exis-

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te al respecto (tránsito horario, diario, promedios mensual y anual, intensidad de cargas y distribución de los ejes, además de su tiempo de aplicación; el tránsito generado o desviado, la evolución de las tasas de crecimiento, etc.) 6) ESTIMACIÓN TEÓRICO-PRÁCTICA DEL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS Según se trate de un pavimento nuevo, por rehabilitar, modernizar o reconstruir, se requiere su modelación geotécnica con métodos de análisis mecanicistas y empíricos a la vez, donde se asignen los posibles "módulos elásticos" de los geomateriales en cada capa, para escoger las opciones de solución más prometedoras. En la Fig. 23 se sugieren algunas combinaciones de capas para estructurar un pavimento y en la Tabla 1 se presentan algunos "módulos elásticos" obtenidos a partir de mediciones con métodos no destructivos (Orozco, 2005).

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Las evaluaciones sistemáticas superficiales (Figs. 7 y 8) y estructurales (Figs.3 y 4) con deformometros de impacto, el levantamiento de deterioro a pie y con video, la obtención de Índices Estructurales (Fig. 24 y Tabla 2), espesores de capa con sondeos y radar de penetración superficial, módulos de resiliencia, módulos Marshall y otros (dinámicos, "elásticos", de deformación, etc.), las propiedades índice de los geomateriales, etc., son práctica común en México para coadyuvar en las simulaciones con métodos mecanicista-empíricos, para las opciones de solución más prometedoras, sobre todo en carreteras ya construidas.

Figura 24 Índice estructural (Ie). Carretera VillahermosaEscárcega km 37 Tabla 2 índice estructural de pavimentos flexibles Calificación Estructural (Ce) 10 9 8 7 6 5

Figura 23 Estructuración de pavimentos Tabla 1 Rigidez “in situ” de las capas de pavimento Geomaterial

Concreto Suelos Gruesos Suelos Finos

Módulo elástico (E), kg/cm²

Relación de Poisson ()

Recomendado Obtenido* Asfáltico 30000-40000 5000-60000 0.35 Portland 250000-400000 150000- 450000 0.15- 0.20 Compactado 70000-120000 40000- 100000 0.25-0.35 Bases 3000-5000 1500- 4000 0.40 Sub-bases 2000-4000 700- 2000 Sub-rasantes y 0.45 300 a 1500 70 a 1000 capas inferiores

* A partir de mediciones con el deformómetro de impacto (FWD y HWD)

Después se efectúan las simulaciones de las opciones escogidas y se enlista el orden de preferencia de acuerdo con el enfoque geotécnico, para que posteriormente se hagan los ajustes por la influencia de factores económicos, políticos y sociales, pero siempre con la meta del nivel de calidad prefijado. "Más vale hacer pocos kilómetros de buenas carreteras que muchos mal hechos".

Excelente Muy buena Buena Regular Mala Pésima

Índice Estructural (Ie) 0 a 0.05 0.05 a 1 0.1 a 0.2 0.2 a 0.3 0.3 a 0.4 > 0.4

Solución a considerar Tratamiento Superficial Reforzamiento Recuperación in situ

7) MANEJO DEL AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA El olvido de este tema es el principal causante del mal funcionamiento de una carretera. De acuerdo con la experiencia mexicana sobre el particular, deben tomarse en cuenta los principales aspectos siguientes: a) Para el agua superficial sobre la corona del camino  Exagerar más el "bombeo "mínimo de la sección transversal: desde 2.5 hasta 3%. Una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, sin causar erosión  Colocar la carpeta en todo el ancho de la corona de la sección transversal, sea de cualquier geomaterial: concreto asfáltico, de cemento Portland, zeolítico, azufrico, etc.

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Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

 Prohibir la protección de los acotamientos con tezontle, por la inevitable inseguridad que se induce causada por los diferentes coeficientes de fricción en las superficies  Prohibir los "bordillos" construidos en la corona del camino porque solamente pasean y guardan el agua a manera de canal hidráulico, aumentando la inseguridad por acuaplaneo, disminuyendo la durabilidad de las capas, etc. Recuérdese lo ya dicho: "una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, no pasearla encima del mismo" (véanse las Figs. 25 y 26). Los" bordillos" podrían colocarse sólo en casos especiales, donde no exista vegetación o material granular grueso para la protección de los terraplenes y cuando los suelos sean muy erosionables, con lavaderos completos y rugosos, de boquillas amplias y sin obstrucciones.

Figura 27 Flujo de una capa drenante

b) Para el agua subterránea bajo el pavimento

Figura 25 Lavaderos y “bordillos” inútiles

 Utilizar la sección transversal "invertida" (véase la Fig. 17) porque tiene esencialmente mucha grava gruesa y permeable que permite el flujo libre del agua e impide la ascensión capilar de la misma a la capa superior  Acostumbrarse a los subdrenes con geomateriales filtrantes (gravas y arenas naturales o geotextiles sintéticos) que eviten la migración de finos y permitan el flujo del agua limpia hacia los colectores de drenaje  Animarse a construir drenes horizontales de penetración en cortes y considerar trincheras estabilizadoras como se esquematiza en las Figs. 28 y 29.  Construir drenes en los cortes protegidos de concreto lanzado y en algunas bermas estabilizadoras

Figura 26 Peligro de acuaplaneo en puentes

 Construir las verdaderas "carpetas drenantes", "generosas" para impedir el acuaplaneo. Durante la lluvia de proyecto permiten el flujo del agua hacia los lados, tomando en cuenta el espesor, la pendiente crítica (longitudinal o transversal) y el coeficiente de permeabilidad (k), como se esquematiza en la Fig. 27. El coeficiente de fricción (µ) debe mantenerse en los niveles de seguridad.

Figura 28 Control del flujo subterráneo

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9) RECOMENDACIONES Primera: Para que un pavimento tenga un buen comportamiento es necesaria su oportuna evaluación superficial y estructural, de tal manera que durante la vida esperada se mantengan, dentro de los límites especificados, los siguientes indicadores de calidad (Orozco, 2012):

Figura 29 Control del flujo subterráneo c) Comentarios generales

    

Índice Estructural (Ie) ”Módulo Elástico” (E) Coeficiente de permeabilidad (k) Coeficiente de fricción (µ) Índice de Regularidad Superficial (IRI)

 Debe recordarse y tenerse siempre presente la frase célebre de Leonardo da Vinci: “Cuando del agua se trata, usa la experiencia, nó la razón"  El agua fluye de las regiones del suelo con mayor succión (presión de poro negativa) a las de menor succión; en otras palabras, generalmente una gota de agua fluye de lo más impermeable a lo más permeable.

Segunda: “Tomar en cuenta otros factores que intervienen en el proyecto, la construcción y la operación de los pavimentos, con el fin de establecer y poner a prueba más indicadores de calidad que coadyuven a mejorar el comportamiento de los pavimentos en México” (Orozco, 2012).

8) SELECCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS (COMPACIDAD).

Beltrán G.I. et al (2012). “Assessing Artificial Neural Networks Performance to Estimate Layer Properties of Pavements”, Instituto de Ingeniería UNAM, México, D.F., Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería, Bogotá, Colombia. Revista Applied Soff Computing. Orozco S, RV (2001). “La Calidad no es un Arte, es un Hábito”, XVII Reunión Nacional de Laboratorios de Control de Calidad de Materiales de Construcción, ANALISEC, Ixtapa, Gro. Orozco S, RV (2005). “Evaluación de Pavimentos Flexibles con Métodos no Destructivos” (Tesis Doctoral), UNAM. Orozco S, RV et al (2012). “Criterios geotécnicos básicos para aumentar la vida estructural de un pavimento”. Revista Geotecnia No. 223, SMIG. Orozco S, RV (2012). “Reflexiones para Mejorar el Comportamiento de los Pavimentos en México”, Jornada Técnica de Evaluación del Desempeño de Carreteras Mediante Indicadores de Calidad, AMIVTAC Deleg. Morelos, Cuernavaca, Mor. Orozco S, RV (2012). “Aspectos a Considerar para Mejorar el Comportamiento de los Pavimentos en México”, XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, SMIG, Cancún, Q. Roo. RVO y Cía, SA de CV (1990). Asesoría sobre el Aprovechamiento de Escoria de Fundición y Alquitrán de Hulla en la Construcción de Pavimentos para Vialidades, Monclova, Coah. (AHMSA). Real Academia Española (1992): Diccionario de la Lengua Española, Editorial ESPASA CALPESA, Edición XXI, Madrid, España.

La concentración de sólidos (compacidad), C, viene a ser el volumen de materia sólida (Vs) que ocupa el volumen total (Vt) del geomaterial (suelo, roca o cualquier concreto) y es equivalente a la relación entre el peso volumétrico seco (d) y el de los sólidos (d). Todo esto tiene una teoría para definir las diversas curvas de igual propiedad fundamental (Orozco, 2012). En la Fig. 30 se presenta un ejemplo de curvas "isocaracterísticas” para el módulo de resiliencia de un suelo.

Figura 30 Diagrama “CAS”-Curvas isocaracterísticas del módulo de resiliencia

10) REFERENCIAS

ASOCIACIÓN MEXICANA DEL ASFALTO, A.C. (AMAAC)

10

Aspectos a considerar para mejorar la calidad de los pavimentos en México

Real Academia Española (2001): Diccionario de la Lengua Española, Edición XXII, Madrid, España. http://buscon.rae.es/drael/.

ASOCIACIÓN MEXICANA DEL ASFALTO, A.C. (AMAAC)

Análisis de propiedades de desempeño de un ligante asfáltico Claudia L. Pacheco Flores* Horacio Delgado Alamilla** Paul Garnica Anguas** * Asociación Mexicana del Asfalto (AMAAC). ** Instituto Mexicano del Transporte (IMT). RESUMEN. Con el incremento en los niveles e intensidad de tránsito en las carreteras, en general, es necesario utilizar materiales asfálticos modificados. En la actualidad se cuenta con la especificación AASHTO M320 que fue desarrollada durante el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP por sus siglas en inglés), dicha especificación está basada principalmente en el estudio de ligantes asfálticos con un comportamiento termo-reológicamente simple, por lo cual no está adaptada para ligantes asfálticos modificados. Para este tipo de materiales es necesarios realizar ensayos complementarios, los cuales permitan evaluar la susceptibilidad del asfalto a propiedades de desempeño como son la deformación permanente y la fatiga. En el presente estudio presenta dos metodologías de ensayo para la determinación de propiedades de desempeño del ligante asfaltico. Ambos ensayos son realizados en el Reómetro de Corte Dinámico (DSR). El primer ensayo es el Multiple Stress Creep Recovery (MSCR), el cual se realiza en muestras asfálticas envejecidas en el horno RTFO. Este ensayo permite estimar la susceptibilidad del ligante asfáltico a la deformación permanente (roderas). La prueba MSCR se realiza a dos niveles de esfuerzo a una temperatura especificada, el ensayo es tipo impulsión (ciclo de carga seguido de ciclo de reposo). El parámetro a determinar es el Jnr Compliance Creep No Recuperable. El segundo es un ensayo a carga cíclica repetida (RCL) el cual se realiza en muestras envejecidas en el horno RTFO. Este ensayo permite determinar la resistencia de un ligante asfáltico a la fatiga mediante una solicitación repetida que simula el tránsito. La prueba MSCR se puede realizar a dos niveles de solicitación a una temperatura especificada, el ensayo es tipo continuo. El análisis es realizado mediante la Relación de Energía Disipada (DER). En el presente estudio se ejemplifican estas dos metodologías utilizando un asfalto modificado y sin modificar y se discute la pertinencia de los ensayos.

1. INTRODUCCIÓN

2. ANTECEDENTES

El asfalto es un material muy versátil que tiene muchas aplicaciones industriales. Aproximadamente 100 millones de toneladas métricas de asfalto son usadas anualmente a nivel mundial y aproximadamente el 85% de todo el asfalto es usado es usado en aplicaciones de pavimentación. En el continente Americano aproximadamente 34 toneladas métricas son las que se utilizan por año (3). De aquí la importancia de conocer el comportamiento que tiene el asfalto cuando es sometido a cambios climáticos y a niveles de tráfico. En este estudios se analiza un asfalto modificado y sin modificar por medio de la metodología del ensayo Multiple Stress Creep Recovery y la metodología “Resistencia a la fatiga de un ligante asfáltico sometido a carga cíclica repetida usando un reómetro de corte dinámico”, RCL por sus siglas en ingles. En los antecedentes se habla de la clasificación PG, de la modificación del asfalto, y lo que llevo a la investigación a realizar estas nuevas metodologías. En materiales y métodos se describe el objetivo de cada una de las metodologías y se explica las condiciones en las que se realiza cada ensayo, también se describe el procedimiento; para MSCR se explica de acuerdo a la especificación MP70 y MP19 de AASHTO y para RCL acuerdo a NCHRP 459. En los resultados exponen tablas y las gráficas de lo que se obtuvo en el ensayo de MSCR y en el ensayo de RCL. Al final de este estudio se mencionan las conclusiones.

2.1. Clasificación PG. Reconociendo las deficiencias en los sistemas de clasificación de viscosidad y penetración las agencias estatales de carreteras decidieron financiar un programa de investigación para desarrollar un nuevo sistema de la especificación del asfalto para pavimento. En 1987 el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP por sus siglas en inglés) comenzó a desarrollar nuevos ensayos relacionados con el desempeño para medir las propiedades físicas del de los ligantes asfálticos. Un resultado importante de este esfuerzo de investigación con una inversión de 50 millones de dólares fue la especificación para ligantes asfálticos con grado de desempeño. Ésta especificación fue diseñada tanto para asfaltos no modificados así como para modificados. El sistema de ligante asfáltico PG incluye los siguientes equipos de ensayos: viscosímetro rotacional (RV por sus siglas en inglés) para medir las propiedades a altas temperaturas, el reómetro de corte dinámico (DSR por sus siglas en inglés) para medir propiedades a altas e intermedias temperaturas, el reómetro de viga a flexión (BBR por sus siglas en ingles) y el ensayo de tensión directa (DTT por sus siglas en inglés) para medir propiedades a bajas temperaturas y los procedimientos de envejecimiento a corto y largo plazo. El Horno Giratorio de Película Delgada (RTFO por sus siglas en inglés) simula el endurecimiento durante la etapa constructiva, el contenedor de envejecimiento a presión (PAV por sus siglas en inglés) simula el envejecimiento durante su vida útil. La especificación de ligantes asfálticos grado PG y los métodos para caracterizar los ligantes asfálticos están

descritos en AASHTO M320 (1). En la Figura 1. Se muestran los equipos de ensayos mencionados anteriormente.

Figura1. Ensayos de asfaltos grado PG con envejecimiento.

2.2 Modificación de asfalto Un material asfáltico sin modificar no tiene los requisitos de desempeño para la construcción de caminos, los cuáles son cada vez más sometidos a cargas pesadas, tráfico pesado y a varias condiciones climáticas. La modificación ha sido utilizada como una de las alternativas para mejorar las propiedades del ligante asfáltico (2). Generalmente se piensa que todos los ligantes asfálticos modificados son producidos de varias maneras, incluyendo polimerización y modificación química, o por medio de la incorporación de un material que cambie su comportamiento. Los polímeros pueden ser clasificados en función de sus propiedades físicas. Las encuestas realizadas durante la investigación NCHRP 9-10 (llamado “Superpave Protocols for Modified Asphalt Binders”) en 1996 indican que los elastómeros, y más específicamente polímeros SBS, fueron los modificadores más comúnmente usados. En sus respuestas, la mayoría de los usuarios indicaron que ellos seleccionaban modificadores elastoméricos para ayudar a mitigar la deformación permanente o “rutting” de los pavimentos asfálticos. La mitigación de fatiga y el fisuramiento por baja temperatura fue también visto como un beneficio potencial. (3). 2.3. Grado de Desempeño del ligante asfáltico usando el ensayo Multiple Stress Creep Recovery (MSCR). El objetivo de la especificación PG para ligantes asfálticos fue el uso de grados de desempeño específico para un deterioro y relacionados con el clima y las cargas de tráfico. Por lo tanto las mediciones de las pruebas deben ser hechas a temperaturas y velocidades de carga consistentes con las condiciones existentes del pavimento. Con este enfoque, los criterios alta temperatura quedan iguales para el módulo de corte dinámico (G*/seno δ, 1.00 kiloPascal para ligantes sin envejecer y 2.20 kiloPascal para ligantes envejecidos en RTFO) sin importar la ubicación del pavimento. Sin embargo, la temperatura de

prueba en donde estos deben cumplirse se deriva de la temperatura actual del pavimento. Este concepto funcionaba muy bien para pavimentos con velocidades convencionales y volúmenes de tráfico moderado, la investigación indicó que se requería un ajuste para pavimentos velocidades bajas de carga y volúmenes altos de tráfico. No se hizo ningún cambio en los criterios y/o en las condiciones de prueba para reflejar un cambio el tiempo de carga y el volumen de tráfico, simplemente se hizo un ajuste en base a la velocidad y volumen de tráfico al hacer un “grade-bumping” o realizar los ensayos a una temperatura mayor que las indicadas por el clima (3). 2.3.1 Incremento por intensidad de tránsito y velocidad de operación (Grado Bumping) Cuando el tráfico de camiones es muy pesado o la velocidad es muy lenta, tal como en intersecciones, carriles de ascenso, áreas de estacionamiento, entre otras, grados de ligante más rígidos pueden ser justificados. El incremento del grado PG generalmente se realiza cuando el tráfico de camiones es lento o pesado. La especificación superior o la temperatura de diseño del pavimento puede ser aumentada por uno o dos grados. Por ejemplo tráfico de camiones pesado y lento pueden justificar un incremento de 2 grados, desde un PG 64-22 a un PG 76-22. Note que la temperatura de especificación más baja sigue siendo la misma. Los típicos valores del incremento podrían incluir: 1. Un grado para tráfico lento e intersecciones. 2. Dos grados para tráfico detenido y zonas de peaje. 3. Un grado para tráfico de camiones moderado. 4. Dos grados para tráfico pesado de camiones. El incremento debe ser siempre limitado a no más de dos grados independientemente de las condiciones de tráfico (4). En la Tabla1. se muestra el ajuste del grado PG por intensidad de tránsito y velocidad de operación para mejorar la resistencia a la formación de roderas en AASHTO M323. Esto quiere decir que un ligante asfáltico más rígido sería usado en condiciones de alto volumen o baja velocidad de tráfico. Tabla 1. AASHTO M323 Tabla 1.

ESALs (M) < 0.3 0.3 - < 3 3 - < 10 10 - < 30 ≥ 30

Ajuste para el grado PG a Alta-Temp Velocidad de operación de la Carga de Tráfico Detenido Lento Estándar 2 1 2 1 2 1 2 1 1

El problema del “incremento” en el sistema PG es que un asfalto PG 64-22 tendrá unas propiedades de

desempeño, determinadas a una temperatura que sería superior a la temperatura más alta que el pavimento experimentará. Esto ocasiona que los proveedores de asfaltos elaboren asfaltos que son fuertemente modificados y por lo tanto muy difíciles de manejar a temperaturas razonables. Otro objetivo del sistema PG era que las propiedades de desempeño que definen el grado PG de un ligante asfáltico no se verían afectadas por la modificación. En otras palabras, se esperaría que todos los ligantes asfálticos con el mismo grado de desempeño se comportaran de la misma manera bajo las mismas condiciones de tráfico y ambientales sin importar cómo son producidos. En teoría sería un sistema más general de clasificación ya que abarcaba diferentes tipos de modificador en una misma clasificación. El criterio de aceptación G*/seno δ captura los efectos viscosos y elástico del ligante asfáltico, sin embargo, no es capaz de determinar la influencia del modificador en el comportamiento mecánico. Uno de los grandes problemas de esta metodología es que sólo fue validada dentro del rango viscoelástico lineal. Estos problemas causaron que los investigadores continuaran buscando una mejora en el parámetro de alta temperatura, G*/seno δ, usado en AASHTO M 320. Sus esfuerzos provocaron el desarrollo de un nuevo procedimiento de prueba, la prueba Multiple Stress Creep Recovery (3). 2.4 Fenómeno de Fatiga en ligantes asfálticos La fatiga es considerada uno de los fenómenos de daño más complicados en pavimentos asfálticos. El daño por fatiga también es una de las formas de fisuramiento que resulta de la carga repetida de tráfico. Esto ocurre a temperatura baja y moderada en pavimentos envejecidos. Determinar cómo los modificadores afectan las propiedades del asfalto con respecto al daño por fatiga ha significado un reto, debido a los altos niveles de complejidad del material asfáltico modificado. Varios investigadores están de acuerdo con que las definiciones actuales de falla a la fatiga no son adecuadas y que el sistema de medición actual para las propiedades de ligantes, llamado “Superpave grading system”, está basado en suposiciones y simplificaciones que resultan en una importante falta de representación de las condiciones del pavimento, incluyendo la velocidad del tráfico, volumen del tráfico, estructura del pavimento y ciclos de enfriamiento térmico. El esfuerzo para desarrollar un nuevo ensayo se centró en simular el fenómeno de fatiga en un ensayo de fatiga al ligante-sólo tal que el comportamiento del daño podría ser directamente monitoreado. El DSR se utilizó para llevar a cabo este nuevo ensayo, el cual es llamado “time-sweep test”. El ensayo provee un método simple de aplicación de ciclos repetidos de carga de esfuerzo o deformación a temperaturas seleccionadas y frecuencias de cargas. Los

efectos de las condiciones de frecuencia, temperatura, esfuerzo y deformación pueden ser medidos con este ensayo (5-8). 3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Ensayos para ligantes Grado PG. De acuerdo a AASHTO M320 los requerimientos para ligantes asfáltico de grado PG se mencionan brevemente a continuación: Punto de inflamación.- El ensayo más común para determinar el punto de inflamación de un ligante asfáltico es el ensayo de punto de inflación de la Copa Abierta de Cleveland (COC por sus siglas en inglés). El ensayo permite determinar la temperatura mínima a la cual un ligante asfáltico produce flamas instantáneas al estar en contacto con el fuego directo, así como aquella que inicia su combustión. Viscosidad rotacional.- El ensayo de viscosidad rotacional es usado para determinar las características de flujo de un ligante asfáltico a una temperatura alta para proporcionar una cierta garantía de que puede ser fácilmente bombeado y manejado en la planta de mezcla en caliente. El viscosímetro rotacional consiste en un cilindro que mide la viscosidad mediante un torque necesario para mantener la velocidad constante en un eje. Reómetro de Corte Dinámico (DSR).- Es usado para ensayar ligantes asfalticos y medir sus propiedades reológicas, incluyendo el módulo complejo de corte (G* pronunciado como “G estrella”) y el ángulo de fase (δ letra griega “delta”) en el amplio rango de temperaturas. Para el asfalto virgen y para el residuo obtenido por el horno rotatorio de la película delgada, se utilizan para ensayar dichos asfaltos los platos paralelos de 25mm y con una separación entre ellos de 1000 micras, para el asfalto obtenido después del envejecimiento en PAV se utilizan platos paralelos de 8mm y una separación entre ellos de 2.0mm. La deformación permanente se controla limitando el valor mínimo de (G*/seno δ) a 1.00 kPa (antes del envejecimiento) y a 2.2 kPa (luego de envejecido en RTFO). El agrietamiento por fatiga es controlado limitando el valor de (G*·seno δ) del asfalto envejecido en PAV a un máximo de 5000 kPa. Envejecimiento en el horno rotatorio de la película delgada (RTFO por sus siglas en inglés).- Para comenzar el ensayo los vasos de muestra son colocados en un carrusel que gira verticalmente en un horno operando a alta temperatura. El RTFO es empleado para medir el efecto de calor y aire de una muestra virgen de asfalto, esto consiste en un envejecimiento por rotación de una película delgada de muestra de asfalto a través de inyección de aire y una temperatura de 163° C por un periodo de 85 min. Este procedimiento se realiza no sólo para producir para producir un asfalto oxidado que pueda emplearse para ensayos adicionales (DSR y material base para PAV).

Contenedor de envejecimiento a presión.- El contenedor de envejecimiento a presión (PAV por sus siglas en inglés). El PAV expone al ligante asfáltico al aire a alta presión y a temperatura por 20 horas para simular los efectos de envejecimiento a largo tiempo. Porque el asfalto que ha sido expuesto a envejecimiento a largo tiempo también ha pasado por el proceso de mezclado y construcción, el procedimiento PAV utiliza ligantes asfalticos que han sido previamente envejecidos en el RTFO. Por medio de aire presurizado a 2.1 MPa y una temperatura de 100°C por un periodo de 20 horas. La muestra obtenida se emplea para determinar la temperatura límite a la fatiga y la realización de las vigas empleadas en el reómetro de viga a flexión. El reómetro de la viga a flexión (BBR).- Es usado para determinar la rigidez o el compliance a la flexión por creep y el valor m. Es operado dentro del rango de temperatura de -36°C a 0°C.

El objetivo de este método es identificar la presencia de la respuesta elástica en un ligante y el cambio en la respuesta elástica a dos diferentes niveles de esfuerzo mientras está sujeta a 10 ciclos de esfuerzo creep-recuperación. Se ha mostrado que la compliance creep no recuperable es un indicador de la resistencia de un ligante asfáltico a la deformación permanente bajo carga repetida. En la Figura 3.2 se muestra un ciclo del ensayo MSCR.

3.2 Multiple Stress Creep Recovery (MSCR). 3.2.1 Parámetro de especificación. Una alternativa para evaluar la susceptibilidad del asfalto a la deformación permanente es un ensayo mecánico. Aunque varios modelos han sido utilizados para describir el comportamiento de los ligantes asfalticos, el modelo de Burgers de cuatro-elementos, el cual se muestra en la Figura 3.1, brinda una buena representación del comportamiento del ligante. Este modelo es la combinación de un modelo Kelvin en paralelo y un modelo Maxwell en serie (ver Figura 3.1). La siguiente ecuación representa el compliance creep J(t), en términos de su componente elástica J(e), componente elástica retardada (Jde), y su componente viscosa (Jv):

Figura. 3.1. Modelo de Burgers y su respuesta.

J(t) Je Jde (t) Jv (t) Basado en esta separación de la respuesta creep, la compliance puede ser usada como un indicador de la contribución de los ligantes a la resistencia a la formación de roderas. En lugar de usar la compliance (Jv), el cual tiene una unidad de (1/Pa), y para ser compatible con el concepto de rigidez introducido durante SHRP, se puede utilizar el inverso del compliance, Gv (1/Jv). Gv es definido como la parte viscosa de la rigidez creep (creep stiffness . La respuesta creep-recovery medida con el DSR puede ser usada para estimar el valor de Gv y la deformación permanente acumulada para cualquier combinación seleccionada de tiempo de carga y descarga (6). 3.2.2 Procedimiento del ensayo MSCR. El siguiente procedimiento está referenciado a MP70, que es el ensayo de MSCR usando un reómetro de corte dinámico (DSR).

Figura. 3.2 Ciclo 1, ensayo de MSCR.

Como primer paso del procedimiento de la prueba es acondicionar la muestra de asfalto a ensayar en el RTFO. La muestra para MSCR es preparada para usarse en los platos de 25 mm. La prueba es realizada a la temperatura seleccionada usando un esfuerzo creep constante (1.0 s) seguido por una recuperación a esfuerzo cero de 9.0 s de duración. La prueba es realizada a dos niveles de esfuerzo, 0.1 kPa y 3.2 kPa. Los 10 ciclos se corren a cada uno de los niveles de esfuerzo por un total de 20 ciclos.

3.2.2.1 Análisis y registros de datos de la prueba MSCR. Se analizan y registran el creep y el porcentaje de deformación recuperada para los niveles de esfuerzo creep de 0.1 kPa y 3.2 kPa. 3.2.2.2 Se deberá registrar para cada uno de los 10 ciclos lo siguiente: 1. El valor inicial de deformación al inicio de la porción creep de cada ciclo. Esta deformación debe ser denotada como ε0. 2.- El valor de deformación al final de la porción creep (después de 1.0 s) de cada ciclo. Esta deformación se expresa como εc. 3.- El valor de deformación ajustado al final de la porción creep (es decir, después de 1.0 s) de cada ciclo (ε1), el cálculo se hace de la siguiente manera: 1=

c-

0

(1)

4.-El valor de la deformación al final de la porción de recuperación (es decir, después de 10.0 s) de cada ciclo. Esta deformación será denotada como εr. 5.-El valor de deformación ajustado al final de la porción de recuperación (es decir, después de 10.0 s) de cada ciclo (ε10), el cual se calcula como sigue: 10=

r-

0

(2)

Para cada uno de los diez ciclos, calcule lo siguiente al nivel de esfuerzo creep de 0.1 kPa. 1. Porcentaje de recuperación r(

(

)

(

)

)

.

(3)

Para cada uno de los diez ciclos, calcule lo siguiente al nivel de esfuerzo creep de 3.2 kPa: 1. Porcentaje de Recuperación r(

(

)

(

)

)

.

(4)

3.2.2.3Cálculos de la prueba MSCR. Utilizando los resultados obtenidos con las ecuaciones (3) y (4), determine el promedio del porcentaje de recuperación para el ligante asfáltico en los niveles de esfuerzo creep a 0.1 kPa a 3.2 kPa como se muestra en las siguientes ecuaciones:

(

)

para N=1 a 10

(5)

2. Calcule el promedio del porcentaje de recuperación a 3.2 kPa de la siguiente forma: (

)

para N=1 a 10

(6)

3. Calcule la diferencia del porcentaje en recuperación entre 0.1 kPa y 3.2 kPa como sigue: (7) Usando los datos obtenidos con las ecuaciones (3) y (4) determine el Compliance en Creep No Recuperable entre 0.1 kPa y 3.2 kPa como se indica en las siguientes ecuaciones: Para cada uno de los 10 ciclos a un esfuerzo creep de 0.1 kPa. 1. Calcule el compliance creep no recuperable J nr (0.1, N) kPa-1 como deformación/esfuerzo.

(

)

(10)

Para cada uno de los 10 ciclos a un esfuerzo creep de 3.2 kPa. 1. Calcule el compliance creep no recuperable Jnr (3.2, N) kPa-1 como deformación/esfuerzo.

(

)

(11)

Calcule el promedio del compliance creep no recuperable a 0.1 kPa, Jnr0.1, kPa-1. (

)

(12)

Calcule el promedio del compliance creep no recuperable a 3.2 kPa, Jnr3.2, kPa-1. (

)

(13)

Calcule la diferencia del porcentaje en el compliance creep no recuperable entre 0.1 kPa y 3.2 kPa. Jnrdiff: (14)

1. Calcule el promedio del porcentaje de recuperación a 0.1 kPa de la siguiente manera:

3.2.3 Especificación MP19. Performance- Graded del ligante asfáltico usando el ensayo de Multiple Stress Creep Recovery Los grados de los ligantes asfálticos ambientales requeridos pueden ser seleccionados siguiendo los procedimientos descritos en M323 y R35. Para este ensayo no aplica el incremento del grado PG por criterios de intensidad de tránsito y velocidad de operación (M323). Seleccione los grados de temperaturas altas y bajas ambientalmente apropiados y el apropiado grado “S”, “H”, “V” o “E” para el nivel de tráfico esperado y la velocidad de carga de tráfico. A continuación, en la Tabla 3.1 se muestra la designación de tráfico de los grados “S”, “H”, “V” o “E” de acuerdo a MP19. Tabla. 3.1 Niveles de tráfico y velocidad de la carga de tráfico para los grados “S”, “H”, “V” o “E” de acuerdo a MP19.

Grado “S” Grado estándar (standard grade) “H” Grado Alto (high grade) “V” Grado muy alto (very high grade) “E” Grado extremadamente alto (extremely high grade)

Nivel de Tráfico ESAL

Velocidad de carga de tráfico.

<10 millones

Estándar, >70km/h

10-30 millones

>30 millones

>30millones

Tráfico lento, 2070km/h ó tráfico detenido, <20 km/h y (<20 km/h) Plazas de peaje ó instalaciones portuarias.

En Tabla 3.2, se muestran los criterios de especificación de ligantes asfalticos de grado de desempeño de acuerdo a MP19. En dicha tabla sólo se muestra la temperatura del grado de desempeño 64, se recomienda consultar MP19 para ver los demás grados desempeño. En la misma tabla también se puede observar que para los ensayos después de RTFO para todos los grados Jnrdiff debe ser menor al 75%, este parámetro se conoce como Parámetro de Sensibilidad al Esfuerzo. En la especificación MP19 se indica que el “incremento” se logra usando los grados “H”, “V” ó “E” y no incrementando el grado PG al alta temperatura como se recomienda en M323. Tabla. 3.2. Para un asfalto PGXX-YY, Grado V, necesitamos cumplir con los siguientes requisitos para poder clasificar nuestro asfalto de acuerdo a MP19: En el asfalto original. 1. Punto de inflamación, mín. 230°C 2. Viscosidad rotacional@135°C, máx. 3.0 Pa·s.

3. DSR, G*/seno δ mín. 1.00 kPa @Temp. XX. En el asfalto después de RTFO. 1. Cambio de masa, máx. 1.00% 2. Jnr @3.2 kPa esfuerzo de corte, máx.1.00 kPa -1 @XX; 3. Sensibilidad al esfuerzo, máx. 75%. En el asfalto después de PAV. DSR, G* seno δ máx. 6000 kPa @ Temp. Intermedia de ese grado de desempeño. BBR, S máx. 300 MPa; m-value mínimo de 0.300. Tabla 3.2 AASHTO MP19, Tabla1 @64°C.

64 -10

-16

-22

-28

-34

40

Asfalto Original DSR. Temp. @10 rad/s

64 Asfalto Envejecido-RTFO

MSCR(TP70)Temp. Todos los grados Jnrdiff≤75% Grado”S”: Jnr3.2≤4.0kPa-1 Grado”H”: Jnr3.2≤2.0kPa-1 Grado”V”: Jnr3.2≤1.0kPa-1 Grado”E”: Jnr3.2≤0.5kPa-1 DSR - Temp. @10 rad/s Grado”S” G*seno δ: Máx.5000kPa Grado”H” G*seno δ: Máx.6000kPa Grado”V” G*seno δ: Máx.6000kPa Grado”E” G*seno δ: Máx.6000kPa BBR Temp. @60s Todos los grados Stiffness: Máx. 300Mpa m-value: Mín. 0.300

64

31

Asfalto Envejecido-PAV@100°C 28 25 22 19 16

0

-6

-12

-18

-24

30

3.3 Ensayo de Fatiga de ligantes asfalticos. La falla por fatiga de los asfaltos puede ser definida por tres fases principales de daño separadas por dos puntos de transición que ocurren como resultado de la acumulación de daño. La primera es la fase sin daño (no-damage), durante la cual la relación esfuerzo – deformación permanece constante con las aplicaciones de carga cíclica hasta el ciclo N1. Durante esta primera fase, aunque hay energía de disipación, ésta es constante para cada ciclo y es disipada completamente en amortiguamiento viscoelástico y no en daño. La siguiente fase es el inicio de la grieta, la cual es típicamente caracterizada por un cambio gradual en la respuesta del material por la aplicación controlada de esfuerzo o deformación hasta el ciclo N2. En esta segunda fase, la rigidez (módulo) del asfalto se reduce, lo cual resulta en más daño por ciclo bajo un esfuerzo dado, o un menor esfuerzo requerido para lograr una deformación constante. La última fase es la de propagación de la grieta, durante la cual la respuesta del material varía rápidamente bajo esfuerzo o deformación constante hasta que se alcanza la fractura completa al ciclo N3 (7-9). Ha habido diversos enfoques para representar las transiciones entre las fases sin daño hasta el inicio de la grieta. Se ha visto que la manera más adecuada para evaluar el efecto de los modificadores en la respuesta en fatiga de los ligantes asfálticos es usando el concepto de relación de energía de energía disipado acumulada (DER) propuesto por Ghuzlan y Carpenter en 2000 (10) y Pronk en 1995(11): ∑

(1)

Donde Wi = energía disipada por ciclo Wn = energía disipada en el ciclo n, y ∑ = suma total de energía disipada hasta el ciclo n La investigación ha mostrado que este método permite la estimación de la vida a la fatiga de mezclas asfálticas y también de ligantes asfálticos bajo modos de esfuerzo constante y deformación constante. Np representa la vida a la fatiga del ligante, el cual es el número de ciclos de aplicación de carga para alcanzar la fase de propagación de la grieta. Ya sea a esfuerzo constante o bajo un modo de carga a deformación controlada. (6,11). La selección de niveles representativos de deformación y esfuerzo es, sin embargo, un reto porque en la mayoría de los casos la estructura del pavimento y las propiedades volumétricas de la mezcla no se conocen por completo cuando el ligante asfáltico es ensayado. En estudios previos, hubo una aproximación considerable al determinar niveles de deformación y de esfuerzo, los

cuales incluyeron el análisis de elementos finitos de imágenes de mezclas asfálticas (12). 3.3.1 Procedimiento del ensayo de fatiga (Time Sweep). De acuerdo a NCHRP 459 (6) el ensayo de fatiga es llamado “Resistencia a la fatiga de un ligante asfáltico sometido a carga cíclica repetida usando un reómetro de corte dinámico, RCL por sus siglas en ingles, las condiciones del ensayo son las se muestran en la Tabla 3.3. Una frecuencia de 10 rad/s, representa el movimiento del tráfico a 60 km/h. Tabla.3.3 Condiciones del ensayo RCL. La temperatura de prueba es la temperatura intermedia de diseño del pavimento. Frecuencia de oscilación es Frecuencia seleccionada para se 10rad/s o 100 rad/s. Nivel de esfuerzo en corte o deformación en corte Los esfuerzos cortantes son Ensayo a seleccionados esfuerzo para estar a: constante 500 kPa a 10 rad/s y 1000 kPa a 100 rad /s Las deformaciones en corte son Ensayo de seleccionadas para estar a: deformación 10% a 10 rad/s constante 5% a 100 rad/s. El número total de las repeticiones Número de de los ciclos de carga es ciclos de seleccionado para no exceder: carga 4500 para 10 rad/s 45000 para 100 rad/s Tiempo de Debe ser aproximadamente 3000 ensayo segundos o 50 minutos. Temperatura

4. RESULTADOS. Se realizaron los ensayos de MSCR y RCL a un asfalto modificado y sin modificar. 4.1 Resultados del ensayo MSCR Para el ensayo de MSCR: Las muestras de asfalto original PG64-16, y modificado PG76-16 fueron envejecidas en el RTFO. Los primeros 10 ciclos a un esfuerzo creep de 0.1 kPa y los siguientes 10 ciclos a 3.2 kPa. Cada ciclo con una duración de 1 s en esfuerzo creep seguido de una recuperación a esfuerzo cero de 9 s. En la Tabla 4.1 se muestras los resultados de la prueba Multiple Stress Creep Recovery del asfalto original PG 64-16 y del asfalto modificado PG 76-16. El valor del compliance creep no recuperable Jnr del asfalto modificado y del asfalto original son parecidos al

nivel de esfuerzo 3.2 kPa-1, pero la recuperación de un asfalto modificado es mucho mayor que la del asfalto original en el mismo nivel de esfuerzo. El parámetro de sensibilidad al esfuerzo Jnrdiff del ligante modificado y del no modificado es menor al 75%.

puede observar que el ligante asfaltico no modificado tiene baja elasticidad y el asfalto modificado alta elasticidad.

Tabla 4.1. Resultados del ensayo MSCR en un asfalto AC-20 original @ 64°C y un asfalto modificado @76°C (después de RTFO).

Grado PG. Temperatura del ensayo. Promedio del porcentaje de recuperación a 0.1 kPa,

64

76

64

76

°C

17.17

54.13

kPa

8.38

41.61

kPa

51.21

23.13

kPa

0.82

0.64

kPa-1

0.94

0.80

kPa-1

15.13

23.51

%

0.1513

0.2351

R0.1 Promedio del porcentaje de recuperación a 3.2 kPa,

Figura4.1 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 0.1 kPa del asfalto no modificado.

R3.2 Diferencia del porcentaje entre promedio del porcentaje de recuperación a 0.1 kPa y 3.2 kPa, Rdiff. Compliance creep no recuperable a 0.1 kPa,

Jnr0.1. Compliance creep no recuperable a 0.1 kPa, Jnr3.2. Diferencia del porcentaje entre el Compliance creep no recuperable a 0.1 kPa y 3.2 kPa, Jnrdiff Relación Compliance creep no recuperable.

En las Figura 4.1 y Figura 4.2 se muestran típicos 10 ciclos de Creep-Recuperación a los esfuerzos creep de 0.1 kPa y 3.2 kPa respectivamente del asfalto original. En las Figura 4.3 y Figura 4.4 se muestran típicos 10 ciclos de Creep-Recuperación a los esfuerzos creep de 0.1 kPa y 3.2 kPa respectivamente del asfalto modificado. La Figura 4.5 teniendo en el eje vertical el porcentaje promedio de recuperación a 3.2 kPa y el eje horizontal el compliance creep no recuperable a 3.2 kPa de acuerdo a MP 70 puede ser usada como un indicador de la presencia de un polímero elastomérico. En la misma gráfica sí el punto cae por encima de la línea la indicación es que el ligante asfáltico esta con un polímero elastomérico aceptable, si el punto cae por debajo de la línea la indicación de que el ligante asfáltico no está modificado con un polímero elastomérico. De acuerdo a la Figura 5 se

Figura4.2 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 3.2 kPa del asfalto no modificado.

Figura4.3 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 0.1 kPa del asfalto modificado.

Figura4.3 Típicos 10 ciclos creep-recuperación a 0.1 kPa del asfalto modificado.

Figura 4.5 Indicador de polímero elastomérico de acuerdo a MP 70 de AASHTO.

El asfalto no modificado PG 64-16 el cual no tiene presencia de polímero elastomérico, también muestra poca recuperación elástica en los dos niveles de esfuerzo (0.1 y 3.2 kPa) y con el valor del compliance creep no recuperable Jnr3.2 de 0.94 kPa-1 , de acuerdo a MP19 cumple como un asfalto PG 64-16, Grado V. El asfalto modificado PG 76-16 el cual tiene presencia de polímero elastomérico, también muestra alta recuperación elástica en los dos niveles de esfuerzo (0.1 y 3.2 kPa) y con el valor del compliance creep no recuperable Jnr3.2 de 0.80 kPa-1 , de acuerdo a MP19 cumple como un asfalto PG 76-16, Grado V.

4.2 Resultados del ensayo RCL. Para el ensayo RCL: El ensayo se realizó a deformación controlada. La deformación fue de 10 % para la frecuencia de 10 rad/s. Las muestras de asfalto original PG64-16 y asfalto modificado PG76-16 fueron envejecidas en el RTFO. La temperatura del ensayo para el asfalto original fue de 28 °C, y para el asfalto modificado de 34°C. En la Figura 4.6 y en la Figura 4.7 se muestran los valores del módulo de corte (G*) y del ángulo de fase (δ) del asfalto original y del modificado, respectivamente. En la Figura 4.8 y en la Figura 4.9 se muestra la Relación de Energía Disipada (DER por sus siglas en inglés) versus el número de ciclos del ensayo del fatiga a deformación controlada del asfalto no modificado y del asfalto modificado, respectivamente. En las mimas graficas se indica el valor de la vida a la fatiga (Np) dando los siguientes resultados: Para el asfalto no modificado PG 64-16 se obtuvo un Np igual a 3035 ciclos y para el asfalto modificado PG 76-16 un Np igual a 7300 ciclos. Se puede ver que la propagación de la grieta en un asfalto no modificado se presenta al aplicar menos ciclos de carga que en un asfalto modificado. Esto indica que la influencia del modificador ayuda a que el asfalto modificado sea más duradero.

Figura. 4.6 Modulo de corte (G*) y ángulo de fase (δ) del asfalto no modificado.

Figura. 4.7 Modulo de corte (G*) y ángulo de fase (δ) del asfalto modificado.

Figura. 4.8 Relación de energía disipada (DER) versus número de ciclo del asfalto no modificado.

Figura. 4.9 Relación de energía disipada (DER) versus número de ciclo del asfalto modificado.

CONCLUSIONES 1. Un nuevo ensayo, Multiple Stress Creep Recovery (MSCR), realizado con un reómetro de corte dinámico (DSR), fue desarrollado para capturar la respuesta no lineal del ligante asfáltico y para relacionar esa respuesta a la formación de roderas en mezclas asfálticas. 2. Con ensayo MSCR, las propiedades relativas al desempeño de un ligante asfaltico son determinadas a la temperatura más alta, la cuál es la que el pavimento experimenta, es decir, no se usa el “incremento” del grado PG. 3. El compliance creep no recuperable Jnr está mejor correlacionado con la formación de roderas del pavimento que G*/seno δ. 4. El ensayo MSCR puede ser utilizado para identificar la modificación elastomérica. 5. Es importante conocer el Jnr y la Recuperación del ligante asfáltico modificado para saber si este tiene propiedades elásticas significativas. 6. El uso de los datos del ensayo de la Rueda de Hamburgo se pueden utilizar para validar el uso de Jnr como un parámetro de desempeño para la deformación a alta temperatura. 7. La falla a la fatiga puede ser definida usando la Relación de Energía Disipada (DER). 8. Para validar el ensayo de fatiga se recomienda que se realice lo siguiente: El ensayo deberá realizarse a esfuerzo controlado y deformación controlada a diferentes velocidades de carga (frecuencias) para cada condición y se deberá analizarse el asfalto base y el asfalto modificado con diferentes modificadores para ver el efecto que tienen los modificadores sobre el ligante en el desempeño a la fatiga dependiendo de las condiciones del ensayo. REFERENCIAS 1. 2.

3. 4. 5.

6.

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Influencia de la temperatura en la determinación de la capacidad estructural de pavimentos flexibles. *Paul Garnica Anguas [email protected] *Alfonso Pérez Salazar [email protected] *1Roberto Anastasio García Olivar *1Sergio Yahir Cruz González *Investigador Instituto Mexicano del Transporte 1 * Asistente de investigador Instituto Mexicano del Transporte

RESUMEN. En el presente trabajo, se exponen los avances para definir una metodología simplificada de corrección por temperatura de deflexiones obtenidas con el deflectómetro de impacto (FWD, por sus siglas en inglés). La metodología presentada se encuentra en etapa de validación para diferentes estructuras de pavimentos, particularmente diferentes espesores de carpeta asfáltica. Es sabido que, debido a la naturaleza del concreto asfáltico, la temperatura tiene un impacto directo sobre el comportamiento esfuerzo deformación de la estructura del pavimento flexible. Este efecto se ve directamente reflejado en los parámetros del cuenco de deflexiones medido con el FWD a diferentes temperaturas. El grado de influencia de la temperatura sobre el módulo de elasticidad del asfalto, y consecuentemente sobre las deflexiones, depende, entre otros factores, del tipo de mezcla, de su edad, de su grado de deterioro, etc.; de igual forma el espesor de la carpeta asfáltica juega un papel fundamental en su influencia. 1. ANTECEDENTES. En la literatura, se pueden encontrar diversos métodos para ajustar o corregir las deflexiones obtenidas a diferentes temperaturas, y ajustarlas a una en común denominada temperatura de referencia; lo anterior con el fin de poder realizar comparaciones entre diferentes tramos carreteros o bien, entre diferentes zonas de un mismo tramo evaluado. La temperatura de referencia citada, ha adoptado diferentes valores dependiendo de la metodología a utilizar, siendo 20°C de las más utilizadas. A continuación se presentan algunas de las metodologías para realizar la corrección de deflexiones por temperatura, entre las cuales destacan las siguientes. A) MÉTODO AASHTO. La Guía para el Diseño de Estructuras de Pavimentos 1993, publicada por la AASTHO (por sus siglas en ingles Asociación Americana de Carreteras Estatales y Transportes Oficiales) en el Capítulo 5 Método de Rehabilitación con Sobre Carpetas, propone una corrección por temperatura, para propósitos de comparación del módulo efectivo a lo largo de la longitud del proyecto. Mediante los valores de deflexión bajo el plato de carga (d0), que son usados para determinar el modulo efectivo, deben ser ajustados a una temperatura referencia. El ajuste de (d0) está basado en la relación de deflexiones siguiente:

1

Donde: T(t)= factor de ajuste de temperatura. d0 = d0 a 68°F(20°C). d0 (t) = d0 a temperatura de evaluación en t, en °F Además se hace uso de 2 gráficas mediante las cuales se pueden obtener los factores de corrección de las deflexiones medidas a diferentes temperaturas en el pavimento. La primera de ellas es utilizada para bases granulares y tratadas con asfalto, la segunda es para bases tratadas con cemento y puzolana. Los datos de entrada requeridos para hacer uso de las gráficas son: la temperatura de la carpeta asfáltica y el espesor; en grados Fahrenheit y pulgadas respectivamente. Estas graficas se presentan en las figuras 1.1 y 1.2. La metodología únicamente considera relevante la deflexión debajo del plato carga, por lo cual los demás sensores a diversas distancias no se corrigen por este efecto.

1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8

2"

0.7 4" 0.6 0.5 0.4 30

40

50

60

70

80

90

100

110

8" 12" 120

ESPESOR DE LA CARPETA ASFLATICA

FACTOR DE AJUSTE DE TEMPERATURA

1.4

TEMPERATURA DE LAS CAPAS ASFALTICAS EN °F

Fig. 1.1. Ajuste de temperatura para d0 en bases granulares y tratadas con asfalto.

1.0

0.8

2" 4"

0.6

0.4 30

40

50

60

70

80

90

100

110

8" 12" 120

ESPESOR DE LA CARPETA ASFLATICA

FACTOR DE AJUSTE DE TEMPERATURA

1.2

TEMPERATURA DE LAS CAPAS ASFALTICAS EN °F

Fig. 1.2. Ajuste de temperatura para d0 en bases tratadas con cemento y puzolana. 2

B) MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO. El manual publicado en 1983 por el Instituto del Asfalto “Asphalt Overlays for Highway and Street Rehabilitation” en su Capítulo IV Procedimiento de Deflexión presenta una gráfica para la corrección por temperatura. En esta grafica se toma como temperatura de referencia 70°Fahrenheit (21°C).

THICKNESS OF UNTREATED AGGREGATE BASE 0

10

50 100

0.5 1

50

500

5 10 25

45

MILIMETERS INCHES

120

DEFLECTION ADJUSTMENT FACTORS FOR BENKELMAN TESTING

110 100

35 90 30 80

25 20

70

15

60

10

50 25"

5

0"

19" 12"

0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

6" 1.4

1.6

1.8

40

MEAN PAVEMENT TEMPERATURE, °F.

MEAN PAVEMENT TEMPERATURE, °C.

40

3" 2.0

2.2

2.4

30

TEMPERATURE ADJUSTMENT FACTOR (F).

Fig. 1.3. Factor de ajuste de temperatura. El método no menciona el radio de influencia de la temperatura, por lo cual se consideró que la corrección es general para todos los sensores ubicados a diferentes distancias del plato de carga.

C) MÉTODO DEL CEDEX. El la Norma 6.3 de la Instrucción de Carreteras de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento Español, recomienda aplicar un factor de corrección en las deflexiones, cuando la temperatura del pavimentos es diferente de 20°C. Las expresiones para hacer la corrección se presentan a continuación:

3

Expresión válida para superficie poco fisurada y espesor de capas asfálticas igual o mayor a 10 cm, es:

Expresión válida para superficie muy fisurada y espesor igual o superior a 10 cm:

Expresión válida para pavimento totalmente fisurado (bloques claramente definidos) y espesor de las capas asfálticas menor de 10 cm:

Algunas consideraciones que se deben tomar para éste método, son las siguientes:   

Los factores de corrección están en función de la temperatura de la mezcla, pero la fórmula a ocupa depende del estado de la superficie del pavimento. Para definir la fórmula a ocupar se tiene que hacer una evaluación visual muy subjetiva, es necesario contar con un buen criterio para una buena corrección. Esta metodología restringe su uso, considerando únicamente a pavimentos que presentan fisuras. En el caso de los pavimentos recientes o que no presentan fisuras visuales la metodología no sería válida para obtener esta corrección.

D) MÉTODO DE LA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE. La Universidad Católica de Chile obtuvo una ecuación de corrección de deflexiones por efecto de la temperatura la cual fue presentada en el artículo “Corrección de la deflexión de pavimentos asfalticos por efecto de la temperatura” en las Memorias del Quinto Congreso Iberoamericano del Asfalto en 1989. Partiendo también de la relación de las deflexiones y módulos, obtuvieron las siguientes expresiones para ajustar a 20 °C las deflexiones medidas en pavimentos asfalticos a diferentes temperaturas.

En donde: u = Factor para bases granulares o bases rígidas respectivamente. h = Espesor de las capas asfálticas (cm). Algunas de las consideraciones de esta metodología, son las siguientes:  

Esta metodología no restringe el uso para determinados espesores de carpetas asfálticas, ni de las bases usadas. El método es objetivo por lo cual evitamos dejar a consideración del evaluador las condiciones del pavimento como en el método CEDEX.

4



El método no menciona un rango de valores límites de temperatura por lo cual se considera que se aplica a cualquier temperatura que se encuentre nuestro pavimento evaluado.

E) MÉTODO MOPT. En la vigésima Reunión del Asfalto, en Buenos Aires (mayo, de 1977), se presentó la siguiente ecuación para convertir las deflexiones medidas a otras temperaturas a la temperatura referencia de 20°C.

En donde: h: Espesor de las capas asfálticas en el sitio de la medida (cm) T: Temperatura de las capas asfálticas en el momento de medir la deflexión (°C). Las consideraciones que se deben tomar al utilizar éste método son las siguientes: 

Para el desarrollo de la metodología se considera el espesor de las capas asfálticas y la temperatura al momento de hacer las mediciones de las deflexiones.



En el método no se menciona un rango en específico para el cual la metodología es válida, por lo cual se considera que es aplicable a cualquier espesor y temperatura de pavimento dado.

F) MÉTODO DEL FHWA. El programa de monitoreo patrocinado por la FHWA (Federal Highway Administration), permitió la obtención de un conjunto de expresiones dirigidas al cálculo de los factores de ajuste por temperatura de las deflexiones medidas con FWD en 41 secciones de pavimentos asfálticos en Estados Unidos y Canadá. Los autores del procedimiento consideraron que las características del asfalto incidían significativamente en el módulo de rigidez de las capas. La corrección por temperatura se realiza de la siguiente manera:

Las consideraciones que se deben tomar en este método, son las siguientes:   

Esta metodología únicamente involucra la temperatura a la cual se realizó la medición. La temperatura de evaluación está en grados Celsius. Esta metodología de evaluación es simple pero con resultados regulares, existe otra metodología donde se realiza un estudio más afondo con diversos factores como la latitud y el tipo de asfalto ocupado pero únicamente aplicable a los climas de Estados Unidos por lo cual no se consideró en este estudio. 5

G) CORRECCIÓN POR TEMPERATURA DE LA METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS FLEXIBLES (YONAPAVE) DEL DR. MARIO S. HOFFMAN. El proceso de corrección propuesto por el Dr. Mario S. Hoffman, se basa en ajustar el Número Estructural (SN) debido a temperatura del pavimento evaluado. Cabe mencionar que éste método fue desarrollado en Israel, basado en numerosas mediciones de cuencas de deflexiones determinadas con el FWD en pavimentos flexibles, tanto de carreteras como de aeropuertos, durante el mismo día de verano a diferentes temperaturas, se han podido definir rangos típicos de los efectos de la temperatura en Israel para carpetas con más de 10 cm de espesor. Lo anterior, se indica a continuación:   

Entre la mañana y las primeras horas de la tarde, la temperatura de la carpeta asfáltica a una profundidad de 5 cm aumenta típicamente hasta un 60%. Para ese rango de temperaturas, la deflexión máxima bajo el plato de carga del FWD aumenta típicamente hasta un 20%. En ese rango de temperaturas, el área de la cuenca de deflexiones disminuye típicamente hasta un 7%.

Cabe mencionar, que a diferencia de los métodos anteriores, la temperatura de referencia seleccionada fue de 30°C que es la representativa de las condiciones climáticas prevalecientes en Israel. En el trabajo realizado por Hoffman, obtuvo la siguiente relación lineal:

Donde: SNT = SN efectivo a cualquier temperatura. SN30°C = SN efectivo a una temperatura base de 30°C. T = Temperatura de la carpeta asfáltica en °C a 5 cm de profundidad. Entre las consideraciones que se deben tomar en cuenta en esta metodología, son:    

La ecuación anterior, puede ser usada para corregir el SN efectivo calculado con YONAPAVE a diferentes temperaturas a una temperatura base referencial de 30°C. Dicha ecuación, fue desarrollada para temperaturas de carpetas asfálticas en el rango de 22 a 45°C. No es recomendable realizar extrapolaciones fuera de este rango sin una verificación experimental. La ecuación es aplicable al caso de carpetas asfálticas de 10 ó más cm de espesor.

6

2. EVALUACIÓN CON ALGUNOS DE LOS MÉTODOS CITADOS. Se muestra a continuación, como ejemplo, el registro de las deflexiones medidas en un día evaluación, para una estación en particular, de la pista de pruebas del Instituto Mexicano del Transporte. Tabla 2.1. Deflexiones determinadas a diferentes temperaturas en la misma estación de pavimento VUELTAS HORA V.1. V.2. V.3. V.4. V.5. V.6. V.7. V.8. V.9. V.10.

05:38 06:40 08:13 09:29 10:05 11:29 12:12 15:47 17:34 19:34

TEMP. PROM. 11.16 11.15 11.67 17.05 19.41 26.31 30.00 28.97 25.61 20.40

D1 0 552.0845 587.2496 524.0331 642.0420 750.5114 793.3000 826.5893 833.8561 815.4386 758.0830

D2 200 532.5341 538.5755 524.4199 580.0699 605.7386 632.5000 647.5762 642.3885 632.7632 623.3906

D3 300 442.7929 449.3230 438.4669 476.0000 499.0483 507.4000 518.2438 506.9209 504.3275 506.3233

D4 450 323.2016 337.8561 321.3812 343.3427 363.5227 353.9000 358.5341 350.8058 355.7310 367.2246

D5 600 226.5940 243.7659 231.1740 243.7762 253.9489 242.2000 242.7141 236.7914 241.5205 252.0601

D6 900 125.5995 136.7419 128.0110 133.5385 138.5085 130.5000 131.1611 127.2086 129.9708 136.4950

D7 1200 82.0163 89.2525 84.6961 86.9371 88.7926 85.5000 87.9826 85.7122 86.4766 88.2260

D8 1500 64.2779 67.8279 66.1326 68.0420 69.5028 66.3000 67.2569 67.1799 65.2924 69.6996

D9 -300 448.0381 470.3526 457.1271 495.9720 506.3068 527.3000 521.4949 525.3525 541.5789 521.9456

En la Figura 2.1 se presentan las cuencas corregidas por algunas de las metodologías existentes para tal fin; en dicha figura se puede observar que, para la menor temperatura registrada (11.15°C), se ha encontrado una diferencia máxima, entre las deflexiones medidas a una temperatura de referencia (20°C) y las deflexiones corregidas, de 25%.

Fig. 2.1. Cuenco de deflexiones medidas y corregidas a una temperatura de referencia. Corrección para la temperatura mínima registrada.

En el gráfico anterior, también se observa como la metodología propuesta por el Instituto del Asfalto, se queda corta en la corrección de la cuenca de deflexiones, salvo en la deflexión del plato de aplicación de carga en donde coincide con el valor medido; en cuanto a las demás metodologías, en mayor o menor medida, corrigen de manera general 7

el cuenco de deflexiones medido, afectando a la deflexión del plato de tal manera que produce deflexiones de mayor magnitud que la medida. En la Figura 2.2 se presentan los resultados de las correcciones de la cuenca de deflexiones, obtenidas para la temperatura máxima registrada.

Fig. 2.2. Cuenco de deflexiones medidas y corregidas a una temperatura de referencia. Corrección para la temperatura máxima registrada. En la figura anterior, se observa que la mayor diferencia entre las deflexiones medidas a una temperatura de referencia y las deflexiones corregidas por los diferentes métodos, es del orden del 10%. Es decir, que existe una mejor corrección para una temperatura mayor a la de referencia que para una más baja de la de referencia. 3. METODOLOGÍA DE AJUSTE PROPUESTA. La Metodología propuesta por el IMT y basada en las mediciones de pavimentos a diferentes temperaturas, realiza la corrección de las cuencas de deflexión utilizando una ecuación de ajuste para cada sensor; dicha ecuación se obtiene de la relación de deflexiones Dn/Dn20°C; en donde Dn es la deflexión a cualquier temperatura en el sensor n y Dn20°C es la deflexión a la temperatura de referencia, en este caso de 20°C. En la Figura 3.1 se puede observar la ecuación de ajuste en uno de los sensores, para las diferentes temperaturas superficiales, registradas durante la evaluación de una misma estación del pavimento. Al aplicar la corrección por temperatura, con la expresión obtenida para cada sensor, se obtiene la cuenca ajustada por temperatura que se presenta en la Fig. 3.2. En la Tabla 3.1 se muestran los resultados de la corrección de dichas deflexiones. Se puede observar como el cuenco de deflexiones medido tanto para las temperaturas superiores e inferiores a la de referencia (20°C en este caso), y ajustadas con las expresiones resultantes, coinciden muy cercanamente una con la otra; concluyéndose 8

que puede realizarse una corrección de temperatura para cualquier temperatura registrada al momento de realizar la prueba aplicando el FWD.

Fig. 3.1 Relación de deflexiones para diferentes temperaturas superficiales de evaluación, para el sensor D2. Tabla 3.1. Deflexiones determinadas a diferentes temperaturas en la misma estación de pavimento. Tipo de cuenca de deflexiones Temp. Min. sin corregir Temp. Máx. sin corregir Temp. Mín. corregida Temp. Máx. corregida

HORA 06:40 12:12 06:40 12:12

TEMP. PROM. 11.15 30.00 11.15 30.00

D1 0 587.2496 826.5893 699.5723 699.5762

D2 200 538.5755 647.5762 589.6238 589.3386

D3 300 449.3230 518.2438 481.5054 481.1248

D4 450 337.8561 358.5341 347.7284 348.0613

D5 600 243.7659 242.7141 243.1884 243.0540

D6 900 136.7419 131.1611 134.0946 134.0607

D7 1200 89.2525 87.9826 88.6923 88.7571

D8 1500 67.8279 67.2569 67.5201 67.4588

D9 -300 470.3526 521.4949 494.1756 493.8464

Fig. 3.2 Cuenca de deflexiones medidas y corregidas a una temperatura de referencia. Corrección para la temperatura mínima y máxima registradas. 9

Es importante mencionar que la metodología aquí presentada, se continúa evaluando para diferentes estructuras de pavimento asfáltico, particularmente para diferentes espesores de carpeta asfáltica; lo anterior con la finalidad de extrapolar la metodología a cualquier tipo de pavimento flexible y buscar generalizar el método y quizás limitar la corrección para aquéllos espesores de carpeta asfáltica en donde las diferencias en deflexiones, debidas a cambios de temperatura, sean poco significativas. Cuando se realizan evaluaciones en campo, y de resultar adecuada la metodología propuesta, bastaría con evaluar una estación de pavimento a dos diferentes temperaturas, por ejemplo muy temprano por la mañana y a medio día donde se pueden presentar temperaturas más altas en superficie; una vez obtenido lo anterior, obtener la expresiones de ajuste para los diferentes sensores y ajustar las estaciones siguientes en donde se tenga la misma sección estructural del pavimento.

4. BIBLIOGRAFÍA -

AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1993,Washington D.C. 2001

-

Smith R.E; Lytton R.L. “Synthesis Study of non-destructive testing devices for use in overlays thickness design of flexible pavements”, report FHWA/RD-83/097, FHWA, US Department of Transportation, Washington D.C., April 1994

-

Ministerio de Fomento, “Rehabilitación de firmes. Instrucción de carreteras, Norma 6.3 IC”, Madrid, 2003.

-

Hoffman, M.S., Método Directo para la evaluación de las necesidades estructurales de pavimentos flexibles basado en deflexiones con el deflectómetro de impacto (FWD)”, C5-T021, YONA Engineering Consulting & Management, Israel.

-

Ramón Crespo del Río. J. Fernando Ruiz Romero. “Evaluación estructural de firme de carreteras. El área del cuenco de deflexiones. El módulo de la explanada”. Área de Auscultación de Firmes, AEPO Ingenieros Consultores. Noviembre 2001.

-

Instituto Nacional de Vías, Ministerio del Transporte, República de Colombia, Guía Metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras” Segunda Edición, Colombia, 2008.

-

Asphalt Institute, Asphalt Overlays for Highway and Street Rehabilitation, Chapter 3, US, 1983.

-

Universidad Católica de Chile, Corrección de la deflexión de pavimentos asfalticos por efecto de la temperatura, Memorias del Quinto Congreso Iberoamericano del Asfalto en 1989

10

Orientar a la adecuada implementación del Protocolo AMAAC, en empresas dedicadas a este ramo, así como también, compartir situaciones que se presentan en el proceso de decisión, de implementación, capacitación y utilización del equipo.

El protocolo de la AMAAC es un nuevo método que contiene los procedimientos necesarios para diseñar una mezcla asfáltica de granulometría densa de alto desempeño en México y que pretende, con su utilización en la construcción de pavimentos, carreteras más duraderas, seguras , confortables y económicas en cuanto a su construcción, mantenimiento y operación..

Para cumplir con todas estas características se deben cubrir ciertas especificaciones y prácticas de laboratorio. Son muy pocas las empresas de construcción en México que cuentan con el equipo adecuado para desarrollar las pruebas necesarias del Protocolo AMAAC por lo que aun no es implementado al 100% en el país.

Contribuir a la mejora de la calidad y de la competitividad de los productos, procesos y servicios relacionados con los asfaltos, promoviendo la investigación y el desarrollo tecnológico a través de capacitación especializada y publicaciones técnicas.

El Protocolo AMAAC es un sucesor del SUPERPAVE que se desarrolla en Estados Unidos, pero adaptado para las características particulares de nuestro país.

Para que los laboratorios en México sean acreditados deberán cumplir con las especificaciones del Protocolo AMAAC cubriendo 3 etapas: 1) Selección de los agregados Pétreos, 2) Selección del Cemento Asfaltico y 3) Control de calidad dela mezcla Asfáltica. Este proyecto se centrara en la primera etapa para obtener la acreditación del laboratorio de la empresa “Servicios de Consultoría en Infraestructura Vial A.C.”, para que en el futuro pueda obtener las otras desacreditaciones y pueda ser una empresa Mexicana más que pueda dar los servicios.

Las propiedades de los materiales pétreos representan un factor crítico en el diseño de las mezclas asfálticas, ya que una mala selección de éstos puede ser la diferencia entre el éxito y el fracaso de un proyecto.

Obtener una muestra representativa de agregado de el tamaño adecuado para ser ensayada.

 Cuarteador Mecánico

Reducción de muestras

 Cuarteo

 Pila cónica miniatura

EQUIPO  Cuarteador.

 Pala  Regla y/o llana

Escoba o brocha  Lona de 2 x 2.5 mts

 Cuarteador mecánico

PROCEDIMIENTO DE CUARTEO DE MUESTRA

AL TOMAR LOS CUARTOS CORRESPONDIENTES, ESTOS DEBEN SER OPUESTOS Y ADEMAS DEBEN TOMARSE DE ADENTRO HACIA AFUERA.

COMO INDICA LA FLECHA

MENOS PERDIDAS DE FINOS TRABAJO MECANICO SIMPLICIDAD Y RAPIDES EN EL PROCESO

INADECUAD A DIVISION DE EL MATERIAL SI EL TAMAÑO DEL AGREGADO ES MUY GRANDE NO SE PUEDE USAR SE DEBE TENER UNO PARA CADA TIPO DE MATERIAL(GRAVA Y ARENA).

RECONOCIMIENTO DEL MATERIAL A LA VISTA DEL LABORATORISTA

PERDIDA DE FINOS EN EL PROCESO PROCESO LARGO

Determinar la correcta distribución de tamaños de agregados finos y gruesos por medio de mallas.

 Balanza de 0.1g  Balanza de 0.5g  Mallas  Vibrador mecánico

 Agregado fino: El tamaño del espécimen de ensayo deberá ser de 300g  Agregado grueso : El tamaño del espécimen de ensayo deberá ser de acuerdo a la siguiente tabla.

PARA LA REALIZACION DE LA GRANULOMETRIA ES IMPORTANTE NO SATURAR LAS MALLAS CON MATERIAL PARA REALIZAR UN CORRECTO CRIBADO.

Una muestra de el agregado es sumergida en agua por 24+/- 4 hrs para llenar los poros, después secada superficialmente y pesada, posteriormente la muestra es colocada en un contenedor graduado y el volumen de la muestra es determinado por el método volumétrico o gravimétrico, finalmente la muestra es secada y se obtiene la masa de la misma

 Volumétrico : Picnómetro

Absorción Y Densidad

 Gravimétrico : Matraz Le Chatelier

 Balanza de capacidad 1kg  Picnométro

 Matraz Le Chatelier Molde y pisón para pruebas de humedad

Horno, capaz de mantener una temp de 110+/- 5 grados

RESUMEN DEL METODO: Una muestra de el agregado es sumergida en agua por 24+/- 4 hrs para saturar los poros, después secada superficialmente y pesada, posteriormente por desplazamiento de agua a una temperatura de 23+/- 2 grados, es determinado el volumen, finalmente la muestra es secada y se obtiene la masa de la misma

EQUIPO  Balanza con precisión 0.5 g  Contenedor de la muestra

 Tanque de agua Horno, capaz de mantener una temp de 110+/- 5 grados

TAMAÑO DE LA MUESTRA

AL IGUAL QUE LAS DEMAS PRUEBAS DE DENSIDAD, LA CONDICION DE SATURADO SUPERFICIALMENTE SECO ES MUY IMPORTANTE PARA OBTENER RESULTADOS CONFIABLES.

OBJETIVO: Determinar las proporcione entre Arena y Finos. (arcilla y limo)

Se lava un volumen determinado de material con una pequeña cantidad de solución de trabajo en una probeta graduada, posteriormente se al material más solución con la finalidad de que el material arcilloso entre en suspensión sobre la arena, se deja sedimentar por un periodo de 20min +/- 15 seg y finalmente se lee la altura de la arcilla floculada y la altura de la arena .

EQUIPO  Probeta graduada con tapón de hule  Pisón lastrado  Solución de reserva  Solución de trabajo  Agitador mecánico ( 45+/- 5 seg)  Capsula medidora con capacidad de 85+/- 5 ml

SOLUCION DE RESERVA

CLORURO DE CALCIO + GLICERINA +

FORMALDEHIDO

GLUTARALDEHIDO

KATHON

ALTURA ENTRE LA MESA DETRABAJO Y LA SOLUCION DE TRABAJO DEBE SER DE 90CM

OBJETIVO:

Determinar la reactividad de los finos que son utilizados para la fabricación de mezclas asfálticas.

EQUIPO  Bureta graduada de 25ml

 Azul de metileno grado reactivo

 Vaso de precipitado de 100 ml  Solución de azul de metileno 1/1000  Varilla de vidrio

 Parilla de agitación

 Papel Whatman No.40

 Agitador magnético

 Agua destilada

 Cronometro

Esta método se refiere a la determinación del contenido de vacíos de una muestra de agregado fino no compactada.

Un contenedor cilíndrico calibrado de 100 ml se llena con agregado fino , permitiendo que la muestra fluya a través de un embudo desde una altura fija dentro del medidor. El agregado fino se extrae y se determina su masa. El contenido de vacíos sin compactar se calcula como la diferencia entre el volumen del material y el volumen de el cilindro.

 Medida cilíndrica con capacidad de 100ml

 Embudo  Plato de vidrio

 Balanza con aproximación de 0.1g  Charola

 Espatula

SUPERFICIE TOTALMENTE HORIZONTAL

LAS BALANZAS JUEGAN UN PAPEL IMPORTANTE, PARA DATOS CONFIABLES Y CERTEROS, POR ELLO DEBEN DE ESTAR CALIBRAR.

ESTA NORMA DESCRIBE EL PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL PORCENTAJE, EN PESO, DEL MATERIAL QUE PRESENTE UNA O MÁS CARAS FRACTURADAS DE LAS MUESTRAS DE AGREGADOS PÉTREOS.

 Cara Fracturada: Es una cara angular, lisa o superficie fracturada de una partícula de agregado formada por trituración, otros medios artificiales o por la naturaleza.  Partícula fracturada: una partícula de agregado es fracturada si tiene el número mínimo de caras fracturadas especificadas (usualmente una o dos).

Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma cúbica, producidas, casi siempre por trituración.

 Balanza con aproximación de 0.1g  Charola  Espátula

 Mallas para granulometría

SE SEPARA POR TAMIZADO LA FRACCIÓN DE LA MUESTRA COMPRENDIDA ENTRE LOS TAMAÑOS 37.5 MM Y 9.5 MM (1½" Y 3/8"). DESCARTE EL RESTO. ESPARZA LA MUESTRA EN UN ÁREA SUFICIENTEMENTE GRANDE, PARA INSPECCIONAR CADA PARTÍCULA. SI ES NECESARIO LAVE EL AGREGADO SUCIO. ESTO FACILITARÁ LA INSPECCIÓN Y DETECCIÓN DE LAS PARTÍCULAS FRACTURADAS. SEPARE CON EL BORDE DE LA ESPÁTULA, LAS PARTÍCULAS QUE TENGAN UNA O MÁS CARAS FRACTURADAS.

PESE LAS PARTÍCULAS FRACTURADAS Y ANOTE ESTE VALOR. ANOTE EL PESO EXACTO DE LAS PORCIONES DE LA MUESTRA TOMADAS PARA EL ENSAYO, COMPRENDIDAS ENTRE LOS TAMAÑOS ANTES ESPECIFICADOS. ANOTE EL PESO DEL MATERIAL CON CARAS FRACTURADAS PARA CADA TAMAÑO. FINALMENTE CALCULE EL PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS PARA CADA TAMAÑO.

.

Determinar la resistencia a la trituración de los materiales pétreos empleados en mezclas asfálticas. La prueba consiste en colocar una muestra del material con características granulométricas específicas dentro de un cilindro giratorio, en donde es sometida al impacto de esferas metálicas durante un tiempo determinado, midiendo la variación granulométrica de la muestra como la diferencia entre la masa que pasa la malla N°12 (1,7mm de abertura), antes y después de haber sido sometida a este tratamiento.

Una vez separado y clasificado el material de la muestra, se elige el tipo de composición que se utilizará para integrar la muestra de prueba, que mejor se asemeje a las características granulométricas obtenidas. Se obtiene la masa de la muestra de prueba integrada, y se introduce a la máquina de Los Ángeles.

Hecho lo anterior, se introducen las esferas a la máquina de Los Ángeles y se hace funcionar a una velocidad angular de 30 a 33 rpm, durante 500 revoluciones.

 Maquina de los Ángeles  Mallas  Balanza  Carga Abrasiva con un diámetro promedio de 47 mm y una masa de entre 390 y 445 g cada una

OBJETIVO:

La prueba de Micro Deval en agregados gruesos determina la pérdida por abrasión en presencia de agua y de una carga abrasiva.

La muestra colocada en un recipiente de acero con 2.0 litros de agua durante dos horas mínimo y posterior se agrega 5000 gr de bolas de acero de 9.5 mm de diámetro, como carga abrasiva. El recipiente con el material rotan a 100 rpm, el tiempo varia de acuerdo al tipo de desgaste a realizar. La muestra posteriormente es lavada y secada en horno. La pérdida es la cantidad de material que pasa el tamiz de1.18 mm (No 16), expresada como porcentaje de la masa original de la muestra.

 Maquina de Desgaste microdeval  La carga abrasiva debe estar constituida por bolas esféricas de 9.5 ± 0.5 mm de diámetro, de acero inoxidable.

 cilindros huecos, de una capacidad de 5 litros, con un diámetro interior de 200 ± 1 mm y una longitud útil, medida desde el fondo hasta el interior de la tapa, de 175 ± 1 mm. Los cilindros estarán fabricados con acero inoxidable de espesor superior o igual a 3 mm

DETERMINAR LA PERDIDA DE LA PELICULA ASFALTICA EN LOS MATERIALES PETREOS.

 Ebullición ( ASTM D-3625 )  Acción del agua (RA-07-2010) (AUSTRALIANO).  Método de la SCT ( M-MMP-4-04-009-03)  AMAAC RA-08-2010

ACCION DEL AGUA Una cantidad de muestra de agregado petreo conocida (50piezas) es colocada en charolas de aluminio con el fondo cubierto de asfalto sometidas a 60° durante 24 hrs, posteriormente se llevan a un baño de agua a 55° durante 4 días y despues aclimatadas a 25° durante 2 horas, finalmete se desprenden de las charolas mediante el uso de pinzas de punta y por último se determina de manera visual el % de cubrimiento o desprendimiento.

EQUIPO  Platos de aluminio de 15 * 15 * 1 cm  Horno  Baño María

 Pinzas de punta

METODO SCT Se mezclan fracciones de petreo (500g) con cemento asfaltico y se dejan enfríar a temperatura ambiente, posteriormente de estas porciones se toman dos pequeñas fracciones de 50g cada una, se colocan en frascos y se saturan con 200ml de agua destilada durante 24 hrs, transcurrido este tiempo, se colocan en el agitador mecanico y se someten a 4 ciclos de agitación de 15 min cada uno, finalmete de manera visual se determina el % de despendimiento que ha tenido cada muestra.

EQUIPO  Agitador mecanico  Frascos de vidrio  Charolas de mezclado  Pala de mezclado.

AMAAC RA-08-2010 Se mezclan fracciones de petreo (50g) con 2.5% cemento asfaltico y se dejan enfríar a temperatura ambiente, se colocan en frascos y se saturan con 200ml de agua destilada durante 24 hrs, transcurrido este tiempo, se colocan en el agitador mecanico y se someten a un periodo de agitacion de 3 hrs, una vez finalizado el período de agitación se extraen las partículas se dejan secar y se evalua de manera viasual el desprendimiento de la película de asflato.

EQUIPO  Agitador mecanico  Frascos de vidrio

 Charolas de mezclado  Pala de mezclado.

Conseguir proveedor Mexicano que fabrique los muestreadores metálicos descritos por la AMAAC como “cilindro con lastre y tapón”, ya que comunmente se muestrea directamente en latas metálicas.

Para estas pruebas se requieren termómetros muy sensibles de hasta 0.1 °C. También se requieren balanzas con precisión de 0.001gr.

Su obtención elevados.

y

calibración

son

costos

Se requiere un cuarto oscuro para la realización de dicha prueba, así como también aparatos sensibles y personal capacitado para una buena realización e interpretación de la prueba.

Se requiere personal capacitado por parte del proveedor para resolver dudas al utilizarlo. Ya que el controlador de la termocelda se apaga cuando se a su punto de inflamación como dispositivo de seguridad, esta situacion no es clara en el instructivo de operación por parte del proveedor.

La capacitación para este equipo es muy costosa (costo en dólares), y es complejos

Las geometrías utilizadas recomendadas por los proveedores son costosas y cualquier rayadura o deformación que estas tengan, alteran directamente los resultados.

El equipo es muy sensible por lo que se tiene que tener un especial cuidado en su limpieza en sus conexiones. En el aire suministrado y filtros adecuados

YA QUE EL MANTENIMIENTO Y REPARACION DEL EQUIPO ES ALTAMENTE COSTOSO.

Se debe de calibrar el sensor de temperatura y flujo, ya que por parte del proveedor no se entrega un certificado de calibración.

Se requiere cilindro de aire comprimido el cual debe tener medidas de seguridad las cuales nos tiene que hacer llegar el proveedor.

Calibración de fabrica vencidos de presion y temperatura.

Falta la instalación de toma de datos digitales de presión y temperatura hasta el momento, el proveedor solo capacita para tomar los datos manualmente.

CATEGORIA DE MEZCLAS

NIVEL 4 Nivel 3 + Diseño por fatiga

NIVEL 3 Nivel 2 + Modulo Dinámico

NIVEL 2 Nivel 1 + Susceptibilidad a la deformación permanente

NIVEL 1 Diseño volumétrico, Susceptibilidad a la humedad y Selección del asfalto por grado PG

NIVEL I DISEÑO VOLUMETRICO SUCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD SELECCIÓN DEL ASFALTO

El cemento asfáltico se debe seleccionar en función de la temperatura máxima y mínima que se esperan en el lugar de aplicación, de acuerdo a la Norma de la SCT NCMT-4-05-004/05 Calidad de materiales Asfálticos Grado PG.

(Norma SCT)

[1ΣL10 ] = numero de ejes equivalentes 8.2 t (ESAL), esperando durante un periodo de servicio del pavimento de 10 años] Grado PG México AC-20 ≈ PG 64-16 http://gradopgmexico.com/

AC-20 ≈ PG 64-16

TEMPERATURAS DE MEZCLADO Y COMPACTACIÓN Característica

Rango de Viscosidad, Pa.s

Temperatura de Mezclado

0,15 a 0,19

Temperatura de Compactación

0,25 a 0,31

Rangos de Viscosidades para seleccionar las temperaturas de mezclado y compactación entre el agregado pétreo y cemento asfáltico convencional.

NOTA: Para asfaltos modificados estas temperaturas las debe proporcionar el proveedor

Pruebas para el cemento asfaltico:  Viscosidad Rotacional.  Densidad especifica

 Punto de inflamación cleveland.  Ensayo reológico de corte dinámico.  Ensayo de pelicula delgada (RTFO)

Pruebas para el cemento asfaltico:  Ensayo de envejecimiento en olla de presión (PAV).  Ensayo con reómetro de viga a flexión (BBR).

DISEÑO VOLUMETRICO

Aquí se establecen los parámetros volumétricos de la mezcla asfáltica, el contenido de cemento asfáltico óptimo el cual deberá ser el necesario para obtener un % de vacíos en la mezcla de 4%.

DISEÑO VOLUMETRICO

El diseño volumétrico se realiza mediante la fabricación de especímenes que se elaboran en el Compactador Giratorio. Cumpliendo con los requerimientos establecidos en la siguiente tabla:

Parámetros volumétricos para el diseño óptimo Requerimientos para el Diseño Volumétrico de la Mezcla Densidad requerida (% de la Gravedad específica teórica máxima (Gmm) Nivelde tránsito

Nivel de compactación (mm) Giratoria Nini Ndi Nma s

Vacíos de agregado mineral mínimo en % - VMA Tamaño nominal (mm)

37.5

25

19

12

Vacío llenos de asfalto (%) 9,5

I Bajo

≤ 91,5

70-80

II Medio

≤ 90 5

III Alto

≤ 90,5

6578 65-78

IV Muy alto

≤ 89

96

≤ 98

Nini – Número de giros iniciales Ndis – Número de giros de diseño Nmax :Numero del contenido de asfalto óptimo

11

12

13

14

Relación Filler asfalto

15

6575

0.6-1.2

Parámetros volumétricos empleados en el diseño de mezclas asfálticas:  Gravedad especifica de la mezcla compacta.  Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla.  Vacíos en el agregado mineral (VAM)

Parámetros volumétricos empleados en el diseño de mezclas asfálticas:  Vacíos de aire (Va).  Vacíos llenados con asfalto (VFA).  Asfalto absorbido (Pba)  Contenido de Asfalto efectivo (Pbe)

SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD INDUCIDA

Consiste en determinar en una mezcla asfáltica compacta el daño inducido por efectos de la humedad, comparando la resistencia a la tensión indirecta en una serie de especímenes acondicionados y no acondiconados

SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD INDUCIDA Para todos los niveles de diseño, el mínimo es 80 % de resistencia conservada

NIVEL II SUCEPTIBILIDAD A LA DEFORMACION PERMANENTE

Para revisar la susceptibilidad de la mezcla a la deformación permanente se podrán emplear los siguientes ensayes:  Rueda Cargada de Hamburgo  Deformación por rodera de una mezcla asfaltica, por medio del Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA)  Ensaye de Pista Española.

RUEDA CARGADA DE HAMBURGO Este ensayo tiene por objetivo medir la deformación permanente y la susceptibilidad a la humedad de una mezcla asfáltica provocada por el movimiento cíclico concentrado de una rueda metálica cargada Las fallas que previene son deformaciones permanentes y baches.

SUSCEPTIBILIDAD A LA DEFORMACION PERMANENTE Y DAÑOS POR HUMEDAD

Grado PG superior del asfalto

Mínimo de pasadas para la deformación máxima de 10 mm

PG 64 o inferior

10.000

PG 70

15.000

PG 76 o superior

20.000

NIVEL III MODULO DINAMICO

MODULO DINAMICO El módulo dinámico de una mezcla asfáltica es un parámetro esencial para poder calcular los espesores de carpeta asfáltica. No hay especificaciones parámetro

para

este

Compressive Dynamic Modulus (|E*|) and Phase Angle (φ)

AASHTO TP-62

NIVEL IV DISEÑO POR FATIGA

VIGA DE 4 PUNTOS Se determina la resistencia a la fatiga de la mezcla asfáltica, empleando la viga de flexión de 4 puntos. Se determina utilizando el promedio de mínimo tres especímenes de prueba.

AGRIETAMIENTO POR FATIGA

AASHTO T-321

Agrietamiento por Fatiga (TDC) •Tensión Horizontal de arriba – abajo • Desde la presión de inflado • Las grietas inician a propagarse de arriba hacia abajo • Relacionado con la energía de fractura • Influye el envejecimiento y el gradiente de temperatura

CONTROL DE CALIDAD PARA MEZCLAS ASFALTICAS DE ALTO DESEMPEÑO

MEZCLA PRODUCIDA EN PLANTA Se debe verificar la calidad del material pétreo asegurarse que corresponda al material utilizado en el proceso de diseño, en función de lo establecido en la Normativa SCT. Las características de el material pétreo deben verificarse cada mil metros cúbicos de material producido.

CEMENTO ASFALTICO Las pruebas de campo básicas que deben realizarse son:  Punto de reblandecimiento.  Recuperación elástica por torsión.  Viscosidad rotacional tipo Haake

CONTROL DE LA MEZCLA COLOCADA

Para asegurar la calidad de la mezcla asfáltica tendida y compacta, se debe de realizar un tramo de prueba de 100m de longitud, donde se realizaran las siguientes evaluaciones:

Las pruebas de campo básicas que deben realizarse son: 

Densidad compacta.



Ensaye de deformación permanente.



Ensaye de susceptibilidad a la húmedad.

TIPO DE PRUEBA

NIVEL I y II

NIVEL III

NIVEL IV

CADA 15 KM

CADA 10 KM

CADA 5 KM

DENSIDAD COMPACTA ENSAYE DE DEFORMACION PERMANANTE ENSAYE DE SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD

En caso de que no se cumplan los parámetros establecidos por el protocolo, se debe de construir un nuevo tramo de prueba, realizando los cambios necesarios de acuerdo al desempeño requerido

CONCLUSIONES

Los equipos deben de adquirirse de acuerdo hasta que nivel se desea diseñar (Presupuesto, equipos, capacitaciones y reparaciones costosas). Los proveedores deben de estar mas informados de su utilización para poder dar una mejor y clara capacitación a las empresas que adquieren estos equipos.

Con respecto al personal que los utilizara, deben de tener completo dominio de los términos básicos de cada prueba para poder utilizar el equipo e interpretar valores arrojados del mismo. Los equipos así como costosos son sensibles deben de ser correctamente transladados.

Como empresa deben de asignarles una ubicación idónea , que cuente con todos los servicios que el equipo llegue a utilizar.

Se recomienda estén en planta baja y tengan su espacio adecuado a sus dimensiones .

Pavement Preservation a global challenge: the contribution of bitumen emulsion industry

outline • • • • •

Introduction The markets today Driving factors Answers from the industry Conclusion

2

Introduction • International Bitumen Emulsion Federation • An association formed in 1996 • Members from 20 countries • 75% of the volumes worldwide 3

The IBEF around the World

4

The markets today • A delivery mechanism • A long story that dates back from the 20’s • A joint work with the oil and the chemical industry 10000 9000 8348 8174 8081 8048 7800

8000 7000

kT

6967

6000 5623

5388

5800

5000 4000 1989

1994

1999 years

2004

2009

5

The markets today Bitumen Emulsions: Volumes & uses Total production in 2009: > 8 million MT No major variation during the past 5 years No updated figures for 2010 & 2011, but it seems that volumes have slightly grown

The markets today Bitumen Emulsions: Volumes & uses • The emulsion industry needs to assess its own market at the national / local level • The last worldwide update was carried out for the 2010 World Of Emulsions

• An enquiry across 100 countries: associations, industry, • Results: • - some countries have a very accurate knowledge of their market: U.K., Japan, France • - some have not: anti trust and competition laws, mistrust between members of national associations

Bitumen emulsion top ten producing countries

The markets today The road owners are facing budget reductions Such reductions have impacted the road industry

The markets today What do the owners require? • The road owners are facing budget reductions • Such reductions have impacted the road industry • Road owners are more and more aware of the value of the asset they are in charge of • France 2,000 billions € • Italy 5,000 billions € (including land acquisition) • Pavement maintenance is asset preservation • Need to optimize the use of the moneys available: • Pavement Management Systems implemented (Australia, South Africa) • Use of adapted technologies • Road owners want more for less

The markets today The Technical knowledge • • • • • • •

• •

The need to share and extend the technical knowledge: The industry The contractors The road owners and engineers Bitumen emulsion is almost never part of the programs in the universities. Initiatives have been taken in Thailand and Spain The variety of specifications is one of the hurdles the industry will be facing for long The industry needs to be very careful with respect to the increasing quality problems of the bitumen: inconsistency linked to the use of various crudes. New research programs need to be defined and implemented Bitumen for emulsion is not a commodity it is a specialty A 160/220 straight run bitumen

Driving factors • • • • •

The need for pavement preservation Increasing maintenance needs An adverse economical context Health requirements and safety issues Environmental context

12

Driving factors • The need for pavement preservation – Most of the inland transportation is made by roads 85.3% of passengers 73.8% of goods (Europe) – Pavements need to be maintained in due time

13

Driving factors • Advancing public interest Why we need to maintain surface roads

14

Driving factors • The need for pavement preservation • Increasing maintenance needs – Along with the growth of the economy – Along with the growth of the road networks • By 2050, China's road network will cover over four million kilometres, compared to the current 1.7 million kilometres, and the quality of road transportation will be on a par with that of developed countries, Vice Minister of Communications Hu Xijie said on Monday. • Hu was outlining the development of China's road transportation network in the first half of the 21st century in his address to the 2002 China Road Transportation Development Forum (CRTDF).

15

Driving factors • The need for pavement preservation • Increasing maintenance needs • An adverse economical context – Economical crisis, debt challenge in Western countries, low public budgets – Increasing costs $700 $600

$500 $400 $300 $200 $100 mars-03

août-04

déc.-05

avr.-07

sept.-08

janv.-10

juin-11

16

Driving factors • The need for pavement preservation • Increasing maintenance needs • An adverse economical context – Economical crisis, debt challenge in Western countries, low public budgets 320,00 310,00 300,00 290,00

600,00

hot and warm mix asphalt in the USA

hot and warm mix asphalt in the Eu 27 500,00 400,00

280,00 270,00 260,00

300,00 200,00

250,00 240,00 230,00

100,00 0,00

17

Driving factors • • • •

The need for pavement preservation Increasing maintenance needs An adverse economical context Health requirements and safety issues

“ […] This strong mechanistic evidence led to the classification of occupational exposures to straight-run bitumens and their emissions during road paving as “possibly carcinogenic to humans” (Group 2B).” 18

Driving factors • • • • •

The need for pavement preservation Increasing maintenance needs An adverse economical context Health requirements and safety issues Environmental context – Reducing carbon dioxide emissions • Kyoto protocol: -8% in 2012 v/s 1990 • Achievement: -6,2% in 2008 (EU15), -14% in 2009 (EU27) • Aims for the future: -20% in 2020 (EU27) or more(- 30%) 19

ITF Leipzig 2013 2013 Annual Summit Funding Transport Declaration from Ministers: Transport infrastructure is much more than asphalt, concrete or steel; it is the backbone of national economies, providing connections for people and goods, access to jobs and services, and enabling trade and economic growth. Recognising: that sufficient infrastructure investment and maintenance is required to ensure a robust, highquality, sustainable transport system 20

Driving factors Society cannot function without roads

World Highways April 2013

Answers from the industry • The need for pavement preservation • Increasing pavement maintenance needs – Bitumen emulsion techniques are ideally suited for pavement maintenance – Micro surfacing, surface dressing, cold in place recycling

22

Answers from the industry • An adverse economical context – Emulsion techniques are affordable technique

micro surfacing

cost / m2 €

2,04

micro surfacing 2 layers 3,04

technique

micro surfacing

chip seal

chip seal 2 layers

HMA 30 mm

cost / m2 €

2,45

2,30

4,00

4,14

technique

micro surfacing

chip seal

UTFC

HMA

cost / y2 $

1,50 - 3,00

1,50 - 2,00

4,00 - 6,00

3,00 - 6,00

chip seal 2,33

very thin asphalt concrete 6,20

HMA 7,90

23

Answers from the industry • Health requirements and safety issues – Low temperature provide with low emissions

24

Answers from the industry • Health requirements and safety issues – Low temperature provide with low emissions surface dressing in the United Kingdom 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

80% 67%

22% 20% 6% non modified emulsions

modified emulsions

2001

0%

non modified cut backs

5%

0%

modified cut backs

2010

25

Answers from the industry • Environmental context – Reducing carbon dioxide emissions

Road base asphalt

materials Upstream transport Manufacturing

Gravel emulsion

Cold in place recycling

Transport to the site Placing

26

comprehensive knowledge of the road networks High speed data acquisition system

Image processing: crack records

Conclusions • The bitumen emulsion techniques have their role to play within a difficult financial context

106 104 102 100 98 96 94 92 90 88 2006

2007

2008 emulsion

2009

2010

2011

bitumen

28

Conclusions • The bitumen emulsion techniques have their role to play within a difficult financial context • Wide room for increase

29

Conclusions • The bitumen emulsion techniques meet HSE challenges • The bitumen emulsion techniques need to meet new challenges – High traffic roads – Quality of the bitumen: a specialty

30

www.ibef.net

www.aema.org

www.arra.org

www.slurry.org

www.fp2.org 31

Thank you

32

Evolución del programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT 1

2

Francisco Romero , Horacio Delgado Alamilla , Paul Garnica Anguas

2

1

Asociación Mexicana del Asfalto AC, [email protected] Instituto Mexicano del Transporte, [email protected], [email protected]

2

Resumen El presente trabajo tiene por objetivo conocer la evolución del programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT desde su inició en 2010 y hasta 2013, tanto en la metodología del programa como en la participación de los laboratorios. Existe un proceso de evaluación (antes, durante y posterior a la visita al laboratorio) en su conjunto y con resultados satisfactorios, el laboratorio podrá obtener el reconocimiento en las pruebas que esté participando, habiendo cumplido con los requisitos de equipo, personal y resultados. La metodología del programa ha progresado desde la implementación del mismo en 2010 hasta la fecha 2013. Los requerimientos para obtener el reconocimiento de las pruebas han aumentado en cuanto a exigencia, buscando asegurar la calidad en la ejecución de los ensayos y la confiabilidad de los resultados reportados por los laboratorios. La evaluación de los técnicos laboratoristas es teórico-práctica y hemos empatado esté programa con la certificación de laboratoristas en agregados. Se ha observado, un incremento considerable en la participación de laboratorios año con año, ya que en 2010 tomaron parte 14, durante el año 2011 fueron 29 los inscritos, 2012 tuvo la participación de 37 empresas y en 2013 aspiran a los diferentes reconocimientos 58 laboratorios. El incremento en la participación de los laboratorios fue proporcional a las categorías que fueron evaluadas anualmente.

1. Justificación Las determinaciones en el laboratorio están sometidas a múltiples fuentes de error y en su conjunto determinan la calidad del análisis. Para controlar estos errores, el laboratorio debe establecer su sistema de calidad sobre la base de buenas prácticas de laboratorio, lo cual debe reforzarse con un control externo que se manifiesta en la participación en estudios interlaboratorios, donde se puede evaluar la competencia técnica de cada laboratorio. Los estudios interlaboratorios se realizan con el interés

de evaluar un método analítico, también sirven para medir la aptitud de diferentes laboratorios por la comparación de sus resultados contra valores establecidos (valores de referencia). 2.

Objetivos

Asegurar y dar continuidad a los laboratorios que participen dentro del proceso de control de calidad, ya sea como parte del constructor o la empresa supervisora. Que los laboratorios cuenten

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con la capacidad técnica adecuada para que los resultados de los ensayos garanticen la calidad de la mezcla asfáltica. Garantizar la confiabilidad a través de ensayos de aptitud el desempeño de los laboratorios de ensayo de mezclas asfálticas; y detectar tendencias que permitan tomar acciones correctivas que accedan a facilitar y lograr una mejora continua. Uniformizar las prácticas a nivel nacional de cada uno de los ensayos relacionados a las mezclas asfálticas con base en el Protocolo AMAAC PA 01/2011. 3.

Alcances

El reconocimiento de los ensayos por categorías (agregados, asfaltos y mezcla asfáltica), se considera vigente por dos años, habiendo cumplido con los requisitos solicitados (equipo adecuado, personal capacitado y resultados dentro de un rango aceptable en comparación con el valor de referencia). Requiriéndose de convocatorias anuales para dar continuidad al aseguramiento de la calidad de los laboratorios participantes. 4.

Metodología

El programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT 2013, está basado en tres aspectos, los cuales son necesarios para obtener el reconocimiento de cada ensayo. 4.1.

 Se evalúa la precisión y exactitud.  Los resultados obtenidos por el laboratorio de cada ensayo, deberá estar dentro de un rango aceptable en comparación con el valor de referencia, es así como se determina la exactitud.  Se solicitan 2 resultados de cada laboratorista por ensayo, con ello se determina la precisión del técnico.1  Los resultados de los ensayos deberán ser enviados en los formatos establecidos al correo [email protected]. 4.2. Evaluación laboratorio

del

equipo

de

 El laboratorio debe contar con equipo propio, si es necesario, se le solicita que compruebe la adquisición y propiedad del mismo.  Debe estar físicamente durante la visita de evaluación para corroborar el inventario enviado, de no contar con el equipo, el ensayo no es reconocido aunque el personal conozca el procedimiento.  Se verifica que cumpla con las especificaciones establecidas en la norma correspondiente.  Debe estar calibrado o verificado, las verificaciones deben realizarse bajo un procedimiento normalizado y con equipos patrón (calibrados). Tabla1.  Presentar certificados de calibración o registros y procedimientos de verificación de los equipos según corresponda. Tabla 1. Ejemplo de equipo que se debe calibrar o verificar Calibrar Verificar Balanza Mallas Termómetro Máquina desgaste de

Resultados de los ensayos

 Se envía material necesario para la realización de los ensayos que pretende reconocer. 1

Precisión y sesgo de las normas ASTM.

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Vernier Celda de carga TSR 4.3.

los ángeles Calibrador de forma de la partícula Agitador mecánico para ensayos de desprendimiento

Evaluación de personal

Antes de 2013, las evaluaciones del personal se realizaban de manera teórica, con ello se evaluaba el conocimiento del laboratorista sobre el procedimiento de prueba de cada ensayo. A partir del programa 2013, las evaluaciones del personal son prácticas y teóricas. Se le envía un correo a los laboratorios para que preparen material para la realización del 100% de los ensayos en los que esté participando, el laboratorista realiza cada uno de los ensayos y durante la ejecución de cada ensayo hay procedimientos que se obvian. Puntos a evaluar  Contar físicamente con las normas sobre las cuales se va evaluar.2  Se solicita evidencia del conocimiento práctico de los ensayos en los cuales aspira al reconocimiento, formatos de registro de resultados y formato de identificación de muestras.  Habilidad en la ejecución de los ensayos que pretende obtener el reconocimiento.  Conocimientos básicos de metrología, p. ej. Balanza: 2

Convocatoria, http://www.amaac.org.mx/images/stories/amaacpdfs/pwconvocatoriainterlabs10ene13.pdf

o Colocación de la muestra en el equipo de medición. o Conocimiento de la capacidad y resolución de la balanza. o Cuidados generales, p. ej. Evitar el movimiento del equipo. Con el fin de darle una plusvalía al “Programa de certificación de laboratoristas con especialidad en mezclas asfálticas en la categoría de agregados”, se determinó que los laboratoristas que contarán con la certificación antes mencionada, no serían evaluados nuevamente en dicha categoría durante la visita de evaluación. Esta implementación se sustenta en que, durante las visitas de evaluación del año 2012, el personal certificado en la categoría de agregados, obtuvo resultados satisfactorios en las evaluaciones del procedimiento de prueba de la categoría. Al finalizar la visita de evaluación, se entrega un informe de hallazgos, en cual se hacen observaciones al laboratorio por cada ensayo, en caso de ser necesario, respecto a equipos, herramienta y ejecución en los procedimientos de prueba. Esto para contribuir a la mejora continua del laboratorio por reconocer. 5.

Reconocimiento AMAAC-IMT

Existen 2 tipos de reconocimiento y este va a depender del alcance de cada laboratorio.  

Por categoría, vigencia de 2 años. Por prueba, vigencia de 1 año.

Los laboratorios pueden participar en cierto número de ensayos y obtener el reconocimiento por prueba, el laboratorio cuenta con 1 año para reconocer los

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ensayos que le faltan y así obtener el reconocimiento por categoría. De no completar la categoría en el tiempo establecido, el laboratorio deberá presentar nuevamente la totalidad los ensayos en su siguiente intervención. 5.1. Requerimientos para obtener el reconocimiento por categoría Adicionalmente a la obtención de resultados favorables en la evaluación del equipo y personal durante la visita al laboratorio, el laboratorio debe cumplir con lo siguiente: 

Agregados

Obtener resultados satisfactorios en las primeras 11 pruebas y adicionalmente 2 de las 5 restantes de la convocatoria del programa, realizando estos ensayos con las muestras enviadas por AMAAC-IMT. Tabla 2. Tabla 2. Ensayos categoría de agregados 1. Reducción de muestras (ASTM C702-11). 2. Análisis granulométrico (ASTM C136-06). 3. Densidad y absorción de agregados gruesos (ASTM C127-12). 4. Densidad y absorción de agregados finos (ASTM C128-12). 5. Determinación del valor equivalente de arena (ASTM D2419-09). 6. Determinación de partículas planas y alargadas (ASTM D4791-10). 7. Determinación de azul de metileno en material fino (filler) (RA 05/10). 8. Determinación del porcentaje de partículas fracturadas en agregados gruesos (ASTM D5821-01 (2006)).

9. Intemperismo acelerado (ASTM C88-05). 10. Desgaste de Los Ángeles (ASTM C131-06). 11. Angularidad del agregado fino (AASHTO T304-11). 12. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa. Ebullición (ASTM D362596 (2005)). 13. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa. (RA 07/10). 14. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas (MMP 4.04.009/03). 15. Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa. (RA 08/10). 16. Desgaste Micro Deval (ASTM D692810). 

Asfaltos

Mínimo 80 puntos, obteniendo resultados satisfactorios con las muestras enviadas AMAAC-IMT en cada uno de los ensayos presentados. Tabla 3. Tabla 3. Ensayos categoría de asfaltos Puntaje 1. Muestreo de asfaltos 4 (MMP 4.05.001/00). 2. Densidad específica del 8 asfalto (ASTM D70-09). 3. Punto de inflamación de 8 Cleveland (MMP 4.05.007/00). 4. Viscosidad rotacional 16 (ASTM D4402/12). 5. Ensayo reológico de corte dinámico (ASTM D7175/08). 5.1 Condición original. 8 5.2 Condición RTFO. 8 5.3 Condición PAV. 8 6. Ensayo de la película 12

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delgada en horno giratorio RTFO (ASTM D2872/04). 7. Ensayo de envejecimiento con olla de presión PAV (ASTM D6521/08). 8. Ensayo con el reómetro de viga a flexión BBR (ASTM D6648/08). TOTAL 



12

16 100

Mezcla asfáltica nivel I

Para poder aspirar al reconocimiento del NIVEL I se debe tener reconocidas las pruebas 2,3 y 4 de la categoría de agregados. Tabla 2. Además, obtener mínimo 80 puntos, logrando resultados satisfactorios con las muestras enviadas AMAAC-IMT en cada uno de los ensayos presentados. Tabla 4.

Contar con el reconocimiento en el NIVEL I y obtener resultados satisfactorios con las muestras enviadas AMAAC-IMT en cualquiera de los tres ensayos indicados en la tabla 5. Tabla 5. Ensayos categoría de mezcla asfáltica nivel II A. Ensayo de deformación permanente con Rueda de Hamburgo (RA 01/11, AASHTO T324-04). B. Ensayo de susceptibilidad a las deformaciones permanentes (PISTA ESPAÑOLA) (RA 03/11). C. Ensayo de susceptibilidad a las deformaciones permanentes (APA) (RA 02/11, AASHTO T340-10).

5.2. Tabla 4. Ensayos categoría mezcla asfáltica nivel I Puntaje 1. Muestreo en mezclas 5 asfálticas (ASTM D979-12). 2. Gravedad específica de la mezcla compacta, Gmb con 20 parafina (ASTM D1188-07). 3. Gravedad específica de la mezcla compacta, Gmb sin 20 parafina (ASTM D2726-11). 4. Gravedad específica teórica máxima, Gmm (ASTM 20 D2041-11). 5. Evaluación de la susceptibilidad a la humedad 10 TSR (RA 04/10). 6. Compactación (ASTM 25 D6925-09). TOTAL 100

Mezcla asfáltica nivel II

Resoluciones de reconocimiento

En años anteriores (programas de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT 2010, 2011 y 2012) se empleó la resolución “condicionado”, esta se otorgaba cuando el resultado del ensayo no era satisfactorio pero el equipo y personal cumplía. Adicionalmente existían diferentes combinaciones que indicaban si el ensayo era reconocido o no. Ahora, 2013, se opto por dejar de lado esta resolución y simplemente un ensayo puede ser reconocido o no reconocido. Ya que las exigencias en el programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT cada año serán mayores, buscando la excelencia en la calidad de los ensayos evaluados con un personal ampliamente capacitado para ello, así como la confiabilidad en los resultados otorgados por los laboratorios participantes.

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Para que un ensayo sea reconocido tendrá que cumplir con los 3 requisitos de evaluación: Personal, Equipo y resultados.

de inscripciones, administración del correo destinado a este programa, etc. 

5.3. Recursos prima

humanos

y

materia

Para la ejecución adecuada del programa de laboratorio con reconocimiento AMAACIMT 2013, fue necesario:  Personal técnico Fue necesario el apoyo de 6 técnicos laboratoristas para la realización de las siguientes actividades. o Reducción de muestras de agregado grueso y fino. o Cribado de agregado grueso y fino. o Elaboración de paquetes para los ensayos de la categoría de agregados, asfalto y mezcla asfáltica nivel I y II. o Dosificación de material pétreo para los ensayos de mezclas asfálticas nivel I y II. o Envío de muestras AMAAC-IMT por paquetería. Además de 2 ingenieros que forman parte del comité de evaluadores para el análisis e interpretación de los resultados, así como la elaboración de los informes finales. La realización del 100% de los ensayos de las diferentes categorías, y de los cuales se obtienen los valores de referencia, estuvo a cargo de 2 ingenieros certificados como laboratoristas en la categoría de agregados y en diseño de mezclas. 

Personal administrativo

Colaboración de 2 profesionistas encargadas de la parte administrativa del programa, como lo son: Informes, registro

Comité evaluador

Para el programa 2013 se contó con 9 evaluadores, los cuales se encargaron de las visitas de evaluación a los laboratorios participantes, las visitas se realizaron en el periodo comprendido entre los meses marzo y agosto de 2013. 6. Cantidad categoría o

de

materiales

por

Agregados Tabla 6. Distribución de muestras de ensayos de agregados

Ensayo 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Materia l [kg]

Laboratorista s

Total [kg]

40,0

82

3160, 0

2,0 2,0 7,0 0,05 7,0 1,0 5,0 2,0 0,5 0,35 0,5 0,15 1,5

82 79 77 77 75 77 75 75 54 39 72 60 55

164,0 158,0 539,0 3,85 525,0 77,0 375,0 150,0 27,0 13,6 36,0 9,0 82,5

La cantidad de material es por ensayo para 1 laboratorista, en total fueron 43 laboratorios inscritos. 3

Convocatoria, categoría agregados. http://www.amaac.org.mx/images/stories/amaacpdfs/pwconvocatoriainterlabs10ene13.pdf

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Tabla 7. Cantidad de material por tamaños gruesos y finos (muestras de ensayos) Ensayo 4

1, 2, 3, 6, 8 4, 5 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16

Tamaño de agregad o Agregado grueso Agregado fino Agregado grueso

Preparació n

Reducción de muestra

Cribado

Total [kg] 4238, 0

Se realizaron 640 dosificaciones de 1200g de material y 640 con 2400g de material.

322,0

770,1

Tabla 70. Material dosificado para ensayos mezcla asfáltica nivel I y II Agregado fino [Ton] 0,6

Asfalto [L] 80,0

Total [Ton] 8,0 2,0

Además fue necesario muestrear 50 L de asfalto tipo 1 para la realización de los ensayos de desprendimiento por fricción en la fracción gruesa del material pétreo. Asfalto

Para la evaluación de esta categoría se consideró analizar 2 tipos de asfalto. Tabla 96. Asfalto muestreado Asfalto Tipo 1 Tipo 2

En la tabla 10, se muestra el material efectivo para las dosificaciones, es necesario precisar que para obtener esas cantidades de material fue ineludible muestrear 4 ton de agregado grueso y 3 ton de agregado fino.

Agregado grueso [Ton] 1,0

Tabla 8. Material muestreado

o

Mezcla asfáltica

Para la evaluación de esta categoría, se optó por enviar por separado el agregado pétreo (con la dosificación deseada) y el asfalto.

Las cantidades de material mostradas en las ilustraciones 6 y 7, son las muestras de ensayo, la cantidad de material muestreado se presenta en la ilustración 8.

Tamaño de agregado Agregado grueso Agregado fino

o

7.

Análisis de resultados

7.1.

Variabilidad de muestras

Es el nombre que se da a las diferencias en el comportamiento de todo fenómeno observable que se repite bajo iguales condiciones, debidas a cambios en factores no controlables, que influyen sobre él. Estas diferencias pueden ser casi imperceptibles, como en el caso de ensayos de laboratorio, donde hay un alto grado de control sobre los factores que influyen sobre el fenómeno. En el programa de laboratorio con reconocimiento AMAAC-IMT, se les solicita a los laboratoristas realizar 2 ensayos, cada uno con duplicado.

Total [L] 50,0 50,0

4

Convocatoria, categoría agregados. http://www.amaac.org.mx/images/stories/amaacpdfs/pwconvocatoriainterlabs10ene13.pdf

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En la tabla 12, se muestra la solicitación de resultados a los laboratorios participantes, con ello determinamos: a) Desviación estándar entre el resultado 1 y 2 del técnico 1. b) Desviación estándar entre el resultado 1a y 2a del técnico 2. Si la variabilidad entre los resultados es la permitida por el ensayo, se calcula: a) Promedio de los resultados 1 y 2 del técnico 1. b) Promedio de los resultados 1a y 2a del técnico 2.

siendo este último el que se maneja en el estadístico de desempeño Zscore. 7.2.

Sistema comparativo

Una vez expuestos los resultados obtenidos por los laboratoristas de cada laboratorio participante, se procede al análisis de los resultados en forma comparativa con el valor conocido. Este tipo de análisis permite determinar si existen diferencias estadísticamente significativas entre los resultados reportados y el valor conocido. El estadístico de desempeño que se utiliza es el Zscore.

Tabla 8. Diagrama de solicitud de resultados

z

x  X  S

Laboratorio "0"

Técnico 1

Técnico 2

Ensayo "x"

Ensayo "x"

8. Evolución del programa laboratorio con reconocimiento AMAACIMT

60 57

Resultado 1

Resultado 2

Resultado 1a

N° Laboratorios

50 40 30 20 10

Resultado 2a

37

30

14

0 2010

A continuación se determina la desviación estándar de los promedios. La variabilidad existente deberá ser igual o menor a la especificada por la normativa sobre la cual se está realizando el ensayo. Verificando lo anterior, obtenemos un solo resultado por laboratorio derivado de los promedios,

2011

2012

2013

Año

Figura 1. Incremento en la participación de laboratorios

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Agregados

Asfalto

Mezcla asfáltica nivel I

Mezcla asfáltica nivel II

   

Agregados; 230,8% Asfalto; 212,5% Mezcla asfáltica nivel I; 75,0% Mezcla asfáltica nivel II; 500,0%

45 43 30 26 21

15 844

Asfalto

Mezcla asfáltica nivel I

Mezcla asfáltica nivel II

45 43

18

15

13

25 24

Agregados

10

49

30 5

7

0 2010

2011

2012

25

2013

24

15

Figura 2. Incremento en la participación de laboratorios por categoría

13 8

4

2010

Agregados

Asfalto

Mezcla asfáltica nivel I

Mezcla asfáltica nivel II

20

16 13

10 8

7

9

8

1 3 0

7 3

4

0 2010

2011

2012

Figura 3. Incremento de laboratorios reconocidos por categoría Comparativa 2010 vs 2013 De acuerdo con la ilustración 4, podemos observar el incremento en la participación de los laboratorios por categoría desde el 2010 año en que se arrancó el programa y hasta el programa del año en curso. El incremento ha sido considerable:

4

7

0 2013

Figura 4. Incremento de laboratorios participantes por categoría Las figuras siguientes muestran la distribución geográfica de todos los laboratorios participantes así como los laboratorios acreditados. Estos son una buena conclusión en cuanto al programa reconocimiento AMAAC-IMT, ya que nos dan una idea clara de donde se ubican tanto los laboratorios participantes como los certificados. Figura 5 Distribución geográfica de los laboratorios participantes en el programa de certificación AMAAC-IMT en 2013 (Todas las categorías). Figura 6 a 9 Distribución geográfica de los laboratorios certificados en el programa de AMAAC-IMT hasta 2013 en las diferentes categorías.

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Figura 5 Distribución geográfica de los laboratorios participantes en el programa de certificación AMAAC-IMT en 2013

Figura 6 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de agregados hasta diciembre de 2013 Página 10 de 12

Figura 7 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de asfaltos hasta diciembre de 2013

Figura 8 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de Mezclas asfálticas Nivel I hasta diciembre de 2013 Página 11 de 12

Figura 9 Distribución geográfica de los laboratorios Certificados en la categoría de Mezclas asfálticas Nivel II hasta diciembre de 2013

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EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE, NIVEL I-II CON ADITIVOS MEJORADORES DE ADHENRENCIA Y ASFALTO MODIFICADO TIPO SBS Aldo Salazar, Horacio Delgado, Paul Garnica, Raúl Terán Resumen Debido a que en la actualidad los pavimentos presentan diversas degradaciones por el incremento en el nivel de tránsito, malos materiales para construcción, se ha determinado una necesidad de crear de nuevos productos químicos que modifican la superficie del agregado o del asfalto esto con el fin de mejorar el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. Este trabajo presenta la evaluación de la influencia de un asfalto modificado tipo SBS mezclado con un promotor de adherencia evaluado a diferentes concentraciones en el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. Este modificador se evaluó con y sin promotor de adherencia y fue comparado contra un asfalto convencional. La evaluación del desempeño fue realizada mediante tres ensayos. El primero son los ensayos de adherencia, en los cuales se puede observar de una manera subjetiva la afinidad que tiene el agregado pétreo con el cemento asfáltico. El segundo ensaye es realizado mediante la prueba de TSR, para medir la perdida de resistencia que tiene la mezcla asfáltica por la acción del agua. El tercer ensaye fue realizado mediante el ensayo de deformación permanente, bajo una rueda cargada. Los resultados obtenidos permiten determinar una concentración óptima para el aditivo promotor de adherencia. Conjuntamente se determinó el aporte mecánico de este material con respecto a una mezcla modificada y convencional. Palabras claves Ensayes de adherencia, tensión indirecta, deformación permanente, aditivo promotor de adherencia. 1. Afinidad entre asfalto/agregado El asfalto es un derivado del petróleo muy viscoso de baja polaridad y una pequeña afinidad por el agregado. Por otro lado el agregado pétreo presenta una gran afinidad por el agua por lo cual permite que el asfalto sea desplazado fácilmente por el agua. [01] Los agregados a su vez pueden considerarse del tipo “ácidos” o “básicos” esto depende de que si su superficie tiende a cargarse de forma positiva o negativa. Los agregados con

altos contenidos de sílice son del tipo acido y los que contienen grupos carbonatos son del tipo básico. [01] Como se menciono anteriormente la pérdida de adherencia es debido a la acción del agua, el cual puede penetrar en la estructura del pavimento por cualquiera de las siguientes formas: 

Presente con el agregado debido a un secado inadecuado insuficiente o con un alto contenido de agua interna,

 

Fisuras y porosidad de la carpeta, Por capilaridad cuando existe agua entre las subcapas o una alta presión hidrostática en el subsuelo.

2. Aditivo promotor de adherencia Este tipo de aditivos son productos tensoactivos que tienen la propiedad de modificar la tensión superficial del asfalto, agregado pétreos o ambos. Las moléculas de este aditivo se caracterizan por tener dos partes bien definidas:  

Una parte afín al asfalto, formada por una cadena hidrocarbonada, Una parte afín al agua, formada por grupos funcionales molares.

En las mezclas asfálticas el aditivo promotor de adherencia se concentra en la interface asfalto/agregado y se orientan en la parte lipofílica hacia el asfalto. Por otro lado los grupos polares de la parte hidrofílica generan uniones con los grupos silicatos y carbonatos de la superficie del agregado. En otras palabras, el aditivo promotor de adherencia crea un enlace químico entre el asfalto y agregado aumentando su resistencia a la acción del agua. Asfalto

Asfalto

Agregado

Agregado



presencia de los grupos polares del aditivo en la interfase, permitiéndole desplazar el agua de la superficie del agregado y lograr un contacto íntimo entre asfalto/agregado. Esto es conocido como “Adhesión Activa”. Incrementando la resistencia al desprendimiento: Esto se logra al impedir la penetración del agua entre la película de asfalto y el agregado por efecto de los enlaces que se establecen entre el asfalto y la superficie del agregado debido a la adición del aditivo promotor de adherencia. Esta resistencia se le conoce como “Adhesión Pasiva”.

3. Descripción del ensayo 3.1 Ensayes de adherencia Existen diferentes tipos de ensayos de laboratorio para la evaluación de la adherencia, en los cuales la mezcla asfáltica sin compactar es sometida en agua para evaluar su desempeño. De las metodologías que actualmente se encuentran en la normativa, únicamente se opto por utilizas tres métodos de ensaye para evaluar la adherencia. Estos son:   

Recomendación AMAAC, RA08/10 Recomendación AMAAC, RA07/10 Método de Ebullición, ASTM D3625

Método de desprendimiento por fricción Figura 1. Ubicación del aditivo promotor de adherencia en la interface asfalto/agregado

Con la adición del promotor de adherencia al asfalto este mejorara la afinidad asfalto/agregado a través de dos mecanismos: 

Mejorando incrementando

el cubrimiento: la afinidad por la

La prueba consiste en someter a la acción del agua y a varios ciclos de agitación la mezcla asfáltica sin compactar, esto con el fin de evaluar su estado físico después del ensayo. Las mezclas asfálticas son realizadas añadiendo únicamente 5% de asfalto al agregado pétreo en la fracción gruesa.

La prueba es un ensayo rápido, práctico y eficiente que nos permite evaluar la falta de adhesión de la mezcla asfáltica caliente no compactada debido a la acción del agua en ebullición.

Figura 2. Ensayo realizado mediante el agitador mecánico.

Método Australiano, RA 07/10 Este procedimiento de prueba está basado en el método australiano RTA T 230 (resistance to stripping of aggregates and blinders). La prueba consiste en someter a la acción del agua y temperatura indicada a la mezcla asfáltica sin compactar, cuyo objetivo es determinar la resistencia al desprendimiento del asfalto del agregado pétreo en función del porcentaje de cubrimiento al final del ensaye.

Figura 3. Ensayo realizado mediante método australiano

Método de ebullición Este método de prueba es utilizado para determinar la pérdida de la película asfáltica en los materiales pétreos reportando en porcentaje de cubrimiento el resultado final de la prueba.

Figura 4. Ensayo realizado mediante agua en ebullición.

3.2 Ensaye de Tensión Indirecta, TSR Esta prueba determina la pérdida de resistencia de las mezclas asfálticas, consiste en aplicar una carga de compresión a lo largo de los ejes diametrales del espécimen cilíndrico. La magnitud de la carga es de al menos 100 kN, y ésta debe ser aplicada a una velocidad de deformación constante de 50,8 mm por minuto hasta la falla. La carga se aplica por medio de dos barras, debido a la forma cilíndrica de la probeta; la carga de compresión se transforma en un esfuerzo de tensión. Durante el ensayo, la carga y la deformación son registradas hasta que ocurre la falla del espécimen. [02]

Figura 6. Especímenes ensayados en el APA Figura 5. Ruptura de un espécimen en el ensayo de tensión indirecta

3.3 Ensaye de Deformación Permanente Esta prueba es realizada en el Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA), el tiempo de prueba para una evaluación completa de deformación permanente es de 2 horas y 16 minutos (8000 ciclos). La evaluación de la susceptibilidad a la deformación permanente de las mezclas asfálticas se puede determinar tanto en especímenes rectangulares como en cilíndricos, mediante cargas repetidas aplicadas con ruedas y midiendo la profundidad de la rodera que deja la rueda. El APA cuenta con un sistema de adquisición de datos automatizado. [03] Las partes de la rueda cargada y la presión de inflado son representativas de las condiciones actuales en campo. Pueden probarse seis cilindros Para la evaluación de esta prueba se utilizo una presión de 100 psi y una carga de 100 lb, en condición seca y saturada, evaluando la deformación permanente de la mezcla asfáltica compactada después de 8000 ciclos de carga.

Figura 7. Profundidad de la rodera en un espécimen ensayado

4. Análisis de resultados El análisis de resultados está dividido en tres fases: la primera es evaluar el Nivel I de “Diseño de Mezclas Asfálticas de Alto Desempeño” de protocolo AMAAC, la segunda fase serán realizado por medio de los ensayes de adherencia, donde evaluaremos la afinidad asfalto/agregado, la tercera fase es el Nivel II de protocolo AMAAC, por medio del APA. 4.1 Nivel I 4.1.1 Caracterización del agregado pétreo El agregado pétreo utilizado para realizar la investigación, es producto de la trituración de roca basáltica, proveniente del banco “La Cañada” ubicado en la localidad de Saldarriaga en el Marques, Qro.

Los ensayos que fueron realizados al agregado pétreo son los especificados en el Protocolo AMAAC para evaluar sus propiedades físicas. En la tabla 1 se muestran los resultados.

El cemento asfáltico utilizado en el presente trabajo es, proveniente de la refinería de Salamanca, Guanajuato. Para las propiedades del cemento asfáltico, no se realizó ningún estudio reológico.

Tabla 1. Propiedades físicas del agregado pétreo

Al cemento asfáltico se le asignó una denominación según la condición en la que fue usado para la fabricación de los especímenes:

Prueba

Resultado

Especificación

Desgaste de los Ángeles, %

12 %

30 máx.

Desgaste Microdeval, %

9%

18 máx.

Intemperismo Acelerado

6%

15 máx.

Caras fracturadas, % (2 caras o más)

94 %

90 mín.

Partículas alargadas

0%

10 % máx.

Partículas planas

5%

10 % máx.

Equivalente de arena, %

53 %

50 mín.

Angularidad del agregado fino, %

46 %

40 mín.

Estos porcentajes de aditivo son con respecto al peso del asfalto.

28

15 máx.

4.1.3 Propiedades volumétricas

AC-20 AC-20 + SBS AC-20 + SBS + 0.3% Aditivo AC-20 + SBS + 0.5% Aditivo

Azul de metileno, mg/g

El material del banco estudiado presenta un tamaño máximo de 1” (24.5 mm) y como tamaño nominal de ¾” (19.5 mm). Con esto se creó una curva granulométrica con la que se realizaron las dosificaciones para realizar las mezclas asfálticas. La figura 8 muestra la curva granulométrica diseñada. 100 90 80

% pasa

70 60 50 40

Curva de diseño

30 20

Linea de máxima densidad

10

AC-20 + SBS + 0.7% Aditivo

→ → → → →

A.O. A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

Para el proyecto en estudio, los criterios del protocolo AMAAC a seguir son los correspondientes al nivel III: tránsito alto (de 10 a 30 millones de ejes equivalentes). Las especificaciones de los parámetros volumétricos, para un tamaño nominal de 19mm, requiere una relación de vacíos de 4%, vacíos del agregado mineral mayor de 13% y vacíos rellenos de asfalto entre 65 y 78%, con una relación de filler-agregado entre 0.6 y 1.2. Además se requiere compactar los especímenes con un número de giros simulando el tránsito esperado correspondiente al nivel seleccionado, por lo que los especímenes fueron compactados a 100 giros.

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

abertura de malla ^0.45, mm

Figura 8. Curva teórica de diseño de mezcla

4.1.2 Cemento asfáltico y aditivo promotor de adherencia

De acuerdo a nuestra curva granulométrica de diseño, se dosificaron especímenes de 1200 g, para compactar a 100 giros con distintos contenidos de cemento asfáltico, con las que se podrán conocer sus propiedades

Además se realizaron mezclas asfálticas sin compactar para determinar el ensayo de la densidad teórica máxima Gmm de acuerdo a la norma ASTM D 2041, usando los mismos contenidos de cemento asfáltico de las mezclas asfálticas compactadas. Con los valores obtenidos (resultados del ensayo de la densidad teórica máxima Gmm) y los valores de densidad de la mezcla compacta, se puede aproximar un valor probable para diseño que cumpla con los requisitos preestablecidos. Los resultados se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Parámetros volumétricos con el contenido óptimo para A.O. y A.M. Asfalto

AC-20

A.M.

Especificación

% C.A.

5.3

5.1

×

Gmb

2.340

2.335

×

Gmm

2.443

2.437

×

%VA

4.0

4.0

4.0

%VAM

14.9

15.1

> 13

%VFA

73.5

73.5

65 - 78

%Filler/Asfalto

0.73

0.71

0.6 - 1.2

%GmmNdis

96.0

96.0

96.0

4.1.4 Tensión Indirecta TSR Los especímenes compactados fueron ensayados con una relación de vacios del 7%. Se compactaron los especímenes necesarios

para realizar el ensaye de TSR. El 50% de los especímenes compactados se ensayaron en condición seca y el resto en condición saturada, de los cuales estos últimos tuvieron un proceso de saturación menor del 80% que especifica la norma AASHTO T283. En la figura 9 se muestran los resultados función del esfuerzo máximo para las probetas ensayadas en condición seco y saturado. 800.00 700.00 600.00 500.00

esfuerzo, kPa

volumétricas. El contenido de cemento asfáltico óptimo será el necesario para obtener una relación de vacíos de aire en la que sea lo más aproximado al 4%, además de cumplir con las especificaciones de los parámetros volumétricos mencionados anteriormente.

400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 AC20

A.M.

A.M.1

A.M.2

A.M.3

Mezcla asfáltica

Figura 9. Esfuerzos máximos de las mezclas asfálticas evaluadas

La tabla 3 muestra la relación de los esfuerzos obtenidos para cada una de las concentraciones añadidas del aditivo promotor de adherencia. Tabla 3. Resultados de TSR con las mezclas asfálticas evaluadas A.O.

A.M.

A.M.1

A.M.2

A.M.3

Seco

630.07

684.58

695.48

628.18

701.13

Saturado

511.88

578.99

592.29

585.37

557.53

TSR

81%

85%

85%

93%

80%

En la figura anterior se aprecia notablemente el incremento del esfuerzo al adicionarle el modificador tipo SBS, en condición seca y saturada. Se puede notar que el daño causado por la humedad en las mezclas asfálticas las cuales contienen el modificar SBS no es tan severo como en las mezclas convencionales. La relación TSR no se incrementa tanto debido a que los valores del esfuerzo con el

modificador se incrementan tanto las mezclas secas como en las húmedas.

100

Al incrementar el aditivo mejorador de adherencia al asfalto modificado se observa que con poca concentración añadida, en este caso la mezcla asfáltica A.M.1 no se aprecia ningún efecto nocivo por la aplicación de este producto, por el contrario tiene un mejor comportamiento mecánico en la mezcla asfáltica mejorando su resistencia a la tensión.

% de adherencia

80 60 40 20 0 Resultados

AC20 86

A.M. 86

A.M.1 95

A.M.2 97

A.M.3 99

mezcla asfáltica

Figura 10. Resultados de desprendimiento por fricción RA 08/2010 100

% de adherencia

Por otro lado con las formulaciones A.M.2 y A.M.3 son caso contrario, se aprecia que con más concentración añadida del aditivo mejorador de adherencia esto para el A.M.2 los valores del esfuerzo tienden a ser inferiores que el A.M.

80 60 40 20 0

Resultados

AC20 13

A.M. 4

A.M.1 88

A.M.2 94

A.M.3 97

mezcla asfáltica

4.2 Ensayes de adherencia

Figura 11. Resultados del método australiano 100 80

% de adherencia

El A.M.3 obtiene mayores esfuerzos en las mezclas secas que el A.M. pero en las mezclas húmedas el valor del esfuerzo es inferior. Por la tanto la relación del TSR es inferior a todas las mezclas asfálticas evaluadas.

60 40 20 0

Los resultados de las pruebas de adherencia contienen los valores obtenidos del agregado antes mencionado. En las gráficos 10, 11 y 12 se presentan los resultados finales de los ensayes. Los resultados de los métodos están representados en porcentaje de cubrimiento para tener una mejor visualización en la comparación con los otros métodos.

Resultados

AC20 77

A.M. 87

A.M.1 92

A.M.2 93

A.M.3 97

mezcla asfáltica

Figura 12. Resultados del método de ebullición

Con los resultados obtenidos se puede concluir que al añadir el aditivo promotor de adherencia para cualquier ensayo en donde se pueda evaluar la afinidad asfalto/agregado se aprecia notalmente que este agente tensoactivo ayudo a mejorar sus propiedades superficiales mejorando las características del agregado para obtener mejores resultados en afinidad. Primeramente se puede observar, que al adicionar el modificador SBS tiene mejor afinidad asfalto agregado que en comparación

11 10 9

deformación, mm

con el A.O. esto para las pruebas de desprendimiento por fricción y ebullición. En el caso del método australiano se observa que el modificador no le proporciona ningún beneficio de afinidad.

8 7 6 5 4 3

Para las mezclas evaluadas con el aditivo mejorador de adherencia. Se aprecia que al incrementar la concentración del aditivo los valore de cubrimiento asfalto/agregado son mayores en cualquiera de los ensayes. Sin embargo la formulación del A.M.3 es la que presenta mejores resultados en cuanto a afinidad. 4.2 Nivel II Los especímenes compactados fueron ensayados con una relación de vacios del 7% de igual manera que las probetas para TSR. Se compactaron los especímenes necesarios para realizar el ensaye en el APA. El 50% de los especímenes compactados se ensayaron en condición seca y el resto en condición saturada. La figura 13 y 14 muestra los resultados obtenidos después del ensaye en condición seca y saturada. 10

AC-20 A.M. A.M. 1 A.M. 2 A.M. 3

9

deformación, mm

8 7 6 5

AC20 A.M. A.M. 1 A.M. 2 A.M. 3

2 1 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

N° Ciclos

Figura 13. Ensaye de deformación permanente en la condición saturada

Primeramente se observa una deformación inicial en los primeros 300 ciclos, la mezcla asfáltica convencional tiene una deformación no controlada por lo que el desempeño de esta mezcla evaluada es bajo. Cuando se adiciona el modificador SBS al A.O. la mezcla asfáltica tiende a recuperar mas su parte viscosa por lo que hace que esta deformación evolucione de una manera más controlada esto sucede en cualquier condición evaluada (seco y/o saturado). Cuando adiciona el aditivo mejorador de adherencia al A.M. se puede apreciar notablemente que en la condición seca el aditivo no tiene ningún efecto nocivo en el desempeño de la mezcla asfáltica, si no que le da un mayor aporte mecánico a la deformación permanente. Siendo las mezclas A.M.2 y A.M.1 Las que se comportan mejor con el tensoactivo.

4 3 2 1 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

N° Ciclos

Figura 13. Ensaye de deformación permanente en la condición seca

5. Conclusiones  Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional (A.O.), mejoro el comportamiento mecánico en la mezcla asfáltica al obtener valores mayores en los ensayes de adherencia, tensión indirecta y deformación permanente.  Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se encontró que la mezcla asfáltica mejoro







su comportamiento mecánico en los ensayes de tensión indirecta y deformación permanente, sin olvidar que mejoro la afinidad asfalto agregado. Las tres mezclas con aditivo y modificador SBS presentan un mejor resultado en los ensayes de adherencia, pero se observo que a mayor concentración adicionada de aditivo la afinidad incrementa. Se encontró que al adicionar el aditivo mejorador de adherencia al A.M. no tiene ningún efecto nocivo en concentraciones pequeñas, al contrario mejora su afinidad por lo tanto mejora su desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. En cuanto los resultados de tensión indirecta y deformación permanente se observa a mayor concentración de aditivo mejorador de adherencia el comportamiento de esta tiende a disminuir los valores del esfuerzo.

6. Referencias [01] A. Salazar, Susceptibilidad a la humedad en mezclas asfálticas, Tesis de Licenciatura, Universidad Marista de Querétaro, Qro. México 2010. [02] P. Garnica, H. Delgado, J. A. Gómez, A. González, Comportamiento de mezclas asfálticas modificadas con SBR. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 254, 2004 [03] P. Garnica, M. Flores, H. Delgado, J. A. Gómez, Caracterización Geomecánica de Mezclas Asfálticas. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 267, 2005

[04] P Garnica, J.A Gómez, H. Delgado, Algunos aspectos de la densificación de mezclas asfálticas con el compactador giratorio. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 228, 2003 [05] Diseño de mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño. Protocolo AMAAC PA-MA 01/2011 [06] Susceptibilidad a la deformación permanente por rodera de una mezcla asfáltica, por medio del analizador de pavimentos asfálticos (APA), Recomendación AMAAC RA 02/2011 [07] Resistencia de las mezclas asfálticas compactadas al daño inducido por humedad, Recomendación AMAAC RA 04/2010 [08] Compactación de mezclas asfálticas con el equipo compactador giratorio, Recomendación AMAAC RA 06/2011 [09] Resistencia al desprendimiento del asfalto de los materiales pétreos en las mezclas asfálticas por acción del agua, Recomendación AMAAC RA 07/2010 [10] Desprendimiento por fricción en la fracción gruesa de materiales pétreos para mezclas asfálticas, Recomendación AMAAC RA 08/2010

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE, NIVEL III CON ADITIVOS MEJORADORES DE ADHERENCIA Y ASFALTO MODIFICADO TIPO SBS Aldo Salazar, Horacio Delgado, Paul Garnica, Mayra Flores, Raúl Terán Resumen En la actualidad se presentan diferentes degradaciones prematuras en los pavimentos asfálticos, los cuales están asociados a un incremento en el nivel de tránsito (volumen e intensidad), por lo cual es importante utilizar materiales que proporcionen mejores desempeños a la mezcla asfáltica. En la actualidad una de las soluciones más utilizadas es el uso de polímeros, los cuales modifican el desempeño del ligante asfáltico. Por lo cual la correcta determinación de sus propiedades reologicas, módulo complejo, E* y ángulo de fase φ, son primordiales en el diseño de un pavimento asfáltico. Este trabajo presenta la evaluación de la influencia de un asfalto modificado tipo SBS mezclado con un promotor de adherencia evaluado a diferentes concentraciones en el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. Este modificador se evaluó con y sin promotor de adherencia y fue comparado contra un asfalto convencional. La evaluación del desempeño fue realizada mediante el ensayo de módulo complejo, E*, bajo una solicitación sinusoidal en compresión a 6 diferentes temperaturas y 5 frecuencias. Los resultados obtenidos permiten determinar una concentración óptima para el promotor de adherencia. Conjuntamente se determinó el aporte mecánico de este material con respecto a una mezcla modificada y convencional. Palabras claves Módulo complejo, ángulo de fase, mezclas asfálticas, aditivo promotor de adherencia.

Como se ha mencionado, las mezclas asfálticas tienen un comportamiento complejo, considerando la amplitud de la deformación (|ε|) y el número de ciclos de carga aplicados (N) se pueden identificar cuatro clases de comportamientos principales [01]:    

La figura 1 presenta un esquema de los comportamientos descritos en los puntos anteriores. log ||

1. Tipos de comportamiento de las mezclas asfálticas

-2

Influencia de la temperatura

No lineal

Deformación permanente (si ciclos de esfuerzos a partir de 0)

Deformabilidad

-4

Viscoelasticidad lineal (VEL)

-6

Comportamiento viscoelástico lineal Fenómeno de fatiga Comportamiento fuertemente no lineal Deformación permanente

Ruptura

1

2

Fatiga

3

4

5

6

log (N)

Figura 1. Comportamiento tipo de una mezcla asfáltica a temperatura controlada, (ε) deformación – (N) número de repeticiones de carga [01].

Las fronteras presentadas en la figura 1, para los diferentes comportamientos, son de magnitudes que pueden variar sensiblemente según el material, la temperatura y el tipo de solicitación. 2. Viscoelasticidad lineal El ensayo de módulo dinámico es realizado para determinar las propiedades viscoelásticas del material asfáltico (E* y φ). Este ensayo es realizado bajo varias hipótesis. Este punto describe los requerimientos que se deben cumplir para su correcta ejecución en el laboratorio. Por lo tanto la mezcla asfáltica debe estar constituida de 3 hipótesis:   

Medio continuo Isotropía Viscoelasticidad lineal y linealidad [03]

3.

Medición de las viscoelásticas lineales

propiedades

Dos consideraciones se deben tomar en cuenta. La primera es el tipo de ensayo a utilizar y la segunda el tipo de señal de solicitación a aplicar. Para el caso del tipo de ensayo son los siguientes:  

Ensayos homogéneos Ensayes no homogéneos

Para el caso del tipo de señal de solicitación a aplicar es la siguiente: 

Por medio de cargas sinusoidales

3.1 Descripción del ensayo El ensayo de módulo complejo es realizado mediante un ensayo que somete el material a

solicitaciones sinusoidales a diferentes frecuencias. Las mediciones son realizadas en el rango de pequeñas deformaciones, para las cuales la mezcla asfáltica se comporta principalmente como un material viscoelástico lineal, la respuesta establecida para una solicitación sinusoidal es también sinusoidal [05]. 3.2 Consideraciones para la realización del ensayo de Módulo complejo Como se ha definido con anterioridad que los diferentes componentes del módulo complejo varían con la frecuencia de solicitación (Hz) y la temperatura (°C), a partir de esta combinación se obtendrán diversos valores de E* y φ, con los cuales podremos caracterizar el comportamiento viscoelástico del material. Las frecuencias evaluadas van de 25 Hz hasta 0,1 Hz. Es importante mencionar que frecuencias superiores a 10 Hz presentan ciertas distorsiones en la señal y por consiguiente los valores obtenidos no son muy confiables. El rango clásico de temperaturas que se maneja es de -20°C a 40 °C, para el caso el equipo del IMT las temperaturas variaron de -10 °C a 54 °C. Se debe tener precaución en los ensayos realizados a 40 °C o más ya que existen problemas potenciales de pérdida de linealidad y fluencia de la probeta. Se recomienda tener por lo menos 30 puntos experimentales por tipo de mezcla asfáltica, generalmente una combinación de 5 temperaturas y 6 frecuencias. La tabla 1 resume los valores utilizados para la evaluación de la mezcla asfáltica.



Temperaturas (°C)

Frecuencias (Hz)

-10 +4 +21 +37 +54

0,1 0,5 1 5 10 25

Evaluación de 30 puntos experimentales por muestra

Las señales sinusoidales generadas para cada punto experimental presentan ciertas distorsiones debidas a los parámetros de respuesta de la prensa (medidores de deformación). Para poder tener una determinación confiable de los valores de módulo complejo y para el ángulo de fase es necesario realizar un tratamiento a estas señales sinusoidales. 4. Análisis del módulo complejo en mezclas asfálticas

Curvas isotérmicas Estas curvas son obtenidas trazando la curva del módulo complejo E* o ángulo de fase φ, en función de la frecuencia para cada una de las temperaturas de ensayo T (°C), en el caso del módulo esta gráfica es en escala bilogarítmica. La pendiente de las curvas isotérmicas permite estimar la susceptibilidad cinética del material asfáltico (variación del módulo con la velocidad de solicitación). La figura 3 presenta las curvas isotérmicas de una mezcla asfáltica modificada con aditivo promotor de adherencia.

10000

Módulo cpmlejo, E* (MPa)

Tabla 1. Puntos experimentales evaluados*

1000 -10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C 100

Principales representaciones Los resultados de ensayo fueron obtenidos de la evaluación de tres mezclas asfálticas, una mezcla convencional, una modificada y una modificada con tres concentraciones distintas con un aditivo promotor de adherencia. El ensayo de módulo complejo fue realizado en modo de tensión compresión a esfuerzo controlado (ensayo homogéneo). Se evaluaron 5 diferentes temperaturas (-10 °C a 54 °C) y 6 frecuencias (0,1 Hz a 25 Hz), ver tabla 1. Los diferentes componentes del módulo complejo varían con la temperatura y la frecuencia de la solicitación. Los resultados experimentales E*, φ, E1 y E2 son generalmente presentados mediante las siguientes representaciones clásicas.

0.01

0.1

1

Frecuencia f (Hz)

10

100

Figura 3. Curvas isotérmicas del módulo complejo

Curva en el plano Cole-Cole (o plano complejo) Esta representación traza en las abscisas la parte real del módulo complejo E1 y la parte imaginaria E2 en la ordenada. Esta curva puede ser utilizada para calibrar un modelo de comportamiento reológico. Debido a que el material obedece el principio de equivalencia frecuencia–temperatura, los puntos experimentales permiten definir una curva única y característica del material evaluado. La figura 5 presenta el plano Cole-Cole de una mezcla asfáltica modificada con aditivo promotor de adherencia.

3500

Parte viscosa, (MPa)

5. Principio de equivalencia tiempotemperatura

-10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Parte elástica, (MPa)

Figura 5. Curva en el plano Cole-Cole

Curvas en el espacio de Black Esta representación traza el logaritmo de la norma del módulo complejo │E*│ (ordenada) en función del ángulo de fase (abscisa) correspondiente. Los valores del ángulo de fase son graficados en orden creciente de derecha a izquierda. Al igual que en la gráfica de Cole-Cole, cuando en material cumple con el principio de equivalencia-temperatura se define una curva única que es característica del material. La gráfica de Black es utilizada para representar las zonas con valores de módulo bajo y en particular la disminución del ángulo de fase para las temperaturas altas.

Módulo complejo, E* (MPa)

La figura 6 presenta la gráfica de Black de una mezcla asfáltica modificada con promotor de adherencia.

-10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C

100 30

25

20

15

10

5

Angulo de fase (°)

Figura 6. Curva en el espacio de Black

Utilizando esta propiedad de equivalencia es posible construir una curva única [log(|E*|), log(Fr) = log(2π/ω)] para una temperatura de referencia TR seleccionada arbitrariamente. Para construir esta curva, es necesario trasladar, paralelamente al eje de las abscisas, cada isoterma T con relación a la isoterma de referencia TR, hasta tener una superposición de los puntos de todas las isotermas. El valor del coeficiente de traslación de cada isoterma T en relación a TR es log (aT), donde aT es una función de la temperatura que verifica las propiedades siguientes: ( (

)

(

)

) ( ) ( )

La curva que se obtiene se llama “Curva Maestra” (master curve). Esta curva es característica del material y permite determinar valores de modulo en frecuencias que no pueden ser obtenidas en experimentalmente.

10000

1000

El módulo es una función de dos variables independientes: la frecuencia o pulsación (ω) y la temperatura (T). La propiedad de equivalencia tiempo-temperatura implica que se puede representar el modulo utilizando una sola variable reducida para describir la variación del módulo con la frecuencia y la temperatura, ω*f (T). Los materiales que cumplen este principio son llamados Termoreológicamente simples.

0

Módulo complejo E* (MPa)

(bajas temperaturas), dan un indicador de la susceptibilidad de la mezcla a la fisuración térmica. Y el rango de bajas frecuencias (altas temperaturas) es un indicador a la deformación permanente.

10000

1000 -10 °C 4 °C 21 °C 37 °C 54 °C 100 1E-05

1E-03

1E-01

1E+01

1E+03

1E+05

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 7. Curva maestra del módulo complejo, Tref = 21 °C, probeta con asfalto modificado y aditivo promotor de adherencia. 35.0 -10 °C 4 °C 21 °C 37 °C

Ángulo de fase, φ

30.0

La tabla 2 muestra los valores del aT calculados para construir las curvas maestras del módulo complejo y ángulo de fase. Tabla 2. Valores de aT calculados Temp

A.O.

A.M.

A.M.1

A.M.2

A.M.3

-10

25000

15500

13500

12500

17000

4

250

128

120

115

140

21

1

1

1

1

1

37

0.009

0.03

0.035

0.035

0.0335

54

2E-04

9E-04

5E-04

1,2E-03

7,6E-04

25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 1E-05

1E-03

1E-01

1E+01

1E+03

1E+05

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 8. Curva maestra del ángulo de fase, T ref = 21 °C, probeta con asfalto modificado.

Además se le designo la nomenclatura a las mezclas realizadas en el proyecto: AC-20 AC-20+SBS

6. Análisis de resultados

AC-20+SBS+0,3% Aditivo

  

Frecuencias bajas Frecuencias intermedias Frecuencias altas

< 0,1 Hz 0,1 a 100 Hz > 100 Hz

Se dividieron de esta forma debido a que en las frecuencias intermedias es el rango de trabajo en que se encuentran la mayoría de las mezclas asfálticas y en este rango es donde se miden las propiedades a la fatiga de la mezcla asfáltica. Por otro lado las frecuencias altas

AC-20+SBS+0,5% Aditivo AC-20+SBS+0,7% Aditivo

→ → → → →

A.O. A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

6.1 Curva maestra del módulo complejo Influencia del modificador sobre el asfalto convencional Bajas Módulo complejo, E* (MPa)

Para el estudio se tomó la temperatura de 21°C como la temperatura de referencia. Para analizar los resultados de las gráficas (curva maestra), se dividieron en 3 zonas, frecuencias bajas, frecuencias intermedias y frecuencias altas, a continuación se presentan los rangos de estas frecuencias:

siguiente asfálticas

Intermedias

Altas

10000

1000

A.O. A.M. 100 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 9. Curva maestra del módulo complejo, E* con A.O. y A.M.

En la figura 9 se aprecia notablemente el incremento del valor del módulo de la mezcla asfáltica al adicionarle el modificador.   

a frecuencias bajas el valor del módulo se incrementa un 51% , a frecuencias intermedias es mas variable ya que va de un 38% a un 60%, a frecuencias el valor del módulo se incrementa un 18%

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La figura 10 presenta la curva maestra del módulo complejo de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero (A.M.)

con claridad cuál de las mezclas tiene un mejor desempeño, para poder discriminar correctamente la influencia del aditivo es necesario realizar análisis adicionales (Curva maestra del ángulo de fase, Curva en el plano Cole-Cole y Curva en el espacio de Black). 6.2 Curva maestra del ángulo de fase Influencia del modificador sobre el asfalto convencional La Figura 11 presenta la curva maestra del ángulo de fase para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero (A.M.) 35

Bajas

Intermedias

30

Altas

Módulo complejo, E* (MPa)

Intermedias

Ángulo de Fase, φ

25

Bajas

Altas

10000

10 A.O.

1E-03

1E-02

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05

Figura 11. Curva maestra del ángulo de fase, φ con A.O. y A.M.







Esta representación (Curva maestra del módulo complejo) no permite determinar

1E-04

aT · Frecuencia f (Hz)

Figura 10. Curva maestra del módulo complejo, E* con A.M. y aditivos de adherencia

a frecuencias bajas el valor del módulo es ligeramente superior para el A.M.1 y A.M.2 respecto al A.M., para el A.M.3 no hay un aporte significativo, a frecuencias intermedias no se observa ningún aporte, a frecuencias altas el valor del módulo se incrementa ligeramente para el A.M.1 y A.M.2 respecto al A.M. y el A.M.3 obtiene módulos inferiores que el A.M.

A.M.

0 1E-05

A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

aT · Frecuencia f (Hz)



15

5

1000

100 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06



20



a frecuencias bajas, los valores de φ son similares, a frecuencias intermedias, el A.O. presenta un valor φ máx. superior y para el A.M. los valores de φ se reducen mejorando la componente elástica de la mezcla, a frecuencias altas, no se observa un aporte significativo en los ángulos de fase.

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La Figura 12 presenta la curva maestra del ángulo de fase de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica, modificada (A.M.). 35

Bajas

Intermedias

6.3 Curva en el plano Cole-Cole En esta representación nos permite evaluar el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica a bajas temperaturas combinando los 2 efectos (E* y φ), analizando los resultados del ensayo en un plano complejo.

Altas

Ángulo de Fase, φ

30

Influencia del modificador

25 20

La Figura 13 presenta el plano Cole-Cole para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero (A.M.).

15 10 5

A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

4000

0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05







a frecuencias altas, no hay diferencias significativas en el ángulo de fase para las mezclas A.M.1 y A.M.2 a frecuencias intermedias y bajas. Los aditivos A.M.1 y A.M.2 reducen sus valores respecto al A.M (A.M.1: frecuencias inferiores a 1Hz y A.M.2: frecuencias inferiores a 0.05Hz). El A.M.1 presentó las mayores reducciones de ángulo de fase, esto puede representar un aumento de la componente elástica de mezcla asfáltica, el efecto de esta reducción puede representar un aumento en el desempeño del pavimento. el A.M.3 presenta los mayores valores del ángulo de fase en todas las frecuencias evaluadas, lo que significa una disminución de sus propiedades mecánicas.

Comparando estas 2 representaciones (curva maestra del módulo complejo y curva maestra del ángulo de fase), se puede observar una mejora en el comportamiento mecánico para las formulaciones A.M.1 y A.M.2, para sus condiciones iníciales (propiedades viscoelásticas lineales).

3000

Parte viscosa (MPa)

Figura 12. Curva maestra del ángulo de fase, E* con A.M. y aditivos de adherencia

A.O. A.M.

3500

aT · Frecuencia f (Hz)

2500 2000 1500 1000 500 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Parte elástica (MPa)

Figura 13. Plano Cole-Cole con A.O. y A.M.



Los puntos experimentales permiten definir una curva única con su ecuación de regresión en el cual se pudo observar un incremento del 16% en la parte elástica, por lo que la mezcla asfáltica tendrá mejor comportamiento a bajas temperaturas.

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La Figura 14 presenta la curva maestra del ángulo de fase de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero (A.M.).

4000

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Parte elástica (MPa)

Módulo complejo E* (MPa)

Parte viscosa (MPa)

representar una reducción de sus propiedades a la fatiga.

A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

3500

Figura 14. Plano Cole-Cole con A.M. y aditivos de adherencia

10000

1000

A.O. A.M. 100 35



Comparando el aditivo mejorador de adherencia a distintas concentraciones respecto al A.M. se observa que el aditivo con cualquier concentración añadida al modificador presenta un mejor comportamiento a temperaturas bajas. Pero el A.M.1 y A.M.2 presentan mejores comportamientos en la parte elástica al incrementar su valor un 18% para A.M.1 y 15% para A.M.2

6.4 Curva en el espacio de Black

La Figura 15 presenta el espacio de Black para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero (A.M.). Los puntos muestrales evaluados forman una curva única donde se puede apreciar que la adición de modificador le da un efecto visual de contracción con respecto a la curva del A.O. Esto significa que la incorporación del modificado, rigidiza a la mezcla asfáltica, lo que puede representar una mejora de la componente elástica. Ya que la mezcla es más rígida, por ende es menos susceptible a la deformación permanente, pero también puede

25

20

15

10

5

0

Angulo de fase (°)

Figura 15. Espacio de Black con A.O. y A.M.

Influencia del aditivo mejorador adherencia sobre el modificador

de

La Figura 16 presenta el espacio de Black de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (A.M.1, A.M.2 y A.M.3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero (A.M.). 

En esta gráfica se representan las zonas con valores de módulo bajo y en particularmente la disminución del ángulo de fase para temperaturas altas. Influencia del modificador

30



Al adicionar los aditivos de adherencia al A.M.la curva del A.M.3 tiende a expenderse por lo que sus ángulos de fase tienden a ser más mayores y los valores del E* tienden a reducirse, esto mismo sucede en la representación de la curva maestra del ángulo de fase. Pero en el caso del A.M.1 y A.M.2 sucede lo contrario con A.M.3. La curva de las dos primeras mezclas asfálticas tienden a contraerse más que la curva del A.M. y esto hace que la mezcla sea aun más rígida.

Módulo complejo E* (MPa)

determinar con certeza que mezcla asfáltica es la que presenta el mejor comportamiento, ya que con una sola representación es imposible definir qué tipo de mezcla es la más adecuada.

10000

1000 A.M. A.M.1 A.M.2 A.M.3

Curva maestra del módulo dinámico y curva maestra del ángulo de fase

100 35

30

25

20

15

10

5

0

Angulo de fase (°)

Figura 16. Espacio de Black con A.M. y aditivos de adherencia



7. Conclusiones Generales: Material asfáltico viscoelástico, depende temperatura, velocidad y tiempo de carga. Comportamiento en el módulo y ángulo de fase:  Cuando aumenta la frecuencia aumenta el valor del módulo  Cuando aumenta la temperatura disminuye el valor del módulo  Cuando aumenta la frecuencia disminuye el ángulo de fase  Cuando aumenta la temperatura aumenta el valor del ángulo de fase El tratamiento de las señales y el buen control de la temperatura forman una parte primordial en la correcta determinación de los valores de |E*| y φ. Se deberán tener suficientes puntos muestrales durante el ensayo (frecuenciastemperaturas), para asegurar la curva maestra y así poder estimar los valores de E* y φ en frecuencias que no pueden ser obtenidas en laboratorio. Es necesario analizar los resultados bajo diferentes representaciones (curva maestra del módulo, curva maestra del ángulo de fase, plano Cole-Cole y espacio de black) para











Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional (A.O.), mejoro el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica al obtener mayores valores en el módulo dinámico así como una reducción de los ángulos de fase. Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se encontró que la mezcla asfáltica mejoró su comportamiento mecánico. Presentando un aumento en los valores de módulo dinámico a frecuencias bajas (susceptibilidad a la deformación permanente) y reduciendo los valores del ángulo de fase (Incremento de la componente elástica de la mezcla). La mezcla con aditivo y modificador SBS, presenta una mejora en el comportamiento mecánico para las frecuencias intermedias y bajas. Las tres mezclas con aditivos presentan una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla en comparación con la mezcla de referencia. En donde, la mezcla A.M.3 es la que presenta los más bajos valores de E* de las tres. Las mezclas A.M.1 y A.M.2 presentaron los mejores comportamientos de las 5 diferentes mezclas evaluadas. Comparando los aditivos mejoradores de adherencia en sus distintas concentraciones, se encontró que a mayor porcentaje de aditivo la mezcla asfáltica tiende a disminuir sus valores del módulo dinámico y aumentar sus

valores del ángulo de fase. Siendo la mezcla A.M1. la que presenta los mejores resultados en el ensayo de módulo complejo (Parámetros E* y φ). Curva en el espacio de Black 





La mezcla que se le añadió el modificador redujo sus ángulo de fase y aumento el valor módulo haciendo una curva más rígida que la curva con A.O. Esto podría representar una mejora en el desempeño a la deformación permanente, pero también una reducción en sus propiedades a la fatiga. Las tres mezclas con aditivos presentan una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla en comparación con la mezcla de referencia. En donde, la mezcla A.M.3 es la que presenta una curva más abierta, ya que muestra valores más altos en el ángulo de fase y una reducción en los valores del módulo en temperaturas altas Comparando los aditivos mejoradores de adherencia en sus distintas concentraciones, se encontró que a mayor porcentaje de aditivo la mezcla asfáltica tiende a disminuir sus valores del módulo dinámico y aumentar sus valores del ángulo de fase. Siendo la mezcla A.M.1 la que presenta los mejores resultados a temperaturas altas.

Plano Cole-Cole 



Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional, mejoro el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica a temperaturas bajas ya que obtuvo un incremento en la parte elástica. Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se





encontró que la mezcla asfáltica mejoró su comportamiento mecánico. Presentando mejor aporte en la parte elástica con cualquier concentración añadida de aditivo. De las mezclas a las cuales se les añadió el aditivo, la mezcla A.M.3 es la que presenta el menor incremento en la parte elástica. Las Mezclas A.M.1 y A.M.2 presentaron los mejores comportamientos de las 5 diferentes mezclas evaluadas.

8. Conclusiones [01] H. Delgado, Lo complejo del Módulo Complejo: aspectos experimentales. Revista Asfáltica, Vol 34, pp 42-46, 2013 [02] H. Delgado, L. Arnaud, Experimentación y modelización del comportamiento reológico de una mezcla asfáltica, VII Congreso Mexicano del Asfalto, 2011. [03] Di Benedetto H., Corte J.-F., «Matériaux routiers bitumineux 2 : constitution et propriétés thermomécaniques des mélanges», Hermes, Lavoisier, 2004. [04] P Garnica, J.A Gómez, H. Delgado, Algunos aspectos de la densificación de mezclas asfálticas con el compactador giratorio. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 228, 2003 [05] H. Delgado, L. Arnaud, Investigation of the fatigue properties of asphalt mixtures reinforced with natural fibers. 5th International conference: bituminous mixtures and pavements, Tesalónica, Grecia, Junio 2011. [06] H. Delgado, Comportement à la Fatigue d’Enrobés Bitumineux Renforcés de Fibres de chanvre, Tesis de doctorado, Escuela Nacional de Trabajos Públicos del Estado, Lyon Francia, 2012.

Aplicación del método RAMCODES en el diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño Freddy J. Sánchez-Leal RAMCODES de Venezuela, C.A. Coro, Venezuela [email protected] Resumen Se presenta la aplicación del método RAMCODES para el diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño. Esta aplicación se realiza en dos partes, la primera corresponde al análisis de vacíos y relación filler-bitumen; mientras que la segunda trata de la evaluación de la influencia de la gradación en las propiedades de desempeño de la mezcla asfáltica. Para la selección de las combinaciones de agregado se utiliza un software de combinación. En la primera parte se utilizan el polígono de vacíos, que en este trabajo se integra con la definición y especificaciones de la relación filler-bitumen. En la segunda parte se utiliza la carta de gradación para evaluar los resultados de ensayos de susceptibilidad a la humedad, susceptibilidad a la deformación plástica, y medición del módulo dinámico. Todos estos ensayos corresponden a los niveles 1, 2 y 3 de la pirámide mexicana de diseño. El polígono de vacíos demuestra nuevamente ser una muy útil herramienta para acelerar el diseño de una mezcla asfáltica, pero la integración con el criterio de relación filler-bitumen potencia grandemente sus ventajas. Finalmente, la carta de gradación, en compañía de los mapas de resistencia, demuestra nuevamente ser una excelente herramienta de análisis para evaluar la influencia de la gradación en el desempeño de una mezcla asfáltica. Este artículo promueve el uso exhaustivo de las herramientas RAMCODES en el diseño de mezclas con el Protocolo Mexicano. Palabras clave: Superpave, mezclas asfálticas, RAMCODES, filler-bitumen, polígono de vacíos.

Introducción

Este trabajo presenta una aplicación de la metodología RAMCODES para el análisis y diseño de mezclas asfálticas en el diseño Superpave y con mediciones de desempeño según requerimientos del Protocolo Mexicano de diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño. Constituye el tercero de una serie de artículos de desarrollo de la tecnología RAMCODES aplicada a mezclas asfálticas.

La aplicación de RAMCODES se realiza en dos partes, la primera está dedicada al análisis volumétrico y de relación filler-bitumen de la mezcla asfáltica, para lo cual se usa la herramienta polígono de vacíos. En este trabajo se introduce una novedad en este análisis y es la incorporación de la verificación de los rangos de contenido de asfalto permitidos según la relación filler-bitumen. En la segunda parte de este trabajo se analiza la influencia de la gradación en el desempeño de la mezcla asfáltica compactada utilizando el enfoque de la carta de gradación. Los parámetros de desempeño que se evalúan corresponden a los tres primeros niveles de la Pirámide de Diseño de Mezclas Asfálticas de Alto Desempeño, con ensayos de susceptibilidad a la humedad, susceptibilidad a la deformación plástica y medición de módulo dinámico. El programa experimental fue diseñado por este autor y realizado en 2012 como servicio contratado en los laboratorios del Centro Nacional de Tecnología del Asfalto (NCAT) ubicado en Alabama, EEUU, utilizando agregados y asfalto sin modificante de sus almacenes.

Metodología

Para realizar esta validación se realizó en dos partes. Primero se elaboró un diseño de mezcla asfáltica siguiendo las directrices del método RAMCODES, y otro siguiendo el método Superpave, que coincide en su fase de análisis volumétrico y susceptibilidad a la humedad con el Protocolo Mexicano de Diseño de Mezclas Asfálticas de Alto Desempeño. En la segunda parte, se evaluó la influencia de la gradación de la mezcla en las propiedades de resistencia de la mezcla asfáltica, en tres de los cuatro niveles de la Pirámide Mexicana de Diseño, resistencia retenida en prueba TSR, deformación plástica acumulada en ensayo APA, y módulo resiliente en ensayo SPT. Los ensayos fueron realizados en los laboratorios del Centro Nacional de Tecnología del Asfalto (NCAT, por sus siglas en inglés) como un servicio contratado por RAMCODES International, Inc., con agregados y ligante asfáltico (sin modificar) procedentes de los almacenes de dicha institución. Metodología RAMCODES RAMCODES, un acróstico de Metodología Racional para el Análisis de Densificación y Resistencia de Geomateriales Compactados. Esta tecnología, desarrollada por este autor desde 1998, permite analizar y diseñar geomateriales para carreteras tales como suelos compactados y mezclas asfálticas.

En el caso de las mezclas asfálticas, RAMCODES presenta cuatro herramientas de análisis que serán utilizadas en esta investigación, a saber: Carta de gradación, Combinador de agregados, Polígono de vacíos, y Mapa de resistencia. La carta de gradación es un gráfico para representar, de forma alternativa a los métodos tradicionales, granulometrías y especificaciones de mezclas asfálticas de gradación densa o continua. La base de la carta de gradación es la representación punto-ámbito. Los pares experimentales de una granulometría, es decir, diámetro de tamiz y porcentaje pasante respectivo, pueden ser ajustados con un sencillo modelo alométrico, o mejor conocido en la jerga de mezclas asfálticas como Fuller. El modelo tiene la siguiente forma:

Donde: Pi es el porcentaje pasante a través de un tamiz cualquiera, Di es la abertura o diámetro del tamiz en cuestión, Dmax es la intersección para porcentaje pasante de 100%, y n es un parámetro llamado factor de forma, que tiene en cuenta la estructura granulométrica. Para ser válido, este modelo necesita un factor de bondad de ajuste, R2, superior a 0.97.

Al representar una granulometría en el espacio n-Dmax, esta se transforma de una curva en un punto.

Figura 1. Conversión de una curva granulométrica en un punto. De igual manera, una especificación o huso granulométrico, que comúnmente se representa por una curva superior (fina), y otra inferior (gruesa), se representa en el espacio n-Dmax como un rectángulo, donde los vértices vienen dados por combinaciones del ajuste Fuller de la curva superior (n1, D1) y la inferior (n2, D2).

Figura 2. Conversión de un huso granulométrico en un ámbito.

Una carta de gradación es, en suma, una representación punto-ámbito de todas o varias de las especificaciones granulométricas, además de granulometrías (puntos), y también tendencias de un gráfico de contorno de respuesta (mapa de resistencia).

Figura 3. Carta de gradación con especificaciones Superpave.

Combinador de agregados El combinador de agregados es una aplicación de software, desarrollada en RAMCODES, que automatiza la conocida fórmula analítica para combinación de agregados:

Donde P es el porcentaje que pasa un tamiz determinado, resultante de la combinación de los agregados A, B, C …N. Mientras que a, b, c…n, son las proporciones, expresadas en forma decimal, de los materiales empleados, cuya sumatoria es igual a 1. El software es alimentado con las granulometrías de cada uno de los agregados que se pretenden mezclar, y con los parámetros Fuller n y Dmax de la granulometría objetivo, o bien, con el ámbito, o ámbitos, de especificación granulométrica en donde se desea encontrar las posibles combinaciones de los agregados estudiados que cumplan con el objetivo deseado. Este software resulta de gran ayuda en la combinación económica y rápida de agregados, para sacar el máximo potencial de los agregados con los que se cuenta; en especial cuando

se trata de preservar la premisa de usar los agregados locales, para evitar los grandes cargos por transporte.

Figura 4. Salida de un software de combinación de agregados.

Polígono de vacíos El polígono de vacíos es una construcción gráfica original de RAMCODES, y se define como el área máxima, en el espacio contenido de asfalto versus gravedad específica bulk, donde se cumplen simultáneamente todas las especificaciones de vacíos para el diseño de una mezcla asfáltica. La coordenada en “x” del centroide de esta área se conoce como contenido óptimo de asfalto de prueba. Para construir el polígono de vacíos se utilizan las típicas fórmulas de las definiciones de vacíos de aire, vacíos en el agregado mineral, y vacíos llenados con asfalto que pueden encontrarse en los manuales MS-2 y SP-2 del Instituto Norteamericano del Asfalto. El manejo de las intersecciones se realiza según una coordinación lógica desarrollada por RAMCODES y que ha sido automatizada en hojas de cálculo y aplicación de software para mayor facilidad de obtención. Esta construcción requiere también los valores de gravedad específica del ligante asfáltico, Gb, bulk de la combinación de agregados, Gsb, y efectiva, Gse, además de los rangos normativos de todas las especificaciones de vacíos. Los vacíos en el agregado mineral no tienen un valor máximo; sin embargo, según la recomendación del reporte NCHRP, se toma un valor máximo igual al valor mínimo normativo correspondiente más 1.5%. El polígono de vacíos es una herramienta sumamente útil para la obtención del contenido de asfalto óptimo de una mezcla asfáltica en el nivel de análisis volumétrico pues produce

el mismo resultado que un diseño Marshall o Superpave pero con entre 4 y 5 veces menos briquetas. De utilizarse el polígono de vacíos en el Protocolo Mexicano, se podrían utilizar las briquetas o pastillas que no son necesarias en el diseño volumétrico para realizar pruebas de desempeño en los otros niveles de la Pirámide de Diseño. En ocasión del presente trabajo de investigación se incluyó en el análisis típico del polígono de vacíos la verificación de la relación filler-bitúmen (DP), por medio de la siguiente relación que se desarrolla a partir de las fórmulas de definición de los parámetros en los que se basa la DP.

Donde, DP es la relación fíller-bitumen, cuyo rango recomendado es entre 0.6 y 1.2, pero para mezclas con gradación por debajo de la zona restringida se puede ampliar hasta 0.8-1.6, según el manual SP-2. P0.075 es el pasante del tamiz No. 200, cuya abertura es 0.075 mm Pbe es el contenido de asfalto efectivo, cuya expresión analítica es:

Donde, Pb es el contenido de asfalto, como porcentaje de la masa total de la mezcla, Pba es el asfalto absorbido por el agregado, expresado como porcentaje de la masa del agregado; su fórmula es la siguiente:

Ps es el contenido de agregado, expresado como porcentaje de la masa total de la mezcla; su expresión analítica es:

Operando con todas las expresiones anteriores es sencillo encontrar la siguiente fórmula:

Esta fórmula se utiliza para comparar el rango del polígono, es decir, los contenidos de asfalto máximo y mínimo dados por sus vértices, con los contenidos de asfalto máximo y mínimo dados por esta expresión, que toma en cuenta el rango recomendado para la relación fíller-bitumen, tal como se muestra en la figura siguiente. 2.490 2.480 2.470 Gmb

2.460 2.450

polyvoids

2.440

centroid

2.430

minDP

2.420

maxDP

2.410 2.400 3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

Pb

Figura 5. Polígono de vacíos integrado con criterios filler-bitumen,

Mapas de resistencia Los mapas de resistencia son gráficos de contorno en 2D que muestran la variación de una respuesta seleccionada del material en estudio, con respecto a la variación simultánea de otras dos variables influentes. Esté gráfico se utiliza en RAMCODES tanto para diseñar suelos compactados como mezclas asfálticas. En el caso particular de este artículo, se utilizarán mapas de resistencia para expresar la variación de respuestas como TSR, deformación APA y módulo dinámico dentro de una carta de gradación, es decir, para estudiar la influencia de la gradación de la mezcla en estas propiedades.

Pirámide de diseño La Pirámide Mexicana de Diseño de Mezclas Asfálticas es una construcción gráfica que acompaña el Protocolo Mexicano y que muestra de forma didáctica los diferentes niveles de diseño de una mezcla, y que están jerarquizados según la intensidad del tránsito a servir.

Figura 6. Pirámide mexicana de diseño de mezclas asfálticas.

La pirámide tiene cuatro niveles, a saber: Primer nivel: corresponde a la selección de los agregados, del ligante asfáltico, al diseño volumétrico de la mezcla asfáltica y a la verificación de la susceptibilidad a la humedad (ensayo TSR). Este nivel está reservado solo para vías con bajo nivel de tránsito. Segundo nivel: además de los requerimientos del Primer Nivel, se evalúa el desempeño de la mezcla asfáltica bajo deformación permanente. Usualmente se utilizan ensayos como la Rueda de Hamburgo, el Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA), o la Rueda Española. Este nivel es indicado para vías con niveles de tránsito de 1 a 10 millones de ejes equivalentes. Tercer nivel: además de los requerimientos del Segundo Nivel, se evalúa el desempeño de la mezcla asfáltica midiendo su módulo dinámico bajo diversas combinaciones de temperaturas y frecuencias de carga. Esta información sirva bien sea para validar diseños de pavimentos o para aportar información para su modelación a través de métodos mecanicistas. Este nivel es indicado para vías con tránsito entre 10 y 30 millones de ejes equivalentes. Cuarto nivel: además de los requerimientos del Tercer Nivel, se evalúa el desempeño de la mezcla asfáltica midiendo su susceptibilidad a la fatiga por carga repetida. Usualmente se utilizan el estándar norteamericano que involucra la medición a través de una viga cargada en tres puntos, o el estándar europeo que utiliza el mismo arreglo que un ensayo de tracción indirecta, pero con carga cíclica y un arreglo de medidores de deformación en direcciones

ortogonales de la briqueta. Este nivel es indicado para vías con tránsito superior a 30 millones de ejes equivalentes. Para las comprobaciones de la primera parte de este estudio se utilizó el Primer Nivel. Mientras que para la evaluación de la segunda parte se utilizaron los niveles Segundo y Tercero.

Resultados experimentales

Agregados La siguiente tabla resume la granulometría e identificación para cada uno de los agregados utilizados en esta investigación. Tabla 1. Granulometría de agregados utilizados. Gradation Summary Sieve Size English metric

LMS 57's LMS 78's Shorter Sand Granite M10's LMS 67's Granite 89's

1"

25

97.9

3/4"

19

78.1

1/2"

12.5

23.2

98.1

65.5

3/8"

9.5

5.6

77.4

36.9

99.8

#4

4.75

3.1

22.8

99.0

99.3

4.7

31.1

95.2

#8

2.36

3.0

3.7

90.6

88.6

1.1

3.3

#16

1.18

2.9

2.7

77.9

70.5

0.9

1.4

#30

0.6

2.8

2.4

52.5

53.5

0.9

1.1

#50

0.3

2.7

2.0

24.2

36.8

0.9

0.8

#100

0.15

2.6

1.8

7.4

23.0

0.9

0.7

#200

0.075

2.1

1.4

1.3

13.2

0.8

0.4

Combinaciones de agregado La siguiente tabla resume las proporciones de combinación de cada uno de los agregados para conseguir cinco granulometrías que serán estudiadas en esta investigación. Estas proporciones fueron obtenidas utilizando la aplicación de RAMCODES para combinación de agregados.

Tabla 2. Proporciones de combinación de agregados. Cold Feed Percentage Summary - SP 25 Combination LMS 57's LMS 78's Shorter Sand Granite M10's LMS 67's Granite 89's 1

20

0

20

20

20

20

2

40

0

0

40

10

10

3

50

0

30

0

0

20

4

30

10

10

20

10

20

5

40

20

0

30

0

10

A continuación se muestran en la tabla todas las granulometrías obtenidas finalmente tras realizar las combinaciones establecidas. Tabla 3. Granulometrías obtenidas luego de la combinación. Target Aggregate Gradations Sieve Size English metric Blend 1 Blend 2 Blend 3 Blend 4 Blend 5 1"

25

99.6

99.2

99.0

99.4

99.2

3/4"

19

94.7

90.7

89.0

92.9

91.2

1/2"

12.5

77.7

65.8

61.6

73.3

68.9

3/8"

9.5

68.5

55.9

52.7

63.1

57.7

#4

4.75

47.4

44.5

37.5

39.7

38.7

#8

2.36

37.3

37.1

29.3

28.8

28.9

#16

1.18

30.7

29.6

25.1

23.4

23.0

#30

0.6

22.2

22.7

17.4

17.3

17.8

#50

0.3

13.1

16.0

8.8

11.1

12.6

#100

0.15

6.9

10.4

3.7

6.5

8.3

#200

0.075

3.6

6.2

1.5

3.7

5.1

Los parámetros del ajuste Fuller para cada mezcla se resumen en la tabla siguiente. La información incluye la relación grava-arena, G/S, que se obtiene analíticamente a partir de los parámetros Fuller, y que resulta útil para evaluar la influencia de la granulometría en las propiedades mecánicas e hidráulicas de la mezcla.

Tabla 4. Parámetros de ajuste Fuller para las mezclas estudiadas. Parameter N Dmax R2 G/S SP NMAS

Blend 1 0.44 23.2 0.993 1.2 19

Blend 2 0.43 27.2 0.983 1.36 25

Blend 3 0.54 26.1 0.985 1.7 25

Blend 4 0.51 23.8 0.995 1.46 19

Blend 5 0.51 25.1 0.994 1.53 25

De manera correspondiente, la figura siguiente muestra la representación gráfica en la carta de gradación de cada una de las cinco mezclas que se estudiarán en esta investigación, y los ámbitos de especificación para gradaciones Superpave 19-mm y 25-mm. Se puede apreciar que resultaron tres gradaciones con tamaño máximo nominal 25-mm (mezclas 2, 3 y 5), y el resto gradaciones con tamaño nominal máximo de 19-mm. Esta gráfica también muestra la línea de máxima densidad (MDL), definida teóricamente para factor de forma constante igual a 0.45. Véase que las mezclas 1 y 2 quedan por encima de la zona restringida (ARZ, o también llamadas “finas”), mientras que las mezclas 3, 4 y 5 corresponden a BRZ, o gruesas, o que pasan por debajo de la zona restringida.

40

BRZ

ARZ

Dmax (mm)

35

Blend 1 Blend 2

30

Blend 3 Blend 4

25

Blend 5 SP 19-mm

20

SP 25 mm 15

MDL 0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

n

Figura 7. Carta de gradación con las cinco mezclas estudiadas.

Análisis volumétrico con polígono de vacíos y filler-bitumen El análisis volumétrico a través del polígono de vacíos requiere los valores de gravedad específica, incluida la del asfalto que es Gb = 1.028; además de los rangos de

especificaciones para las diferentes propiedades de vacíos. La tabla siguiente resume estos valores además de la lectura en “x” del centroide del polígono, que es el contenido óptimo de asfalto propuesto, Pbo. Esta tabla, además, presenta la comparación entre el rango de contenidos de asfalto del polígono de vacíos y el rango de contenidos de asfalto según la recomendación de relación filler-bitumen. Al final de la tabla se presenta el veredicto que surge de tal comparación como mezcla posible. De modo que, una mezcla es posible si cumple con las especificaciones de vacíos (rango polígono) y con la recomendación para la relación fillerbitumen (rango DP). Tabla 5. Análisis de vacíos integrado con criterio filler-bitumen. Parameter SP NMAS Tipo Gsa Gsb Gse VAM, % Va, % VFA, % Pbo centroide, % Rango Pb polígono DP DP rango Rango Pb según DP Mezclas posibles

Blend 1 19 ARZ 2.740 2.711 2.747 13-14.5 3-5 65-75 4.2 4.01-5.08 0.96 0.6-1.2 3.5-6.5 Sí

Blend 2 25 ARZ 2.773 2.737 2.771 12-13.5 3-5 65-75 4.1 3.65-4.63 1.71 0.6-1.2 5.6-10.7 No

Blend 3 25 BRZ 2.751 2.707 2.752 12-13.5 3-5 65-75 4.3 3.83-4.82 0.4 0.8-1.6 1.5-2.5 No

Blend 4 19 BRZ 2.761 2.719 2.769 13-14.5 3-5 65-75 4.63 4.15-5.18 1.0 0.8-1.6 2.9-5.2 Sí

Blend 5 25 BRZ 2.787 2.734 2.784 12-13.5 3-5 65-75 4.35 3.85-4.83 1.4 0.8-1.6 3.8-7 Sí

Luego de esto, se prepararon un total de tres (3) especímenes en el compactador giratorio por cada mezcla bajo su respectivo contenido óptimo de asfalto. El número de giros finales por cada espécimen fue de 100, correspondiente a tránsito alto. La tabla siguiente resume los promedios de estos resultados por contenido de asfalto, además de las proporciones filler-bitumen (DP). Tal como se puede apreciar en la tabla, solamente el promedio de los especímenes de la mezcla 4 cumplen con todas las condiciones de vacíos, es decir, caen dentro del área del polígono; además de que la proporción filler-bitumen está dentro del rango 0.6-1.2 especificado. Para fines de comparación con el método Superpave tradicional, y que serán utilizados en el capítulo de análisis de resultados, se elaboraron también un par de especímenes con 1% por encima del óptimo de asfalto, y otro par de especímenes con 1% por debajo del óptimo de asfalto; estos valores también se muestran en la tabla siguiente.

Tabla 6. Resumen del análisis volumétrico y DP. Summary of Volumetrics Mix ID

Pb NMAS (mm) Air Voids (%) VMA VFA Dust Proportion

Blend 1 3.2

19

8.4

14.8

43.4

1.31

Blend 1 4.2

19

5.2

14.1

63.0

0.96

Blend 1 5.2

19

2.3

13.7

83.3

0.76

Blend 2 3.1

25

6.9

13.1

47.5

2.37

Blend 2 4.1

25

3.9

12.7

69.1

1.71

Blend 2 5.1

25

1.7

12.9

87.3

1.34

Blend 3 3.3

25

8.4

14.6

42.6

0.56

Blend 3 4.3

25

5.4

14.0

61.7

0.4

Blend 3 5.3

25

2.6

13.8

81.2

0.3

Blend 4 3.3

19

6.8

13.1

48.4

1.4

Blend 4 4.3

19

3.7

12.6

70.6

1.0

Blend 4 5.3

19

1.1

12.5

91.2

0.8

Blend 5 3.3

25

5.4

11.8

54.4

1.9

Blend 5 4.3

25

2.5

11.5

78.0

1.4

Blend 5 5.3

25

0.4

11.9

96.7

1.1

Análisis de influencia de la gradación El análisis de la influencia de la gradación incluye los siguientes resultados de desempeño:   

Susceptibilidad a la humedad bajo el ensayo de tracción indirecta y relación TSR, Susceptibilidad a la deformación plástica, bajo el ensayo APA, y Módulo dinámico, bajo el ensayo Simple Performance Test (SPT)

Se prepararon especímenes considerando las granulometrías de cada una de las mezclas estudiadas, mezclándolas con un contenido de asfalto de referencia, y compactándolas en compactador giratorio hasta el volumen de vacíos exigido por el estándar de cada ensayo de desempeño. La siguiente tabla resume los resultados: Tabla 7. Resumen de resultados de ensayos de desempeño. Mezcla Pb, % TSR, % APA (mm) E* (MPa, a 54.4oC)

Blend 1 4.6 0.80 3.5 355.2

Blend 2 4.16 0.77 2.3 597.0

Blend 3 4.8 0.70 3.2 270.1

Blend 4 4.25 0.78 2.4 374.3

Blend 5 3.8 0.82 3.4 390.1

Análisis de los resultados Análisis de vacíos y relación filler-bitumen La siguiente figura muestra el análisis de vacíos para la mezcla 2 en el que se aprecia que los estados de compactación de de especímenes con el contenido óptimo sugerido por el polígono quedó ubicada dentro del polígono de vacíos; con lo que se deduce que se cumplen todas las especificaciones de vacíos de forma simultánea. Por otro lado, la tendencia para resultados experimentales fabricados para tres contenidos de asfalto producen una curva similar a la del ensayo Superpave, en inclusive, para un contenido de vacíos de aire de 4%, este experimento produciría los mismos resultados que el análisis por el polígono de vacíos. Esto demuestra que tanto el análisis Superpave como el polígono de vacíos producen los mismos resultados, y la razón es porque están basados en las mismas definiciones y formulación. La mezcla 2 no produjo especímenes con relaciones filler-bitumen dentro del rango recomendado por el manual SP-2, por lo que sería desechada para diseño. El análisis sugerido en este trabajo implica que esta conclusión se puede obtener antes, sin tener que fabricar los especímenes, lo que produciría un ahorro de tiempo y material.

Blend #2

2.530 2.520 2.510

Gmb

2.500 2.490

polyvoids

2.480

centroid experimental

2.470

Va=4% 2.460 2.450 2.440 3.00

4.00

Pb

5.00

6.00

Figura 8. Comparación del polígono de vacíos con diseño Superpave.

Influencia de la gradación en el desempeño Los resultados experimentales de desempeño de cinco mezclas estudiadas con diferentes gradaciones, se analizó por medio de la herramienta de mapas de resistencia representados en una carta de gradación. La figura siguiente explica que mezclas muy gruesas, es decir, con alto valor de factor de forma, presentaron los valores más pequeños para la relación TSR, es decir, una mayor susceptibilidad al humedecimiento.

Figura 9. Mapa de contorno para TSR en la carta de gradación.

La siguiente figura muestra la variación del valor de la deformación plástica acumulada con respecto a los parámetros Fuller de la gradación. De estos resultados se desprende que existe una zona de la carta de gradación en la cual se maximiza la deformación plástica. Si un proyectista quisiera diseñar adecuadamente una mezcla asfáltica con los agregados estudiados en este trabajo, tendría que evitar esta área.

Figura 10. Mapa de contorno de la deformación plástica en carta de gradación. Finalmente, la figura siguiente muestra la variación del módulo dinámico en mega pascales a una temperatura de 54.4 oC. Es evidente que las gradaciones más gruesas o abiertas producirán mezclas con módulos más pequeños. Por otro lado, se observaron módulos más altos para gradaciones con agregados con mayor tamaño máximo.

Figura 11. Mapa de contorno del módulo elástico en carta de gradación.

Conclusiones Tal como se había demostrado en otras oportunidades, el análisis del polígono de vacíos produjo el mismo resultado que el análisis volumétrico del método Superpave, por lo que se verifica el ahorro de tiempo y material que antes se había validado. Con el polígono de vacíos solo hace falta elaborar tres especímenes para diseñar la mezcla asfáltica a nivel de volumetría y relación fillerbitumen. Como una novedad, se incluyó en el análisis del polígono de vacíos a la verificación de los rangos de contenido de asfalto permitidos por la recomendación de relación filler-bitumen del manual SP2 del Instituto Norteamericano del Asfalto. Esta práctica resultó de gran ayuda en la selección de las combinaciones de agregado posibles desde el punto de vista de la relación DP, que ahora se integra al análisis volumétrico del polígono. Con esta novedad es posible ahora descartar cualquier combinación granulométrica que no cumpla la relación filler-bitumen desde su comparación con el polígono de vacíos. La carta de gradación en combinación con los mapas de resistencia demuestra ser una muy útil herramienta de análisis para evaluar la influencia de la gradación en el desempeño de la mezcla asfáltica. Mientras que el factor de forma explica la estructura de la mezcla asfáltica, ya sea gruesa (BRZ) o fina (ARZ), el diámetro máximo está relacionado con el tamaño máximo de partícula de la mezcla. Las curvas de contorno muestran la variación de la propiedad de desempeño estudiada respecto a los mencionados factores. Estos resultados son una estupenda guía para el proyectista de la mezcla asfáltica en la selección de la gradación más apropiada. La carta de gradación es una guía para seguir la recomendación de F.N. Hveem en 1943, “diseñar una mezcla asfáltica es conseguir una combinación que produzca una mezcla con tantas propiedades deseadas como sea posible, utilizando los agregados locales”.

Referencias

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EVOLUCIÓN DEL GRADO PG EN LA CARACTERIZACIÓN DE ASFALTOS.

Ing. Israel Sandoval Navarro LASFALTO S. de R.L. de C.V.

Ing. Ignacio Cremades Ibáñez Lic. Fernando Mazin Cristo SURFAX S.A. de C.V.

Ing. Edgar Ruiz Téc. Ramón Reynoso Téc. Ignacio Ramírez Téc. Miguel Alvarado Téc. Daniela Alcántara LASFALTO S. de R.L. de C.V.

Sandoval / Cremades EVOLUCIÓN DEL GRADO PG EN LA CARACTERIZACIÓN DE ASFALTOS.

RESUMEN

Las metodologías para la caracterización de asfaltos para pavimentos, han intentado predecir, mediante diversos parámetros, el desempeño que éste tendrá en campo. Para no ir muy atrás en el tiempo, se comenzó con las pruebas empíricas como penetración, reblandecimiento, recuperación elástica por torsión o ductilómetro, entre otras. Posteriormente se implementaron pruebas y equipos más sofisticados como viscosímetros rotacionales y reómetros de corte dinámico, mediante los cuales se evalúan las propiedades reológicas del asfalto (propiedades fundamentales de los materiales), que predicen de manera más exacta, obteniendo resultados más confiables en cuanto al desempeño que éste tendrá en la mezcla y como consecuencia, en su comportamiento en el pavimento (como estructura íntegra). * Actualmente en México, el parámetro G

es empleado para medir la resistencia de los sen asfaltos a la deformación permanente. Éste parámetro es parte de la clasificación de grado PG (Perfomance Grade), desarrollada en Estados Unidos por la FHWA (Federal Highway Administration) bajo el programa SHARP (Strategic Highway Research Program). G*

ha evolucionado a un nuevo parámetro: "Jnr " (Non Recoverable Creep Compliance), sen que a su vez deriva de una prueba de MSCR (Multi Stress Creep and Recovery), la cual simula de mejor manera las condiciones de trabajo a las que el asfalto será sometido en el pavimento, haciendo énfasis en la resistencia a la deformación permanente. Esta metodología simula mejor el mecanismo de falla, siendo ciega a la naturaleza del asfalto, es decir, que un asfalto podrá ser aceptado siempre y cuando cumpla con las exigencias que han sido definidas para fines de garantizar la vida útil del proyecto. Adicionalmente se propone una clasificación por niveles de tráfico, así, un asfalto será seleccionado dependiendo de las condiciones del clima y del número de ejes equivalentes considerados en el proyecto. * En el presente trabajo se evalúan diferentes asfaltos mediante G

y Jnr, se determina su sen clasificación bajo estos dos métodos y las condiciones de tráfico para las cuales podrían trabajar adecuadamente en el pavimento.

3

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos INTRODUCCIÓN

La clasificación de asfaltos por grado PG ha tomado gran importancia en México en los últimos años, además de ser parte del protocolo AMAAC, procedimiento de diseño de pavimentos de alto desempeño. Es bien sabido que la metodología para clasificación de asfaltos por grado PG presenta algunas debilidades, ya que no permite discernir entre asfaltos que, aunque cumplen con el grado PG, no tendrán un buen desempeño en el pavimento en términos de su vida útil. Los asfaltos pueden ser endurecidos con productos que les permiten pasar el grado PG, pero que no por ello mejoran sus propiedades para un buen desempeño en el pavimento y peor aún, pueden generar asfaltos frágiles propensos al agrietamiento prematuro. En Estados Unidos, país en donde se originó e implementó la clasificación por grado PG, se ha evolucionado a técnicas mejoradas como la PG Plus con la intención de evitar el uso de asfaltos “endurecidos”. Dicha técnica exige que, no solo se solicite un grado PG para el asfalto, sino que adicionalmente se realice una prueba de recuperación elástica por ductilómetro. Recientemente en los Estados Unidos, se ha incorporado el parámetro “Jnr” con la finalidad de reforzar el grado PG, ya que predice de mejor forma el comportamiento futuro del asfalto en el pavimento. En México se ha vuelto relativamente común encontrar licitaciones en donde se combinan dos tipos de especificación a cumplir por el asfalto. Lo anterior ocurre posiblemente por tratar de asegurar el buen desempeño del mismo y evitar la utilización de asfaltos “endurecidos”. El uso combinado de la especificación de grado PG N-CMT-4-05-004/08 (tabla 2) y la especificación de asfalto “tipo” N-CMT-4-05-002/06 (tabla1), ha generado confusiones entre los usuarios de la norma, encareciendo además el análisis de los asfaltos (por tener que llevar a cabo más pruebas) y también afecta el ritmo de avance de la obra (por el tiempo que éstas implican).

No. de Pruebas Tiempo

Grado PG (N-CMT-4-05-004/08)

Asfaltos “Tipo” (N-CMT-4-05-002/06)

Combinación de especificaciones

8

16

24

“X”

“Y”

“X” + “Y”

Más adelante nos referiremos al beneficio del cálculo con “Jnr”

Con la finalidad de mejorar la exactitud para predecir el desempeño futuro del asfalto en un pavimento y que éste cumpla con la vida útil diseñada para el mismo, “Jnr” (Non-recoverable Creep Compliance) existe como un parámetro efectivo y probado.

4

Sandoval / Cremades “Jnr” es la deformación no recuperable (deformación permanente) generada al aplicar una unidad de esfuerzo. Este valor es calculado de la siguiente manera:

J nr 

Deformación _ no _ recuperada Esfuerzo _ aplicado

“A menor Jnr, menor será la deformación permanente al aplicar una carga”. Este parámetro se calcula a partir de los datos obtenidos de la prueba de MSCR. Además, se cuenta con la ventaja de que en la actualidad, la mayoría de los reómetros empleados para asfaltos pueden calcular “Jnr” de forma automática. La prueba MSCR se lleva a cabo en la misma pastilla de asfalto RTFO con la que se determinó G*/senδ, a la misma temperatura PG exigida por el proyecto. También se logra eficiencia en el tiempo de la obtención de los resultados de la prueba, ya que solo tarda 30 minutos adicionales como máximo.

No. de Pruebas Tiempo

Grado PG (N-CMT-4-05-004/08)

MSCR - Jnr

PG + Jnr

8

1

9

“X”

30 minutos

“X” + 30 min.

El uso de la clasificación por grado PG en conjunto con “Jnr”, reduce el número de pruebas a realizar, tomando como base la combinación de especificaciones antes mencionada, disminuye el tiempo y el costo de estos análisis y lo más importante, ofrece información mucho más valiosa ya que permite evaluar las siguientes propiedades del asfalto:      

Deformación permanente generada por unidad de esfuerzo. Respuesta elástica. Dependencia del comportamiento a diferentes niveles de esfuerzo. Memoria elástica. Capacidad elástica real. Deformación total acumulada después de 20 ciclos.

Éste conjunto de propiedades permite, a partir de las condiciones climatológicas existente en la zona del proyecto y del número de ejes equivalentes considerados para el mismo, seleccionar asfaltos óptimos. A continuación se expone de forma detallada la metodología de MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery), a partir del cual se calcula “Jnr“. Es importante recordar que esta prueba se corre en la pastilla de asfalto RTFO en la que se determino G*/senδ y a la misma temperatura

5

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos por lo que no hay que manipular la muestra, requiriendo solo de un minuto de reposo antes de que inicie la prueba MSCR.

PRUEBA DE CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO, MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery). Dicha prueba de MSCR consiste en: 1. Aplicar a un material un esfuerzo constante por un periodo de tiempo, causando con esto una deformación (Creep). 2. Se detiene la aplicación del esfuerzo y se deja que la estructura del material se recupere libremente de la deformación causada con el esfuerzo aplicado (Recovery). 3. Este ciclo (Creep – Recovery) se repite diez veces a un esfuerzo establecido. 4. Se repite el mismo proceso (inciso 1 a 3 anterior) a un esfuerzo superior. A continuación se describe a detalle el protocolo de MSCR: Condiciones de la prueba:  El ensayo se realiza en la misma pastilla que se determino G*/senδ (Asfalto RTFO), (platos paralelos de 25.0 mm de diámetro y 1.0 mm de “gap”).  La temperatura de prueba es la que se establezca en el proyecto: o Ejemplo (1): grado de desempeño PG76-XX, la prueba MSCR se realiza a 76°C. o Ejemplo (2): si se analiza un asfalto PG64-XX, la prueba debe realizarse a 64°C.  La muestra debe permanecer en reposo a la temperatura de prueba por lo menos un minuto antes correr el MSCR.  Se aplica un esfuerzo constante de 100 Pa durante 1.0 segundo (Creep). El esfuerzo máximo se alcanza en aproximadamente 0.02 segundos.  El lapso de recuperación es de 9.0 segundos a esfuerzo cero (Recovery).  Se llevan a cabo 10 ciclos a 100 Pa.  Se aplica un esfuerzo constante de 3200 Pa durante 1.0 segundo (Creep). El esfuerzo máximo se alcanza en aproximadamente 0.02 segundos.  Se llevan a cabo 10 ciclos a 3200 Pa. Es muy importante resaltar, que durante el periodo “recovery”, el reómetro de corte dinámico no realiza otra acción más que la de medir la respuesta del asfalto, por lo que las mediciones en el segmento de recuperación, dependen totalmente de la “memoria elástica” del asfalto. Esto no ocurre en la metodología actual para determinar G*/senδ en la que el reómetro se encarga de regresar el material a la posición original.

6

Sandoval / Cremades

strain 20 Ciclo Creep-Recovery 10 seg.

18 16 creep 1.0 seg

14

% Strain

12 10 Recovery 9.0 seg.

8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

Tiempo global (seg.)

Fig. 1- Ciclo Creep-Recovery, 1.0 seg. a esfuerzo constante en el paso creep y 9.0 seg. en el segmento de recuperación a esfuerzo cero. La prueba de creep-recovery permite medir la memoria elástica del material. strain 20 Deformacion total causada a esfuerzo 100 o 3200

18 16 Deformacion Recuperada

14

% Strain

12 10 8 6

Deformacion Permanente

4 2 0 0

2

4

6

8

10

Tiempo global (seg.)

Fig.2- Deformación causada durante el segmento Creep. Deformación recuperada durante el periodo de Recovery. Deformación permanente o No recuperable, durante un ciclo CreepRecovery. (%Strain= porcentaje de deformación.)

7

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos

strain 5000

4000

% Strain

3000

2000

Esfuerzo en Creep 100 Pa

1000

0

Esfuerzo en Creep 3200 Pa

0

50

100

150

200

Tiempo global (seg.)

Fig. 3- Ciclos Creep-Recovery a 100 Pa y, ciclos Creep-Recovery a 3200 Pa. Al aplicar dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa, se puede evaluar la dependencia de la capacidad elástica del asfalto ante el esfuerzo de corte. La diferencia entre el comportamiento elástico del asfalto a los dos niveles de esfuerzo, junto con la deformación total alcanzada al final de la prueba, dan información sobre la estabilidad y fuerza de la estructura del asfalto. 100 Pa 3200 Pa

Deformación recuperada

1000

Deformación No recuperada

% Strain

100 Deformación recuperada

10

Deformación No recuperada

0

20

40

60

80

100

Tiempo (seg)

Fig.4- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto con estructura débil. 8

Sandoval / Cremades

100 Pa 3200 Pa Deformación recuperada

100 Deformación

% Strain

No recuperada

10 Deformación recuperada

Deformación No recuperada

1

0

20

40

60

80

100

Tiempo (seg)

Fig.5- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto con estructura fuerte. En la figura 4 se presenta la prueba Creep-Recovery de un asfalto con estructura débil, con baja respuesta elástica en la fase de 100 Pa, el mismo comportamiento se observa a 3200 Pa. Esto indica que la estructura del asfalto no es capaz de soportar el aumento en el esfuerzo aplicado. Se observa una acumulación de deformaciones importante. En la figura 5, en cambio, se presenta un asfalto con una estructura fuerte, la respuesta elástica en la fase de 100 Pa es alta. Así mismo la respuesta elástica a 3200 Pa también es elevada. Se observa claramente que la diferencia entre las respuestas elásticas en los dos niveles de esfuerzos 100 y 3200 Pa es pequeña, lo que indica que su estructura es resistente y no se ve afectada en gran medida por el aumento de esfuerzo y las deformaciones repetidas. La prueba se llevo a cabo a las mismas condiciones (temperatura, tiempo, ciclos, esfuerzos etc.) para los dos asfaltos de las figuras 4 y 5.

Análisis de datos. En cada ciclo Creep-Recovery es necesario registrar cada uno de los siguientes parámetros:

ε0 Valor inicial para la deformación en el principio del segmento Creep para cada ciclo. εc Valor de la deformación al final del segmento Creep para cada ciclo. ε1 Valor de la deformación total causada durante el segmento Creep de cada ciclo, calculado como εc- ε0 .

9

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos

εr Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, es la deformación total acumulada hasta este ciclo. ε10 Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, calculado como εr- ε0 , es la deformación no recuperada en cada ciclo. strain 24



22

c

20 18 16

Recovery

% Strain

14 12 10



8

Creep

6



4

 r

2 0



-2



-4 -4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Tiempo global (seg.)

Fig. 6-Datos a registrar en un ciclo Creep-Recovery.

Cálculos para obtener respuesta elástica: La respuesta elástica para cada uno de los ciclos a 100 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

RE 100, N  

 1   10  100 1

De igual manera la respuesta elástica para cada uno de los ciclos a 3200 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

RE 3200, N  

 1   10  100 1

Con estos resultados se calcula el promedio de las respuestas elásticas (RE) para los dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa, según las ecuaciones siguientes:

%RE (100, prom.)  RE 100, N  / 10

N = 1 a 10

%RE (3200, prom.)  RE 3200, N  / 10

N = 1 a 10

10

Sandoval / Cremades El valor absoluto de la diferencia entre los porcentajes de respuesta elástica a 100 y 3200 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación: Rdif (100Pa  3200Pa)  %RE (100, prom.)  %RE (3200, prom.)

 El valor obtenido muestra la susceptibilidad de la respuesta elástica a la variación del esfuerzo aplicado.  Un valor elevado en la susceptibilidad de la respuesta elástica al nivel de esfuerzo, indica debilidad en la estructura del asfalto.

Cálculos para Jnr (Non-Recoverable Creep Compliance) Para cada uno de los ciclos a 100 Pa es posible calcular Jnr,100 como sigue:

J nr,100 100, N  

 10 100

De igual forma para cada uno de los ciclos a 3200 Pa es posible calcular Jnr3200 como sigue:

J nr,32003200, N  

 10 3200

Con estos resultados se calcula el promedio de Jnr para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa. J nr,100 (100, prom.)  J nr,100 100, N  / 10 J nr,3200(3200, prom.)  J nr,32003200, N  / 10

N = 1 a 10 N = 1 a 10

Diferencia en porcentaje entre Jnr a 100 y 3200 Pa

Jnrdif (100 Pa  3200 Pa ) 

J nr,3200(3200, prom.)  J nr,100 (100, prom.) J nr,100 (100, prom.)

 100

Una diferencia grande de “Jnr” entre 100 y 3200 Pa, indica facilidad para acumular deformaciones, ocasionando con ello la formación de roderas en el pavimento. Es importante tomar en cuenta la deformación total acumulada al final de los 20 ciclos. Este dato pone de manifiesto la resistencia del asfalto a la deformación, así como su capacidad de recuperarse ante las deformaciones.

11

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos

20000

Asfalto con estructura debil y baja recuperación elástica

% Strain

% Strain

15000

10000

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10

Primeros 10 ciclos 100 Pa

0

20

40

60

80

100

Tiempo global (seg)

5000

Asfalto con estructura fuerte y alta recuperación elástica

0 Segundos 10 ciclos 3200 Pa

0

50

100

150

200

Tiempo global (seg)

Fig.7- Deformación total acumulada o deformación permanente. “Jnr” como herramienta para el diseño de pavimentos Como se explicó anteriormente, “Jnr” funciona en conjunto con la metodología actual de grado PG. El asfalto se selecciona de acuerdo al clima, tal y como lo designa el procedimiento de Superpave y a éste se le suma la variable del tráfico (número de ejes equivalentes) contemplado en el proyecto, de acuerdo a los siguientes niveles:

Temperatura

Seleccionada de acuerdo al mapa de regiones geográficas (zonas por clima)

Grado

“Jnr,3200”

No cumple

>4

< 3 millones

Estándar (S)

2a4

≥0

> 3 < 10 millones

Pesado (H)

1a2

≥25

> 10 < 30 millones

Muy pesado (V)

0,5 a 1

≥30

> 30 millones

Extremo (E)

≥ 0,5

≥40

Intensidad de tráfico (en ejes equivalentes)

RE3200: Respuesta elástica a 3200Pa.

12

RE3200 (%)

Sandoval / Cremades Entonces:  Si por clima se requiere un asfalto PG 70-22 y el tráfico esperado es mayor que diez pero menor que 30 millones de ejes equivalentes, el asfalto deberá cumplir un valor de “Jnr” entre 1,0 y 0,5 y por lo tanto, se clasificará como un PG 70-22V. A continuación se presentan las posibles variantes, dependiendo del nivel de tráfico contemplado en el diseño. Para este ejemplo: Ejemplo de clasificación por intensidad de tráfico para un PG 70-22 70-22 S Tráfico Estándar

70-22 H Tráfico Pesado

70-22 V Tráfico Muy Pesado

70-22 E Tráfico Extremo

De tal manera que la selección de un asfalto para un proyecto determinado va direccionada tanto por el clima como por los ejes equivalentes.

PARTE EXPERIMENTAL

Para la realización de este estudio se emplearon cinco asfaltos diferentes. Este parámetro es “ciego” ante:  El proceso de producción por el cual ha pasado el asfalto.  Los productos que se han empleado para producirlo. Estos asfaltos se identificaron como “A”, “B”, “C”, “D” y “F” y solo se hace referencia a ciertas características empíricas y a su desempeño. Además, se presentan los resultados de varios

13

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos asfaltos que se comercializan en México, para establecer una idea sobre el valor de “Jnr” que presentan. Todos estos asfaltos fueron clasificados como PG76-16, excepto el “A” que es PG64-16. Presentaron los siguientes resultados (se muestran los más relevantes):

Asfalto

PG

Ángulo de fase (RTFO) a PG

Recuperación elástica Torsión

Ductilómetro

A

64-16

76,91

6

4

B

76-16

58,40

53

63

C

76-16

75,34

29

20

D

76-16

68,79

12

8

F

76-16

66,70

54

73

ANÁLISIS EMPÍRICO Se realizo un análisis empírico a todas las muestras, que incluye las siguientes pruebas: Prueba

Método M-MMP-4-05-006/00 SCT M-MMP-4-05-006/00 SCT M-MMP-4-05-009/00 SCT M-MMP-4-05-024/02 SCT M-MMP-4-05-026/02 SCT M-MMP-4-05-023/02 SCT M-MMP-4-05-005/02 SCT M-MMP-4-05-010/02 SCT

Penetración a 25°C Penetración a 4°C Punto de Reblandecimiento Recuperación Elástica por Torsión a 25°C Recuperación Elástica por Ductilometro a 25°C Resilencia a 25°C Viscosidad Rotacional a 135°C Pruebas al Residuo de la Película Delgada en RTFO RESULTADOS PRUEBA

A

B

C

D

F

Penetración a 25°C (1/10mm)

51

43

46

45

36

Penetración a 4°C (1/10mm) Reblandecimiento (°C) Rec. Elástica por Torsión 25°C (%)

28 50 6

26 63 53

27 57 29

25 58 12

25 60 54

Resiliencia a 25°C (%) Viscosidad Rotacional 135°C (cps)

2 462

22 1900

18 868

20 903

25 1170

14

Sandoval / Cremades Pérdida de masa por calentamiento (%) Penetración a 25°C (1/10mm)

1,67

1,45

1,60

1,57

1,50

15

20

20

15

15

Penetración a 4°C (1/10mm)

20

10

14

14

12

Reblandecimiento (°C)

57

74

69

70

75

4

63

20

8

73

962

5171

8488

2288

3015

Rec. Elástica por Ductilometro 25°C (%) Viscosidad Rotacional 135°C (cps)

Los resultados del análisis empírico muestran:  Las diferencias existentes entre las muestras de asfaltos analizados, principalmente en las recuperaciones elásticas, por torsión y ductilometro.  Los asfaltos “B” y “F” presentan recuperaciones elásticas altas, a diferencia de los “A”, “C” y “D”, estos presentan recuperaciones elásticas bajas.  El punto de reblandecimiento presenta valores relativamente cercanos.  Otra diferencia notable se encuentra en la viscosidad rotacional, donde los valores más altos representan una mayor resistencia al flujo. Este es un factor importante para estimar la resistencia ante la deformación permanente. Este tipo de análisis sólo da una idea de la consistencia del asfalto, pero no proporciona información sobre el desempeño futuro que tendrá el asfalto en el pavimento.

CLASIFICACIÓN POR GRADO PG Se determinó el grado de desempeño empleando el método SHRP-SUPERPAVE conforme a la metodología AASHTO TP-5 o su homólogo en la normativa Mexicana M-MMP-4-05-025/02: Prueba

Método ASTM D 92 ASTM D 4402 ASTM D 7175 ASTM D 2872 ASTM D 7175 ASTM D 6648

PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND VISCOSIDAD ROTACIONAL MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO [G*/senδ] Y ÁNGULO DE FASE (δ) PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO [G*senδ] RIGIDEZ EN CREEP S(t) Y VALOR m(t)

RESULTADOS PRUEBA PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND (°C) VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm (cP)

A

B

C

D

F

> 260

384

286

297

380

462

1900

868

903

1170

1,51 (64°C)

1,62

1,12

1,30

1,39

84,23 (64°C)

63,76

82,80

78,50

80,65

Análisis al asfalto original MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO A 76°C [G*/senδ] (KPa) ÁNGULO DE FASE (δ) A 76°C (°)

15

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos Análisis del residuo de la prueba de la película delgada RTFO ASTM D 2872 PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163 °C (%)

1,67

1,45

1,60

1,57

1,50

MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO A 76°C [G*/senδ] (KPa)

8,67 (64°C)

4,64

4,48

5,08

6,24

76,91 (64°C)

58,40

75,35

68,79

66,70

ÁNGULO DE FASE (δ) A 76°C (°)

Análisis del residuo de la prueba de envejecimiento a presión PAV ASTM D 6521 MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO 34 °C [G*senδ] (KPa)

3625 (28°C)

1691

1954

1958

1458

RIGIDEZ EN CREEP A -6°C, 60s S(t), (MPa)

96,19

140,65

140,63

95,81

117,77

VALOR m(t) A -6°C, 60s, (adimensional)

0,335

0,307

0,302

0,330

0,328

GRADO

PG64-16

PG76-16 PG76-16 PG76-16 PG76-16

Los resultados de la caracterización por grado PG muestran las diferencias existentes entre los diferentes asfaltos analizados, principalmente en ángulos de fase:  El asfalto “B” presenta los ángulos de fase más bajos, lo cual denota un comportamiento más elástico que los demás asfaltos, así como una mayor resistencia a la deformación y mayor capacidad de recuperarse ante las deformaciones.  De igual forma los asfaltos “B” y “F” presentan las viscosidades más altas, lo que representa mayor resistencia al flujo. Cabe señalar que los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” están clasificados como PG76-16 lo que desde el punto de vista de la clasificación actual de grado PG, se esperaría que presentaran comportamientos similares.

PRUEBA DE CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO, MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery)

Esta metodología se llevó a cabo bajo las siguientes condiciones (ASTM 7405-10):  Se realizaron 20 ciclos Creep-Recovery divididos en dos segmentos de 10 ciclos cada uno: o Primeros 10 ciclos: Se empleo un esfuerzo de 100 Pa con un período de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el período de Recovery (Recuperación).

16

Sandoval / Cremades o Segundos 10 ciclos: Se empleó un esfuerzo de 3200 Pa con un periodo de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el periodo de Recovery (Recuperación).

Cálculos para respuesta elástica: Para cada uno de los ciclos a 100 Pa, se calcula la respuesta elástica como se muestra a continuación:

RE 100, N  

 1   10  100 1

De igual forma, para cada uno de los ciclos a 3200 Pa, se calcula la respuesta elástica como sigue:

RE 3200, N  

 1   10  100 1

Con estos resultados se calcula el promedio de las respuestas (RE) para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa.

% r (100, prom.)   r 100, N  / 10

N = 1 a 10

% r (3200, prom.)   r 3200, N  / 10

N = 1 a 10

Valor absoluto de la diferencia entre los porcentajes de respuesta elástica a 100 y 3200 Pa: Rdif (100Pa  3200Pa)  RE (100, prom.)  RE (3200, prom.)

Cálculos para “Jnr” (Non-Recoverable Creep Compliance) Para cada uno de los ciclos a 100 Pa se calcula “Jnr” como sigue:

Jnr 100, N  

 10 100

De igual forma para cada uno de los ciclos a 3200 Pa se calcula “Jnr” como sigue:

Jnr 3200, N  

17

 10 3200

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos Con estos resultados, se calcula el promedio de “Jnr” para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa.

Jnr (100, prom.)  Jnr 100, N  / 10

N = 1 a 10

Jnr (3200, prom.)  Jnr 3200, N  / 10

N = 1 a 10

Diferencia en porcentaje entre “Jnr” a 100 y 3200 Pa:

Jnrdif (100 Pa  3200 Pa ) 

Jnr (3200, prom.)  Jnr (100, prom.)  100 Jnr (100, prom.)

Además, se toma en cuenta la deformación máxima acumulada después de los 20 ciclos Creep-Recovery. Las pruebas se realizaron a la temperatura de 76 y 82°C para los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” y a 64 y 70°C para el caso “A”.

RESULTADOS: Cálculos para respuesta elástica. En la siguiente sección se presenta un comparativo entre los resultados de respuesta elástica en Creep Repetido, a 100 y 3200 Pa, para los diferentes asfaltos, así como la diferencia entre las respuestas elásticas a estos dos niveles de esfuerzo: Resultados a 76°C Tipo de Asfalto Temp. de

RE

Rdif

a 100 Pa

a 3200 Pa

(100Pa-3200Pa)

(%) 8

(%)

64

(%) 9

B

76

75

72

3

C

76

16

0 (-5)

21

D

76

37

7

30

F

76

21

7

14

Prueba A

RE

RE : Respuesta elástica en Creep Repetido. Rdif : Diferencia entre RE a 100 Pa y RE a 3200 Pa.

18

1

Sandoval / Cremades Resultados a 82°C Tipo de Asfalto Temp. de

RE

Rdif

a 100 Pa

a 3200 Pa

(100Pa-3200Pa)

B

70 82

(%) 2 68

(%) 0 (-5) 59

(%) 7 9

C

82

19

0 (-7)

26

D

82

29

0 (-2)

31

F

82

13

0

13

A

Prueba

RE

RE : Respuesta elástica en Creep Repetido. Rdif : Diferencia entre RE a 100 Pa y RE a 3200 Pa.

Los números negativos indican que al retirar el esfuerzo el asfalto se sigue deformando. Es importante establecer un valor mínimo a la respuesta elástica a 3200 Pa, porque algunos asfaltos pueden presentar buena elasticidad a 100 Pa, pero al aumentar el nivel de esfuerzo, se produce una caída importante en este parámetro (respuesta elástica). La diferencia entre la respuesta elástica a 100 y 3200 Pa, se debe tomar en cuenta porque así se garantiza que la estructura del asfalto es resistente y estable al recibir una carga. La estabilidad puede estimarse basándose en la linealidad de su comportamiento elástico al variar el esfuerzo. Cálculos para Jnr (non-recoverable creep compliance) En la siguiente sección se presenta un comparativo entre los resultados de los diferentes asfaltos, Jnr (non-recoverable creep compliance), a 100 y 3200 Pa, la diferencia entre Jnr a estos dos niveles de esfuerzo, la respuesta elástica y la deformación máxima acumulada. Resultados a 76°C Tipo de Asfalto

Temp. de Prueba

Jnr

Jnr

(%)

RE a 3200 Pa (%)

Deformación máxima acumulada

Jnrdif

a 100 Pa a 3200 Pa (100Pa-3200Pa)

A

64

0,874

1,001

14,55

8

3244

B

76

0,253

0,237

0

72

964

C

76

1,948

5,002

156,70

0 (-5)

16300

D

76

0,645

1,053

63,11

7

3501

F

76

0,974

1,292

32,58

7

4329

Jnr : Creep Compliance. Jnrdif : Diferencia entre Jnr a 100 Pa y Jnr a 3200 Pa. RE: Respuesta elástica. Def. máxima acumulada: Deformación alcanzada al final de los 20 ciclos Creep-Recovery.

19

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos Como se puede apreciar en la tabla anterior:  Los resultados de “Jnr” tienen una directa relación con la deformación acumulada.  A menor valor de “Jnr” , menor es la deformación acumulada.  El asfalto “B” presenta los valores más bajos de “Jnr”. o Al subir el esfuerzo no hay un aumento en “J nr”, lo que representa que este asfalto tiene una estructura muy estable y una gran capacidad para almacenar energía para recuperarse de las deformaciones.  El asfalto “C” a 100 Pa presenta un valor de “Jnr” intermedio. o Al subir el esfuerzo hay un aumento considerable en este parámetro. Esto significa que es un asfalto que acumulará una gran cantidad de deformaciones y tendrá un desempeño pobre en el pavimento.  El asfalto “D” tiene buenos valores de “Jnr” o Con mayor esfuerzo, incrementa el valor de éste parámetro en forma aceptable. o Presenta respuesta elástica pobre.  El asfalto “F” tiene buenos valores de “Jnr” o Responde con un incremento aceptable al subir el esfuerzo. o Presenta una respuesta elástica pobre. Más adelante en éste documento, se determina el nivel de tráfico para el cual son aptos estos asfaltos, ya que son PG76-16, y a esta temperatura se clasifica el nivel de tráfico basado en “Jnr”. No obstante, estos asfaltos fueron sometidos a la prueba de MSCR a 82°C para evaluarlos bajo una mayor exigencia, y así corroborar que de acuerdo a la literatura, deberían “fallar” o al menos, presentar un pobre desempeño. El asfalto “A” se probó a 70°C. Resultados a 82°C Tipo de Asfalto Temp. de

(100Pa-3200Pa) (%)

RE a 3200 Pa (%)

Deformación máxima acumulada

2,783

20,29

0 (-5)

9160

0,535

0,559

4,61

59

2134

82

1,832

8,620

360,72

0 (-7)

28068

D

82

1,426

2,610

83,08

0 (-2)

8644

F

82

2,212

3,013

36,23

0

9987

Prueba

Jnr

Jnr

Jnrdif

a 100 Pa

a 3200 Pa

A

70

2,314

B

82

C

Jnr : Creep Compliance. Jnrdif : Diferencia entre Jnr a 100 Pa y Jnr a 3200 Pa. RE: Respuesta Elástica Def. máxima acumulada : Deformación alcanzada al final de los 20 ciclos Creep-Recovery.

Al subir la temperatura 6°C, el asfalto “B” sigue presentando un comportamiento adecuado y su estructura sigue siendo muy estable. El resto de los asfaltos probados, disminuyeron su desempeño.

20

Sandoval / Cremades A continuación se presentan las gráficas comparativas de los resultados obtenidos en la prueba MSCR con los diferentes asfaltos RTFO. 18000

A B C D F

16000 14000

Deformación (%)

12000 10000

Jnr76 C=5,002 o

8000 6000

Jnr76 C=1,292 o

4000

Jnr76 C=1,053

2000

Jnr64 C=1,001

0

Jnr76 C=0,237

o

o

o

0

50

100

150

200

tiempo global (s)

Fig. 8-Deformación vs tiempo a 76°C (64°C para el asfalto A) y valor de “Jnr”. 28000

Jnr82 C=8,620 o

26000

A B C D F

24000 22000

Deformación (%)

20000 18000 16000 14000 12000

Jnr82 C=3,013 o

10000

Jnr70 C=2,783 o

8000

Jnr82 C=2,610

6000

o

4000 2000

Jnr82 C=0,559 o

0 0

50

100

150

200

tiempo global (s)

Fig. 9-Deformación vs tiempo a 82°C (70°C para el asfalto A) y valor de “Jnr”.

21

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos En los valores graficados de deformación se observa claramente la relación entre “Jnr” y la deformación permanente: a menor “Jnr”, menor deformación permanente. Nivel de tráfico basado en Jnr. No obstante que los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” son iguales bajo el protocolo de PG 76-16, son aptos para condiciones de tráfico diferentes, lo que se confirma a través de su valor “Jnr”: Temperatura

Grado

“Jnr,3200”

No cumple

>4

< 3 millones

Estándar (S)

2a4

≥0

> 3 < 10 millones

Pesado (H)

1a2

≥25

> 10 < 30 millones

Muy pesado (V)

0,5 a 1

≥30

> 30 millones

Extremo (E)

≥ 0,5

≥40

Intensidad de tráfico (en ejes equivalentes)

Seleccionada de acuerdo al mapa de regiones geográficas (zonas por clima)

RE3200: Respuesta elástica a 3200Pa.

GRADO DE DESEMPEÑO PG Y NIVEL DE TRÁFICO.

o

64 C

o

76 C

o

76 C

5

o

76 C

o

76 C No cumple

Jnr3200

4

Estandar

3

2 Estandar

Estandar

Extremo

Estandar Pesado

1 Muy Pesado Extremo

0 A

B

C

D

F

Asfalto

Fig. 10- “Jnr3200” para los asfaltos RTFO. 22

RE3200 (%)

Sandoval / Cremades Dado que los asfaltos “A”, “D” y “F”, presentan Respuestas elásticas bajas, son aptos para tráfico Estandar. Asfalto

PG

Jnr3200

RE a 3200 Pa (%)

Intensidad de tráfico

Grado

A***

PG 64-16

1,001

8

< 3 millones

PG 64-XX S

B*

PG 76-16

0,237

72

> 30 millones

PG 76-XX E

C**

PG 76-16

5,002

0 (-5)

No cumple*

No cumple*

D***

PG 76-16

1,053

7

< 3 millones

PG 76-XX S

F***

PG 76-16

1,292

7

< 3 millones

PG 76-XX S

* El asfalto “B” presenta valores de J nr,3200 y RE3200 adecuados para un tráfico extremo. * *Este asfalto no es apto para trabajar como un PG76-16. Posiblemente a una temperatura más baja, cumpla con éstos parámetros. *** Estos asfaltos aunque tienen valores de J nr3200 “aceptables”, presentan valores de respuesta elástica bajos, por lo que se clasifican como aptos para tráfico estándar.

El asfalto a utilizar en el diseño de un proyecto, se selecciona por criterios de clima y nivel de tráfico. A continuación se presentan los resultados de diferentes asfaltos comerciales, que se utilizan habitualmente en México para la construcción de carreteras:

5

o

76 C

o

76 C

o

64 C

o

o

76 C

76 C

o

64 C

o

82 C

o

82 C No cumple

4

Jnr3200

3

Estandar

2 Pesado

1 Muy Pesado Extremo

0 G

I

J

K

L

M

N

O

Asfalto

Fig. 11- Jnr3200 para Asfaltos comerciales empleados en México (No se toma en cuenta RE3200).

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Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos CONCLUSIONES. 1- Dado que la vida útil de un pavimento asfáltico está directamente relacionada con el número de ejes equivalentes considerados en el diseño de un proyecto, el parámetro “Jnr” se convierte en una herramienta fundamental y determinante para alcanzar dicho objetivo. 2- La metodología de Creep Repetido (MSCR) ofrece información más exacta y por ende, más valiosa, sobre el desempeño esperado de un asfalto en el pavimento. 3- Esta metodología puede evitar el uso de asfaltos “endurecidos” que no tendrán un buen desempeño en el pavimento. Además, podrá disminuir el tiempo y el costo de los análisis, asegurando la selección adecuada de un asfalto dependiendo de las condiciones climatológicas y de tráfico a las que será sometido el pavimento. 4- El parámetro “Jnr” (non-recoverable Creep compliance) determina de manera más exacta y más práctica, la resistencia de un asfalto ante la deformación permanente. 5- En México se dispone del equipamiento para poder llevar a cabo ésta prueba. 6- Los asfaltos comerciales analizados, pueden ser utilizados en diferentes niveles de tráfico, llegando hasta niveles “muy pesado”. No cabe duda que en caso de requerirse asfaltos para tráfico “extremo”, la industria mexicana está en condiciones de proveerlos.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. J. D’Angelo, R. Dongre, G. Reinke, “Evaluation of Repeated Creep and Recovery Test Metod as an alternative to SHRP+ requirements for polymer Modified Asphalt Binders. 2. J. D’ Angelo, R. Kluttz, R. Dongre. K. Stephens, L. Zanzotto., “Revision of the Superpave High Temperature Binder Specification: The Multiple Stress Recovery Test”. 3. D’Angelo, J., Dongre, R., “Development of a High Temperature Performance Based Binder Specification in the United States”. 4. J. de Visscher, H. Soenen, A. Vanelstraete, P.redelius,” A comparision of the Zero Shear Viscosity from Oscillation tests and the Repeated Creep test”. 5. Guidance on the Use of the MSCR Test with the AASHTO M320 Specification Asphalt Institute, Dec. 2010. 6. Cremades I.,Sandoval I., “Caracterización de Asfaltos Mexicanos Mediante Pruebas Empíricas y Estudios Reológicos. III Congreso Mexicano del asfalto, Agosto 2003.

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Sandoval / Cremades 7. Sandoval I., Cremades I., “Determinación del grado de desempeño del asfalto usando como parámetro de especificación la viscosidad a corte cero”, IV Congreso Mexicano del Asfalto, Agosto 2005. 8. Sandoval I. Cremades I., “Caracterización de asfaltos mediante creep repetido multiesfuerzo en reómetro de corte dinámico”. V Congreso Mexicano del Asfalto, Agosto 2007.

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SELLO DEL CABO (CAPE SEAL) EMULSIONES ASFALTICAS - ALTERNATIVA EN CONSERVACION DE PAVIMENTOS AMAAC – Octavo Congreso Mexicano del Asfalto Agosto, 28 - 30, 2013 Cancún QR, Mexico RESUMEN: El Sello de Cabo o "Cape Seal' por su significado en Ingles, fue desarrollado en Ciudad del Cabo en Sudáfrica en los años 50's, la cual es una aplicación bi-capa como superficie de rodamiento en carreteras o vías de terrestres de comunicación. Para este evento ofreceré la alternativa de utilización de las emulsiones como construcción y rehabilitación de la superficie de rodamiento en pavimentaciones. Con esta presentación intento ofrecer un antiguo pero altamente sustentable sistema de pavimentación y ahora re-definido como conservación de pavimentos con lo mejor de la tecnología utilizando Emulsiones Asfálticas Catiónicas Convencionales y Modificadas con Polímeros. Esta metodología de pavimentación está conformada en dos fases: 1. Primeramente la aplicación de un riego de gravilla (chip seal) que se aplica sobre una carpeta asfáltica con severos daños superficiales o también sobre una base granular convencional o estabilizada. 2. Seguida de una aplicación de Mortero Asfaltico (Slurry Seal) o Micro Pavimento (Micro Surfacing) como superficie de rodamiento. Ofreceré las ventajas que esta aplicación asfáltica bi-capa nos brinda además por su efectividad en costos al tratarse de una aplicación asfáltica en frio. Determinare en esta presentación los detalles técnicos de diseño, especificaciones, recomendaciones y guías de la ISSA (International Slurry Surfacing Association) así como archivos fotográficos y video clips de proyectos ya desarrollados en otros países con el fin de abrir nuevas rutas en la comunicación de nuestra Tecnología para el desarrollo vial de América Latina. ANTECEDENTES El proceso de Sello del Cabo fue desarrollado en la Republica de Sudáfrica en la Provincia del Cabo (Cape Province) específicamente en Ciudad del Cabo (Cape town). Inicialmente aplicaban polvo de roca premezclado con asfalto en caliente sobre un sello con roca de 19 mm. Durante estos inicios el proceso se especifico en 1950 como CAPSA 1979. Esto fue el resultado de múltiples esfuerzos para mejorar la durabilidad de aquellos caminos que no excedían 300 v/d. Aunque mezclas en caliente fueron usadas como pavimento, en caminos de mayor tráfico. Posteriormente mejoraron sus desarrollos – en 1957 – nació el proceso como Cape Seal, que consistía en la aplicación de una tratamiento superficial con roca de 19 mm cubierto con dos pases de mortero asfaltico (Slurry Seal) y como segunda opción una tratamiento superficial con roca de 13 mm cubierto con solo un pase de mortero asfaltico. La pavimentación de vías con el sistema Sello del Cabo tiene ya más de 60 años de existencia, desde su creación muchos países a nivel mundial han desarrollado este sistema inicialmente como pavimentación, principalmente en vías donde se considera imposible que una carpeta asfáltica o de hormigón sea aplicada por la diversidad de razones económicas principalmente en nuestros países. Ahora este sistema nos ofrece una forma económica pero eficiente de dar a nuestros ciudadanos, vías con recubrimientos asfalticos de buen rendimiento. Hasta esta fecha he conocido países como Estados Unidos, Argentina, Brasil y Chile aparte de su país de creación Sudáfrica como los países que más aplicaciones han efectuado con esta técnica de pavimentación. Podemos considerar ecológica a esta técnica de pavimentación, ya que se utilizan emulsiones asfálticas catiónicas las cuales son amigables al medio ambiente, son aplicadas en frio, son combinadas con agua, utilizan materiales húmedos, no arrojan contaminantes a flujos pluviales, no arrojan contaminantes sólidos o vapores dañinos a la atmosfera, tienen una máxima resistencia a la intrusión de agua así como al desprendimiento por ella, comparadas con las técnicas asfálticas de pavimentación en caliente y en su aplicación no es necesaria energía calorífica. El curado de ellas se logra cuando al agua es evaporada a la atmosfera. En general esta técnica e pavimentación ofrecerá una alternativa económica y técnicamente sustentable, en pavimentaciones con una verdadera efectividad en costos.

INTRODUCCION El sistema Sell del Cabo (Cape Seal - por su significado en Ingles) es una metodología que se define como la pavimentación alternativa en frio para vías secundarias cuando se aplica sobre bases granulares convencionales o para vías principales sobre pavimentos (flexibles y rígidos) en malas condiciones superficiales. El Sello del Cabo originalmente desarrollado, combina dos tratamientos a nivel superficial: A. FASE 1 – Aplicación de un tratamiento superficial simple (Chip Seal) Riegos B. FASE 2 – Aplicación de un mortero asfaltico convencional (Slurry Seal) Mezcla La segunda capa como mezcla rica en ligante elimina el problema de desprendimientos de agregados, retiene firmemente el agregado del tratamiento y reduce en gran cantidad el ruido del tráfico Estas dos técnicas de aplicación asfáltica deberán independientemente desarrollar bajo las respectivas normativas locales o Internacionales un Diseño de Mezcla formal.

FASE 1 – APLICACIÓN DEL RIEGO DE GRAVILLA DEFINICION.El riego de gravilla es la aplicación de un riego de asfalto emulsionado, seguido inmediatamente de un riego de gravilla con granulometría definida, la compactación de la gravilla y finalmente el barrido de ellas lo cual puede ser aplicado sobre superficies ya sea granulares o pavimentadas. Esta aplicación tiene como finalidad la conservación, restauración de propiedades superficiales de rodamiento y el sellado de la vía. Existen en el mundo varios tipos de tratamientos superficiales que por su aplicación y granulometría se definen como: simples, dobles, triples o múltiples. En este caso solamente se presentara el tratamiento superficial simple, ya que la normativa original del Sello del Cabo es en base a este tipo de aplicación. Los tratamientos superficiales sellan grietas de mínima apertura, penetrando con ligante liquido hasta sellarlo y en grietas mayores ejerciendo con la gravilla el relleno de su volumen de acuerdo a la granulometría. Rellenan desniveles de bajo perfil superficial, proveen una excelente superficie resistente al deslizamiento, ofrecen una matriz pétrea de bajo espesor exponiendo la roca al tráfico y al clima, proveen una barrera impermeable que detiene la intrusión de agua a estructura inferior, ofrecen una buena superficie o capa temporal para esperar una carpeta convencional, asimismo puede demarcar las banquinas ejerciendo una buena diferencia con la carpeta. Los tratamientos superficiales aportan mínima resistencia estructural por lo que nos son tomados en cuenta para determinar capacidad portante de pavimentos. Los tratamientos superficiales no corrigen un pavimento estructuralmente deficiente, por lo que deberá aplicarse sobre bases y/o pavimentos aun estables. Desafortunadamente los tratamientos superficiales tienen un alto desprendimiento de gravilla. MATERIALES Con el fin lograr aplicaciones de alto rendimiento la emulsión asfáltica y los agregados como materiales que componen los tratamientos superficiales, deben de cumplir estrictas normas de calidad y si es posible superar las establecidas con el fin de alcanzar un buen tiempo de vida de servicio. Para zonas donde por consideraciones del tráfico o bien al aplicarse en zonas a mayor altura sobre el nivel del mar, las emulsiones asfálticas bien pueden ser modificadas con polímeros catiónicos tipo SBR lo cual coadyuva a reducir la susceptibilidad térmica y/o intemperismo en la vía, así como para a darle la resistencia al intemperismo y reducir la variación térmica en relación al rendimiento del ligante. EMULSION ASFALTICA Las emulsiones asfálticas en los tratamientos superficiales, ofrecen principalmente ventajas en contra de los asfaltos diluidos, ya que tienen una definida compatibilidad electrostática a ser combinadas con los materiales pétreos cuya propiedad es electronegativa, con la inmersión (en la imprimación) dentro de la masa asfáltica emulsionada cargada con iones electropositivos o cationes su adhesión inicial y su cohesión final será permanente no pudiendo ser alterada esta atracción electrostática resistiendo la acción devastadora por intrusión de agua la cual es uno de los mayores daños superficiales en las vías. La emulsión asfáltica catiónica por su característica de ligante asfaltico debe de entrar en contacto con materiales húmedos, lo cual es beneficioso en este sistema, ya que la humedad se fractura la tensión

superficial en la cara de los agregados y se promueve de mejor manera una adhesión inmediata. Con ello podemos decir que la humedad en los agregados es beneficiosa cuando se utilizan emulsiones asfálticas. Las emulsiones se aplican a temperatura ambiente, aunque a cierta altitud sobre el nivel del mar se requiere aumentar su temperatura para mejorar su manejo provocado una reacción térmica promoviéndose su adhesión, ruptura y cohesión al recibir el riego de la gravilla. Por lo que al entrar en contacto con la gravilla esta rompe de inmediato y retiene la roca en su lugar. Es necesario asegurar que las emulsiones no contaminan y su olor al aplicarlas es una confiable vaporización de combinación de resinas vegetales desprendiendo solo agua a la atmosfera. Las emulsiones asfálticas deberán de adaptarse a los requerimientos químico-físicos de los agregados y no se podrán utilizar emulsiones asfálticas que se encuentren en depósitos ya disponibles. De esto depende el buen rendimiento en su aplicación, he sido testigo en proyectos donde utilizando emulsiones supuestamente apropiadas han fallado en aéreas donde las características reológicas de los materiales aparentemente aprobaron buena compatibilidad. Las emulsiones asfálticas deberán de tener la viscosidad apropiada para mantener la capa de imprimación aun en zonas de difícil geometría longitudinal y donde el diseño transversal hasta con 4° de pendiente, sin que ella rompa por escurrimiento su capa de imprimación, si esto no se cumple la imprimación no tendrá el rendimiento como ligante catiónico, mientras que por un lado se efectúa la deposición sobre la superficie de la vía por otro lado se preparará a recibir un agregado con carga electronegativa. Es decir – debe de existir un equilibrio en la viscosidad para que sea distribuida apropiadamente y asimismo mantener la capa en posición, pero aún más rendimiento en su adherencia con la roca por entrar en contacto. Aunque he encontrado en varios países la utilización de emulsiones catiónicas de ruptura lenta, la aplicación resulta contraria en su rendimiento, por un lado este tipo de emulsiones son formuladas y producidas con contenidos hasta de 12 Kg de emulsificante por cada tonelada de emulsión producida, lo cual además de encarecer el producto final la convierte en una aplicación con curado excesivamente lento, ya que las emulsiones de ruptura rápida solo tienen máximo 2.5 Kg de emulsificante por cada tonelada de emulsión producida. Las emulsiones apropiadas para los tratamientos superficiales son denominadas de ruptura rápida para riegos, conforme este tipo son: CRS–1 y CRS –2

Prueba o Ensayo Viscosidad SF 50°C seg. Prueba de la malla 20 # (125 µ) 24 hr % Estabilidad al almacenamiento % Asfalto residual % Demulsibilidad 35 ml 0.8 % Dioctyl Sodium Sulfosuccinate %

Penetración residuo, 25°C, 100 g, 5s Solubilidad en Tricloroetileno , %

CRS

Norma

80 – 400 < 0.1 < 0.1 > 67

ASTM D 244 ASTM D 6933 ASTM D 6930 ASTM D 6997

40

ASTM D 6936

70-120 97

ASTM D 5 ASTM D 2042

AGREGADOS El material pétreo a ser utilizado en un tratamiento superficial deberá de cumplir normas y ensayos particulares para este fin, se localizará la fuente del material y se someterá a trituración hasta alcanzar la curva granulométrica determinada para la aplicación y una vez cumplidas estas normas, se deberá de enviar muestras al proveedor de la emulsión asfáltica para formular y diseñar conforme a las características físicoquímicas del material pétreo. No es posible formular una emulsión CRS sin tener el material pétreo disponible. Así como no puede ser posible el aplicar un tratamiento superficial con una emulsión sin esta haber sido formulada para el tipo de roca usada. De ello dependerá el buen rendimiento, tiempo de vida de servicio, el no tener desprendimientos mayores, exudaciones, delaminaciones, credibilidad y responsabilidad profesional en la aplicación. GRANULOMETRIAS Las granulométricas son variadas dependiendo principalmente del tráfico y de las condiciones del sitio de aplicación. Aunque en muchos países se utiliza solo una malla, en otros es común el uso de una curva granulométrica combinada. Como generalidad estas son las granulometrías usadas en tratamientos:

Malla numero 3/4 “ - 19 mm 1/2 “ - 12 mm 3/8 “ - 9 mm No. 4 - 6 mm No. 8 - 3 mm No. 16 - 1.5 mm No. 30 No. 100 No. 200

Pasante % 100 100 90 – 100 5 – 30 0 – 10 0–5 0 0 0

Las pruebas y ensayos que deberán ser cumplidas son aquellas para determinar las características físicas de los agregados, pero asimismo deberán de cumplir con pruebas de caracterización química, con la finalidad de encontrar la apropiada formulación de la emulsión asfáltica. Prueba o ensayo ASTM C 127-04 ASTM C131-06 ASTM C136-06 ASTM D 4791-05 ASTM D 6928-06 ASTM D 7000-04

Descripción Density, Relative Density (Specific Gravity) and Absorption of Coarse Aggregates Resistance to Degradation of Small Size Coarse by Abrasion and Impact in Los Angeles Machine Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregates Resistance of Coarse Aggregates to Degradation by Abrasion in the Micro-Deval Apparatus Sweep Test of Bituminous Emulsion Surface Treatments Samples

Los contenidos de emulsión asfáltica catiónica y agregado por área en la aplicaciones de tratamientos superficiales, se pueden dar en la siguiente tabla: Cantidad ligante/agregado en tratamientos superficiales simples Tamaño nominal del agregado 19.00-9.50 mm =3/4”- 3/8 “ 12.50-4.75 mm =1/2 “ - # 4 9.50-2.36 mm = 3/8 “- # 8 4.75-1.18 mm = # 4 - #16 Arena

Tamaño 6 7 8 9 AASHTO M-6

Cant. agregado Kg/m² 22-27 14-16 11-14 8-11 5-8

Cantidades de ligante Lt/m² 1.8 – 2.3 1.4-2.0 0.9-1.6 0.7-0.9 0.5-0.7

Tratamientos superficiales modificados con polímeros

Tipo de Emulsión CRS – 2 CRS-1 & CRS-2 CRS-1 & CRS-2 CRS-1 CRS-1 CRS-1p & CRS-2p

APLICACIÓN DEL RIEGO DE IMPRIMACION El riego de liga se ejecuta con un distribuidor de asfalto convencional, equipado con sistemas de control de riego para el ajuste de los porcentajes de aplicación por área arriba indicados, deberá de contar son sistemas de ajuste lateral para alcanzar coberturas completas.

Posicionamiento de las boquillas aspersoras

Altura de la barra de aspersión

APLICACIÓN DEL RIEGO DE AGREGADO (GRAVILLA) La aplicación del la roca se ejecuta con un distribuidor de gravilla o bien, con sistemas adaptados a tolvas de camiones de volteo. Por otro lado

Sistema convencional de aplicación Sistema de riego sincronizado EQUIPO DE COMPACTACION Deberá de contarse con equipo de compactación de neumáticos con un peso bruto de 5-8 TON con una presión ajustable de 14 – 17 kg/cm² (200 – 250 PSI) en los neumáticos. La velocidad de los compactadores deberá ser menor de 15 km/hr. La compactación de los agregados permite que la granulometría se incruste dentro del ligante asfaltico, forzando la penetración de la roca en la masa asfáltica de imprimación, resultando en un mejor acomodamiento de las partículas. BARREDORAS Se recomienda ejecutar el barrido con barredoras aspiradoras (vacuum sweepers) con presión negativa de aire (succión) para levantar el exceso de agregado posterior a la compactación. En América Latina son comúnmente aceptadas barredoras mecánicas.

FASE 2 – APLICACIÓN DEL MORTERO ASFALTICO NOTA.- La aplicación del mortero asfaltico eliminara completamente el desprendimiento de gravilla del tratamiento superficial y formando una micro-estructura que resistirá por varios años al tráfico y al clima. DEFINICION.- Se define como mortero asfaltico (Slurry Seal) a la mezcla asfáltica densa compuesta por agregados triturados, emulsión asfáltica, finos minerales, agua y aditivos que proporcionalmente mezclados por una maquina especialmente diseñada con este fin, los produce, los aplica y los esparce sobre una superficie limpia como recuperación superficial que provee propiedades antideslizantes y el sellado de la superficie de rodamiento. La interacción del mortero sobre el tratamiento superficial nos ofrecerá una micro carpeta de alta densidad que resiste al tráfico y al clima por varios años de servicio.

Aplicación de un Mortero Asfaltico convencional duran te la fase 2 del Sello del Cabo

Interacción de la mezcla densa del mortero asfaltico sobre el tratamiento superficial – Corte transversal

MATERIALES Por tratarse de una mezcla asfáltica densa se evaluaran agregados triturados y emulsión asfáltica catiónica a usarse en el Diseño de Mezcla para esta aplicación. AGREGADOS El material pétreo a ser utilizado deberá de ser evaluado para conocer sus características físico-químicas, con el fin de formular y producir la emulsión con las características y compatibilidad para el tipo de agregado del sitio o de la fuente seleccionada. El agregado mineral a usarse deberá ser del tipo y grado especificado para usarse en el mortero asfaltico. Deberá de ser producido de roca triturada de alta dureza y calidad solo o en combinación con otro, Se deberá asegurar que le material es totalmente triturado al 100 %. Pruebas de abrasión deberán ser ejecutadas antes de ser triturado. El agregado deberá de pasar valores de abrasión previamente aprobados. Una vez localizada la cantera o la fuente donde se proveerá el agregado, se procederá a la obtención de las curvas granulométricas, como a continuación se describe TAMAÑO MALLA

3/8 “ #4 #8 # 16 # 30 # 50 # 100 # 200

9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 1.18 mm 600 µ 300 µ 150 µ 75 µ

TIPO I % PASANTE

TIPO II % PASANTE

TIPO III % PASANTE

100 100 90-100 65-90 40-65 25-42 15-30 10-20

100 90-100 65-90 45-70 30-50 18-30 10-21 5-15

100 70-90 45-70 28-50 19-34 12-25 7-18 5-15

Granulometrías especificadas bajo normas ISSA (International Slurry Surfacing Association)

PRUEBAS DE CALIDAD EN LOS AGREGADOS Una vez localizados los agregados, estos deberán de cumplir los siguientes requerimientos:

Descripción de la prueba Equivalente de arena Durabilidad Resistencia abrasion

ASTM D 2419 C 88 C 131

AASHTO T176 T104 T 96

Especificación 45 min 15 % max Nₐ2SO4 - 25 % max MgSO

35 % min

EMULSION ASFALTICA La emulsión asfáltica deberá de cumplir normas especificadas para los diferentes tipos: CSS-1, CSS-1h, CQS1h incluso CQS-1p conforme normativas en ASTM D-3910 y el boletín de Directrices y Recomendaciones de Rendimiento para el Mortero Asfaltico Emulsificado ISSA A-105. Cada carga de emulsión asfáltica en sitio deberá de estar acompañada con un Certificado de Análisis para asegurar que es la misma usada en el Diseño de Mezcla.

Material Pruebas en emulsión Pruebas en el residuo

ASTM D 244 D 2397

AASHTO T 59 T 49

Característica Contenido residual Penetración a 25°C

Especificación 60 % min 40-90*

* deberán de considerarse las condiciones climatológicas en el sitio de aplicación

TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE PARTICULA En los Estados Unidos, es común el exigir al proveedor de emulsión el tamaño y distribución de partículas para comprobar el rendimiento de la emulsión en campo así como asegurar el comportamiento de ello durante la trasportación al sitio de aplicación. Existen en el mercado equipos electrónicos para determinar con exactitud esto valores de aseguramiento en el control de calidad.

Grafica del tamaño y distribución de partícula

Micro-fotografía de una emulsión asfáltica

DISEÑO DE MEZCLA La aplicación del mortero asfaltico debe obligatoriamente estar apoyada por un Diseño de Mezcla, certificado por un Laboratorio Especializado para este fin o en el caso más común apoyado por el por el laboratorio del proveedor de la emulsión asfáltica. Deberá de desarrollarse el Diseño donde se muestren pruebas de compatibilidad del agregado, emulsión, finos minerales, agua y si el caso lo requiere el uso de otros aditivos. El Diseño de Mezcla deberá de estar desarrollado con la misma granulometría del agregado previamente seleccionado por el responsable del proyecto de aplicación. Pruebas recomendadas con sus valores que deberán ser cumplidos: PRUEBA ISSA NO. ISSA TB 106 ISSA TB-139 ISSA TB-109 ISSA TB-114 ISSA TB-100 ISSA TB-113

DESCRIPCION Consistencia de la mezcla Cohesión en húmedo 30 minutos (ruptura) Cohesión en húmedo 60 minutos Exceso de asfalto por LWT adhesión de arena Cubrimiento en humedo Perdida por abrasión en WTAT, 1 hora Tiempo de mezclado*

ESPECIFICACION 3-4 12 kg/cm - min 20 kg/cm - min 538 gr/m² - máx. 90 % - min 807 gr/m² - max Bajo control a180 seg

* ejecutado a la máxima temperatura durante la aplicación

CMT- Cohesion Meter Test – ISSA TB-139

Pruebas de Cohesión en Húmedo.- Desarrolladas para comprobar compatibilidad e materiales, ruptura, curado de la mezcla y apertura al tráfico en el área de aplicación.

WTAT- Wet Track Abrasion Test

Pruebas de Abrasión en Húmedo (bajo agua).- Para determinación del contenido mínimo de asfalto en la mezcla. 800

WTAT

750

700 600

580

500 400

400

350

300

260

200

200

WTAT

100 0 10%

11%

12%

13%

14%

15%

Grafica después del desarrollo de pruebas WTAT

LWT- Loaded Wheel Test

Prueba de la rueda Cargada.- Para determinar el contenido máximo de asfalto en la mezcla

900

LWT

800

800

700 600

600

500

450

400 300

300 230

200

LWT

150

100 0 10%

11%

12%

13%

14%

15%

Grafica después del desarrollo de pruebas LWT DETERMINACION DEL CONTENIDO ÓPTIMO DE EMULSION EN LA MEZCLA Las dos grafica arriba mostradas se combinan en una sola matriz, la intersección de las dos graficas resultantes de en las pruebas, nos arrojara el contenido óptimo de emulsión asfáltica. Asimismo aun con contando con este punto grafico, se deberá de tomar en consideración las variantes del clima, altura sobre el nivel del mar, contenido de finos en la granulometría del agregado, calidad de la emulsión asfáltica en referencia al tamaño y distribución de partículas,

El laboratorio deberá reportar los efectos cuantitativos del contenido de humedad en unidades de peso del agregado (bulking effect). El reporte deberá claramente mostrar las proporciones del agregado, emulsión asfáltica, finos minerales (min & máx.) agua (min & máx.) aditivo (cantidad de uso) basados en el peso seco del agregado.

Fotografías del proceso constructivo

Aplicaciones del mortero asfaltico como parte de la segunda fase en Sello del cabo

Fotografía para observar en detalle durante la aplicación del Sello del Cabo

Fotografía (Rancagua Chile - 2010) de aplicación de Sello del Cabo después de 6 años de su aplicación.

Aplicación de Sello del Cabo en Overland Park área en Kansas City MO - USA

Bibliografía.-Asphalt Institute Manual MS-11 – Asphalt Emulsions -Recommended Performance Guidelines for Emulsified Asphalt Slurry Seal – ISSA A-105 May 2003 -Recommended Performance Guidelines for Micro Surfacing – ISSA A-143 May 2003 -State of Practice and Design, Construction and Performance of Micro Surfacing-Publication FHWA SA-94-051June 1994 -Ballou Construction Inc. Salina KS USA. -Vance Brothers Inc. Oklahoma City USA. -Etnyre Equipment Technical Presentation – Chip Seal -Evaluation of Cape Seals as a Pavement Rehabilitation Alternative – Thomas W. Kennedy & Mansour Solaimanian – T Texas Department of Transportation / US Department of Transportation / Federal Highway Administration – Oct 1998

Experiencias en el control de calidad de mezclas asfálticas en caliente Vinicio A. Serment Guerrero, SCT / Diana Berenice López Valdés, PACCOCSA [email protected] / [email protected]

Resumen. Desde la implementación del protocolo de diseño de mezclas asfálticas con protocolo AMAAC en el 2009, se ha visto la necesidad de dar seguimiento a la producción, tendido y compactado de la mezcla asfáltica. El éxito de la implementación del protocolo de diseño de mezclas de alto desempeño corresponde un 30% a la buena selección de los materiales asfálticos y de agregado pétreo; y el 70% corresponde a la producción, tendido y compactado. Es por esto, dando seguimiento a varios tramos de prueba y definitivos que nos hemos dado a la tarea de hacer una serie de recomendaciones en función de estas experiencias generadas en diversos tramos en algunos de los estados de la república mexicana. Palabras clave: control de calidad, informe de diseño, supervisión. Introducción. “Calidad significa hacer lo correcto cuando nadie está viendo” Henry Ford Cuando pensamos en implementar protocolo algunos nos parece algo nuevo y a otros un tanto complicado. En realidad no es tan complicado como se escucha. Es retomar la esencia de nuestras buenas prácticas en el diseño, producción y colocación de la carpeta asfáltica y en complemento, es adoptar ensayos de simulación que nos ayuden a verificar el comportamiento de la mezcla asfáltica. Para ello, debemos dar seguimiento a los trabajos previos a la producción de la mezcla, durante la producción, tendido y compactado de la mezcla asfáltica. Es aquí donde el papel del supervisor y del ingeniero residente se vuelve de suma importancia para el buen seguimiento del control de calidad. En este documento se trata de plasmar, aunque parezca obvio, las interrogantes u omisiones que se dan durante el control de calidad de la mezcla asfáltica. Considerando este planteamiento se enumeran tres actividades fundamentales que se desglosan en otras de no menor importancia, pero que forman parte de estos mismos puntos. 1. Antes de iniciar los trabajos de producción de la mezcla asfáltica se debe realizar una evaluación de: a) Laboratorio de control de calidad. Que Cumpla con los requerimientos de equipo, condiciones ambientales y personal calificado para la realización de los ensayos correspondientes a: o Calidad de agregados. o Calidad de asfaltos. o Calidad de la mezcla asfáltica.

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b) Requerimientos de planta trituradora y el banco de materiales. Asegurar que la producción se mantenga constante, por medio de la evaluación de la granulometría correspondiente al diseño. La planta debe tener al menos tres materiales de distinto tamaño para poder llevar un buen control de la distribución granulométrica especificada por el diseñador. Es importante cuidar la zona de explotación en el banco sea del volumen y características requeridas, ya que en ocasiones podemos encontrar zonas contaminadas con paquetes de arcilla o lutitas que contaminan el material pétreo seleccionado para la mezcla asfáltica, o en su caso no ser suficientemente grande para cubrir las necesidades de la obra. c) Calidad de agregados (puntos importantes a considerar). La frecuencia de muestreo en agregados para la mezcla asfáltica debe ser lo especificado en la norma SCT. Se debe cuidar que el material no varíe, significativamente, en sus características de origen: densidades, desgaste de los ángeles y micro-Deval, equivalente de arena y azul de metileno. De proceso: granulometría, forma de la partícula (angularidad, caras fracturadas, alargadas y lajeadas), adherencia. Cualquier cambio importante en alguno de estos parámetros de las características de origen o de proceso debe ser motivo de una revisión detallada, y en su caso un rediseño de la mezcla asfáltica. La selección de la estructura del agregado pétreo es fundamental para asegurar un buen cuerpo en la mezcla, y para que pueda ser construida la carpeta asfáltica con los espesores requeridos. Cuando no se conoce el nivel de tránsito, se recomienda realizar evaluaciones con una distribución granulométrica densa fina, gruesa e intermedia. Si es conocido el nivel de tránsito y los espesores de la carpeta asfáltica, se pueden ir directamente a seleccionar la estructura que mejor se adapte a sus necesidades de desempeño. Si no cuenta con la experiencia suficiente para hacer esta selección se recomienda realizar varias propuestas para evaluar el cumplimiento de la volumetría y el desempeño requerido. d) Requerimiento del asfalto Se debe evaluar que el grado PG corresponda a las condiciones climáticas, del nivel de tránsito e importancia de la carretera, así como de la velocidad de operación con la que se proyecto. Se debe tomar una muestra de asfalto cada tanque para su evaluación correspondiente en laboratorio en cumplimiento con las características del grado PG que corresponda en el laboratorio central. Es importante que el informe del diseño de la mezcla asfáltica cuente con la descripción del asfalto utilizado, tanto las características mencionadas en la normativa como el nombre del productor, el aditivo o modificador que utilizará, como nota de referencia. Ya que si se cambia de refinería, de producto utilizado para mejorar la adherencia o modificador del asfalto; puede influir en el comportamiento final de la mezcla asfáltica. Y si fuera el caso, se debe constatar que sigue existiendo el mismo comportamiento, reológico, físico (adherencia y TSR) y mecánico (deformación permanente) de la mezcla asfáltica y en su caso llevar a cabo un rediseño de la mezcla asfáltica.

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En campo se puede apoyar de los ensayos de anillo y bola, recuperación elástica por ductilómetro o recuperación elástica por torsión; previamente establecido el comportamiento (parámetros esperados) en laboratorio para el grado PG especificado, para la aceptación o rechazo de la remesa de asfalto. Adicionalmente, se recomienda realizar el ensayo de punto de inflamación Cleveland para seguridad de la planta, si existe duda sobre la procedencia del asfalto se recomienda pasar la flama entre los 50 y 60° para descartar la presencia de solventes. e) Informe de diseño de mezcla asfáltica (Revisión del diseño y requerimientos mínimos en el informe de resultados) Al menos debe contener las características del asfalto y agregado pétreos utilizado, según los parámetros del protocolo PA MA 01/2011. Los rangos de tolerancia granulométrica se encuentran en el protocolo de control de calidad AMAAC-PA/02. Establecer los parámetros para la selección del contenido óptimo del asfalto y volumetría de la mezcla asfáltica obtenida, cotejar que cumpla con los requerimientos y que los parámetros sean congruentes. Se requiere informe de resultados de los ensayos de TSR y Hamburgo incluyendo fotos representativas. 2. Durante la producción de la mezcla asfáltica a) Revisión en planta: o Lista de verificación de los requerimientos mínimos de la planta (N-CTRCAR-1-04-006-09). o Almacenamiento del agregado pétreo. Si el material pétreo es cargado en la parte alta del cono de almacenamiento del material, es fácil que el material grueso se encuentre fuera de esta toma y en la parte inferior del cono.

Figura 1. Segregación del agregado pétreo Por lo que es recomendable que la altura del cono sea excesiva, y cargar el material de abajo hacia arriba para posteriormente ser introducido en las tolvas o en su caso para depositarlo en el patio de almacenamiento del material por capas.

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Figura 2. Correcto acomodo del material pétreo La figura anterior muestra el correcto acomodo del material pétreo para evitar segregaciones.

Figura 3. Inaceptable acomodo del material pétreo. o Ajuste de fórmula de trabajo en planta. Para un adecuado control de la granulometría es recomendable contar con al menos tres tolvas. Durante la calibración de la planta en seco, se debe realizar las evaluaciones de combinación de materiales hasta lograr ajustarla a la distribución granulométrica propuesta en el informe de diseño dentro de la tolerancia presentada en el protocolo de control de calidad PA MA 02/2008, considerando que estas tolerancias queden dentro de los puntos de control. En este punto se debe verificar que el material se encuentre seco. o Las tolvas pueden ser no alimentadas uniformemente. Si no se realiza adecuadamente puede generarse la segregación del material o en su caso una mala dosificación a la banda transportadora por falta de alguno de los materiales.

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Figura 4. Llenado de tolvas. o Calibración y ajuste del porcentaje de cemento asfáltico en planta. Se adiciona el cemento asfáltico y se verifica el contenido de cemento asfáltico bajo la norma de SCT para muestreo de mezcla asfáltica. Se puede corroborar el contenido de cemento asfáltico con equipo Rotarex (con tricoloetileno) u horno de ignición. o Tambor mezclador. Asegurarse que las paletas del tambor mezclador estén en buenas condiciones para ayudar a un adecuado secado e incorporación del asfalto. Partículas grandes generalmente vuelan a través del tambor mezclar más rápidamente que las partículas pequeñas. Sugerencia, realizar el proceso de mezclado a la velocidad adecuada para lograr la homogenización de los materiales.

Figura 5. Tambor mezclador.

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o La caída a los canjilones de distribución de la mezcla.

Figura 6. Transportación de la mezcla al silo. o Agitadores y contenedores de almacenamiento. La abertura de salida del silo de almacenamiento, debe considerar un ángulo de de aproximadamente 60° para la salida en el punto de descarga y la abertura no sea excesiva, ya que pudiera generar segregación.

Figura 7. Shut de descarga. o Carga y descarga de camiones. La carga de camiones en una sola toma puede causar segregación de las partículas a los costados del camión.

Mal acomodo de la mezcla asfáltica

Buen acomodo de la mezcla

Figura 8. Acomodo de la mezcla asfáltica en el camión.

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o Requerimientos en el laboratorio de planta (equipo y personal mínimo, y condiciones ambientales), durante la producción, se deberá realizar el muestreo de mezcla asfáltica para realizar ensayos de Gmm, granulometría y contenido de cemento de cemento asfáltico al inicio para ajustar la planta, a cada 4to. o 5to. camión durante el primer día. Si la producción se mantiene estable, los días subsecuentes se puede extender la frecuencia de muestreo, considerando uno al inicio de la producción, y el resto cada 6h si la producción es continúa durante todo el día cubriendo 12h o más. o Se recomienda al menos una muestra después del 4to camión y otra a mitad de la producción para tener parámetros de TSR. 3. Durante el tendido y compactado. Los procesos transporte, tendido y compactación contribuyen, en gran medida, al desempeño de la carpeta asfáltica terminada. a) Revisión en campo: o Debe revisarse que el estado físico del equipo de compactación sea el adecuado, además previo al inicio de los trabajos definitivos debe llevarse a cabo un tramo de prueba para establecer los patrones de compactación (número de pasadas, velocidad del equipo, etc.). o Requerimientos de camión transportador de mezcla (Lista de verificación del camión, N-CTR-CAR-1-04-006-09), debe estar cubiertos con lona. Se recomienda utilizar algún desmoldante (compatible con el asfalto utilizado, verificar con el proveedor del asfalto), y por ningún motivo permitir el uso de solventes para limpiar los camiones. También influye aquí la forma en que se descarga el camión a la tolva de la pavimentadora, cuando se usan camiones de descarga por volteo, entre más grande sea el camión, mayor será la caída del material, lo cual conduce a mayor segregación; recordando que la caja debe levantase lentamente para reducir este efecto. El equipo de transporte debe contar con aislante térmico y la mezcla SIEMPRE debe ser cubierta por lonas durante su traslado al frente de obra, para reducir al mínimo la segregación térmica.

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Figura 9. Adaptador en el camión. o El colocar un adaptador como el que se muestra en la imagen podría ser también una solución para evitar la segregación del material al momento de verterlo en la tolva de la pavimentadora. También es recomendable no utilizar equipos de caja demasiado larga para evitar la segregación del material al momento de verterlo en la extendedora. o Una forma para uniformizar la mezcla asfáltica es el silo móvil o “buggy” (para remezclado y transferencia de la mezcla asfáltica). Al no contar con este equipo se seguirán presentando problemas de segregación en la mezcla asfáltica y con ello densificación (compactación) diferencial.

Figura 10. Silo móvil, Buggy.

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o Requerimientos de la pavimentadora/finisher (lista de verificación, NCTR-CAR-1-04-006-09). o Requerimientos de los rodillos (N-CTR-CAR-1-04-006-09) o Condiciones climáticas (N-CTR-CAR-1-04-006-09) o Trabajos previos (N-CTR-CAR-1-04-006-09) o Tramo de prueba (Requerimientos a evaluar en campo, (N-CTR-CAR-104-006-09) o Tendido de la mezcla (N-CTR-CAR-1-04-006-09) En la pavimentadora (extendedora), puede ocurrir segregación, como resultado de una mal operación tolva (falta de material), velocidad del tornillo sin fin, y disturbios en la pavimentadora al estar en movimiento.

Figura 10. Acomodo de la mezcla asfáltica en la extendedora. Este es un ejemplo de la mala o correcta operación de la pavimentadora. Un correcto llenado de la tolva y los canjilones reduce la segregación del material. Se recomienda revisar el ajuste de los tornillos de ajuste del faldón de la extendedora para evitar la segregación en los laterales.

Figura 11. Tornillos de ajuste.

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o Compactación de la mezcla (N-CTR-CAR-1-04-006-09) Se debe contar con las gráficas de viscosidad-temperatura para establecer la temperatura de compactación o solicitar al proveedor del asfalto la temperatura sugerida, en caso de que el asfalto sea modificado. 4. Muestreo en tramo (campo) durante la construcción. Es muy importante dar seguimiento a la temperatura de tendido y compactado durante la construcción de la carpeta asfáltica. Se debe evaluar preferentemente como mínimo el grado de compactación en la carpeta asfáltica, cada 50 m. Para medir el porcentaje de compactación, lo más conveniente es utilizar equipos no destructivos, para reducir al mínimo la extracción de corazones tanto por costo como por los daños que se producen la estructura de pavimento.

Figura 12. Densímetro y extracción de núcleo. Para la evaluación de las características mecánicas (deformación permanente) se recomienda extraer núcleos a cada 500 m (pares hermanados), estos deben ser de 8 o 10 pulgadas, o en su caso rectangulares de 15x30 cm. Cada 200 m corroborar el índice de perfil y el valor de fricción correspondiente, según la normativa N.CTR.CAR.1.04.006/09. La durabilidad del pavimento estará no sólo en función de las características de los materiales utilizados en cada capa, y el diseño correspondiente, sino también en la construcción y el acabado final de esta estructura de pavimento. 5. Cartas de control Un programa efectivo de control de calidad es la llave para el éxito de un proyecto de construcción de carretera. Es normal que existe una variabilidad durante el proceso de construcción, lo importante es que no sea demasiado grande esta variación, que exceda los límites permitidos de las tolerancias especificadas para cada una de las variables de control.

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Conclusiones. No basta con definir un proyecto, hay que darle seguimiento. El control de calidad se vuelve primordial para el éxito de la obra. La responsabilidad de la supervisión, es vigilar que la construcción de una obra se lleve a cabo siguiendo los lineamientos que marca el proyecto y apegándose al más estricto control de la calidad, tanto de los materiales, como de los equipos de construcción y mano de obra, para llevar a buen fin la obra encomendada. Para este propósito, deberá de contar con el apoyo de un laboratorio de control de calidad, con el equipo necesario y personal capacitado, que le permita realizar pruebas aleatorias a los materiales que son utilizados en los diferentes procesos de la obra, para que con los resultados obtenidos de las pruebas realizadas pueda exigirle a la constructora el cumplimiento de la calidad de la obra. Por lo que, es necesario asegurarse que los materiales pétreos y asfálticos cumplan estrictamente con la calidad solicitada. Asegurarse que el material pétreo que se reciba en la planta sea el mismo que el empleado para el diseño de la mezcla. Garantizar que el manejo de los materiales pétreos en la planta sea el adecuado a fin de evitar segregación y contaminación. La dosificación de materiales debe ser uniforme. Debe contarse con una planta de al menos tres tolvas, con separadores para evitar mezclar los diferentes tamaños de pétreos. Controlar estrictamente las temperaturas en todo el proceso (mezclado, tendido y compactado). Es conveniente usar el equipo de transferencia de mezcla. Y es indispensable hacer el tramo de prueba para definir los patrones de compactación y la secuencia de llegada y suministro de la mezcla asfáltica. La extendedora debe usar controles automáticos. Deben cuidarse las tolerancias en los parámetros de calidad en las diversas capas de las terracerías, ya que son el cimiento de la carpeta asfáltica. Así como mantener rangos de variación dentro de lo aceptable de las características propias de la mezcla asfáltica. “La calidad nunca es un accidente, siempre resulta de cuatro cosas: intención, esfuerzo sincero, dirección inteligente y ejecutoria con talento” W. Foster. Referencias. Normas SCT (normas.imt.mx) Protocolo PA MA 01/2011 Protocolo PA MA 02/2008

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Catálogo de secciones estructurales de pavimentos para la República Mexicana M. en I. Víctor Alberto Sotelo Cornejo Director de Estudios de la DGST-SCT [email protected] Dr. Mauricio Centeno Ortiz Soluciones e Ingeniería en Vías Terrestres, S.A. de C. V. [email protected]

Introducción En México se está realizando una fuerte inversión en carreteras. Cada administración asigna una mayor cantidad de recursos económicos a la construcción de nuevas carreteras y la conservación de las actuales. Esta tendencia parte del reconocimiento de que la infraestructura (en particular las carreteras), es necesaria para detonar el desarrollo económico del país. Dada esta tendencia es necesario hacer un alto y reconocer que no solo se necesitan más recursos económicos para mejorar la infraestructura, sino que se debe utilizar de una manera más racional buscando obtener el máximo beneficio de la inversión. Ante esta necesidad la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), como responsable de brindar apoyo técnico integral y multidisciplinario para la planeación, estudio, diseño, proyecto, construcción, conservación y operación de la red nacional de carreteras, se ha planteado diferentes tareas en las que utilizando tecnología de punta, se provean soluciones que permitan optimizar los recursos y se maximice la inversión que se realiza en el sector. Una de las tareas planteadas fue el desarrollo de una metodología para la revisión y diseño de pavimentos para carreteras, ya que la Dirección General de Servicios Técnicos, en sus tareas cotidianas, diseña y revisa proyectos para la construcción, rehabilitación y modernización de carreteras, por lo que planteó la realización de un “Catálogo de secciones estructurales de pavimentos”, que contribuya a que las carreteras de nueva construcción y las existentes rehabilitadas, cuenten con una estructura mínima de pavimento que asegure un buen comportamiento ante las cargas de tránsito, durante su horizonte de proyecto. En dicho “Catálogo de Secciones Estructurales de pavimentos para la República Mexicana” se incluyen pavimentos flexibles, rígidos y mixtos, para carreteras normales y de altas especificaciones.

Objetivo del proyecto La Dirección General de Servicios Técnicos llevó a cabo durante el año 2012, un proyecto para el desarrollo de un “Catálogo de secciones estructurales de pavimentos para la República Mexicana”. El objetivo principal del trabajo fue el desarrollo de una herramienta que permitiera verificar de manera rápida que los proyectos de espesores de pavimentos que se ejecutarán en el futuro en México tengan una estructuración mínima que asegure alcanzar la vida de proyecto definida. Los catálogos de secciones estructurales para pavimentos no representan una idea nueva. En otros países con pavimentos con elevados niveles de servicio, se ha venido utilizando esta herramienta de manera regular. Los catálogos han servido como referencia para determinar los espesores mínimos y las propiedades mecánicas de los materiales que se utilizan en la integración de pavimentos. Cabe hacer la aclaración que todos los catálogos parten de la integración de una gran cantidad de variables en un número reducido de ellas, buscando que el catálogo sea práctico y aplicable a la mayoría de las situaciones. Es por ello que existen casos particulares que no están considerados y para los cuales es mandatorio un diseño de pavimentos específico. Incluso, se debe considerar obligado cualquier diseño de pavimento desarrollado ex profeso para un proyecto en particular sobre lo indicado en el catálogo, el cual debe concebirse como una guía de los espesores mínimos que debe tener una estructura de pavimento.

Desarrollo del proyecto Para el desarrollo del Catálogo se definieron con toda precisión los diferentes tópicos relacionados con el diseño de las estructuras de pavimentos, como son: las variables que influyen en el comportamiento mecánico de los pavimentos, los procedimientos de evaluación de materiales (incluido el plan de muestreo), el tránsito y los métodos de diseño de espesores de pavimentos utilizados en México. Para la planeación del proyecto se determinaron las siguientes actividades: 1. 2. 3. 4. 5.

Regionalización de la República Mexicana por tipo de terreno natural y factores climáticos Definición de rangos de tránsito en función del análisis de datos viales del país Muestreo y evaluación de materiales Diseño de estructuras de pavimentos Integración del documento final

A continuación se describe de manera breve la metodología seguida para el desarrollo de cada una de las etapas del proyecto.

1. Regionalización de la República Mexicana La regionalización del país se realizó considerando las variables que tienen mayor influencia en el comportamiento estructural de los pavimentos, esto es, el terreno natural, las temperaturas máximas y mínimas y la precipitación pluvial máxima. Estas variables distribuidas en el territorio nacional abarcan una gran diversidad de valores, por lo que para facilitar su manejo se utilizó un Sistema de Información Geográfica (SIG) mediante el software ArcMap versión 9.3. Así, esa gran cantidad de datos se pudo distribuir espacialmente por variable, para posteriormente definir zonas (por rangos) que compartían valores para cada indicador, cada una de las cuales se denominó región. De esta manera fue posible establecer para cada región un valor crítico para cada una de las variables (terreno natural, temperaturas y precipitación) para realizar el diseño de los espesores de pavimentos con los materiales definidos. Terreno natural Para el análisis del terreno natural se estableció como base el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) como el parámetro para catalogar la diversidad de suelos del país. Se utilizó el SUCS ya que es ampliamente conocido en el medio y con aplicación universal en el campo de la mecánica de suelos. La DGST a través de las Unidades Generales de Servicios Técnicos (UGST) obtuvo la información de los diferentes tipos de suelos que conforman el territorio nacional, utilizando la clasificación SUCS, y el CBR para los diferentes tipos de terreno natural que existen en cada estado de la República. Esta información surgió de los registros de los estudios (dictámenes) realizados durante varios años en las carreteras de cada estado. La DGST concentró esta información, la que sirvió de base para determinar las características de los suelos que se tienen en el país. Esta información se clasificó y se integró al SIG antes mencionado. En el SIG se realizaron una serie de aproximaciones gráficas de los datos puntuales de tipo de terreno natural para generar regiones con los diferentes tipos de suelos. El resultado de esas operaciones gráficas se muestra a continuación.

Figura 1. Regionalización del terreno natural por tipos de suelos (SUCS) y rocas

Temperaturas máximas y mínimas, y precipitación máxima por región Para la información geográfica se recurrió a la base de datos del Sistema Meteorológico Nacional. Se consideró la información diaria del 2007 al 2011 para cada estación hidrométrica en cuanto a temperaturas y precipitación. Con la información de las estaciones hidrométricas se llevó a cabo un procedimiento similar al llevado a cabo con los datos del terreno natural. En el cual se elaboró una serie de operaciones gráficas en el SIG para determinar regiones con temperatura máxima, temperatura mínima y precipitación máxima dentro de los rangos establecidos. Estos rangos se definieron en función de los valores máximos y mínimos para cada variable, buscando que el número de estaciones que hubiera en cada rango fuera el mismo. El resultado de esta zonificación para cada variable se muestra en las siguientes figuras.

Figura 2. Zonificación de la República Mexicana por rangos de temperatura máxima

Figura 3. Zonificación de la República Mexicana por rangos de temperatura mínima

Figura 4. Zonificación de la República Mexicana por rangos de precipitación máxima

Integración de variables Una vez definidas las variables climáticas (temperatura y precipitación) y sus zonas por rangos, se realizó la integración de toda la información (superposición de los mapas de las figuras 2 a 4). Este proceso también se realizó mediante operaciones gráficas que dieron como resultado el mapa que se muestra a continuación.

Figura 5. Regionalización de la República Mexicana con la integración de variables climáticas (temperatura y precipitación) con tipos suelos en el terreno natural

Esta regionalización es meramente referencial. Dentro del catálogo se muestra el procedimiento que hay que seguir para determinar para un proyecto específico cuál es la región a la que pertenece. La selección de la región (R) donde se encuentra el proyecto es de suma importancia, ya que junto con el tránsito se hace la elección de las secciones estructurales adecuadas para el pavimento analizado. 2. Definición de rangos de tránsito Para la evaluación y clasificación del tránsito se determinó llevar a cabo el análisis mediante la conversión del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 t, siguiendo el procedimiento establecido por el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Se eligió este procedimiento ya que es de uso común entre los proyectistas del país desde hace muchos años. Los tramos que se consideraron para el cálculo del tránsito para un periodo de proyecto de 20 años fueron los mismos que se tomaron para el muestreo de materiales, además de otros adicionales. Este muestreo de los tránsitos del país engloba desde autopistas hasta carreteras pavimentadas de bajo tránsito. Se calcularon los tránsitos, los cuales iban desde un millón de ejes equivalentes en el horizonte de proyecto hasta casi 100 millones de ejes equivalentes para el mismo proyecto. Analizando los datos se determinó que la EE (suma de ejes equivalentes) para un periodo de proyecto de 20 años, se podría agrupar en 5 rangos de acuerdo a la tabla que se muestra a continuación. Rangos de tránsito

EE1

EE2

EE3

EE4

EE5

Suma de ejes sencillos equivalentes

< 10,000,000

10,000,000 20,000,000

20,000,000 40,000,000

40,000,000 80,000,000

> 80,000,000

Tabla 1. Rangos de tránsito definidos para el Catálogo de Secciones

Estos rangos de tránsito pretenden agrupar todos los niveles de tránsito que se presentan en el país. Adicionalmente y con base en la experiencia con que se cuenta en el medio, se establecieron estos rangos con el propósito de agrupar tránsitos que requieren estructuras similares y separar aquellos tránsitos que requieren de estructuras más robustas. 3. Muestreo y evaluación de materiales El muestreo y evaluación de materiales utilizados en carreteras en México se realizó de dos maneras. La primera fuente fue el material proveniente de sondeos realizados en carreteras existentes. En estos sondeos se extraía material representativo de cada capa y se llevaba al laboratorio para su evaluación. La segunda fuente de materiales fue el proveniente de diferentes bancos. El muestreo de materiales siguió un plan que entre otros objetivos buscó ser incluyente de todos los materiales que se utilizan en carreteras en el país. Para ello geográficamente se realizó la selección de los sitios donde se iban a extraer las muestras.

Los sondeos se realizaron en las carreteras que se muestran en el siguiente mapa.

Figura 6. Distribución de los sondeos en la República Mexicana

Una vez realizados los sondeos, el material se envió al laboratorio para su evaluación. La evaluación de los materiales consistió en realizar los ensayos indicados en la Normativa para la Infraestructura del Transporte para cada uno de los materiales según correspondía. A los materiales granulares se le realizaron ensayos geotécnicos (de caracterización), CBR y módulo resiliente (según la norma AASHTO T307). Para el caso de las mezclas asfálticas se realizó el ensayo de módulo resiliente (de acuerdo a la norma ASTM D4123) y para el caso del concreto hidráulico se realizó el ensayo de resistencia a compresión simple para obtener su f’c. Con la gran cantidad de ensayos practicados se realizó un análisis de la información y se determinaron valores mínimos de módulo Resiliente y f’c, según corresponda, que deberán cumplir los materiales que son utilizados en la construcción o rehabilitación de carreteras. Los valores encontrados son parte del catálogo, ya que definen las restricciones a las propiedades mecánicas para los materiales por utilizar. Estos valores se muestran en la siguiente tabla. Módulos Resilientes, kg/cm

2

CA

BH

BEA

SB

SR

≥ 35,000

≥ 3,000

≥ 30,000

≥ 2,000

≥ 1,200

CA = Carpeta Asfáltica, BH = Base Hidráulica, BEA = Base con Asfalto, SB = Subbase, SR = Subrasante

Tabla 2. Características mecánicas mínimas para los materiales

Para el concreto hidráulico se considera un f’c mínimo a los 28 días de 350 kg/cm2 y un módulo de reacción de la subrasante (k) de 17 kg/cm3.

4. Diseño de estructuras de pavimentos El diseño de estructuras de pavimentos se llevó a cabo utilizando dos métodos que han sido utilizados por mucho tiempo en nuestro país. Estos son: Método de diseño para pavimentos flexibles del Instituto de Ingeniería de la UNAM (en su versión computarizada, DISPAV) y para pavimentos rígidos y mixtos el método de AASHTO en su versión del año 1993. Las estructuras de pavimentos diseñadas consideraron los valores más críticos tanto para la resistencia de materiales como para las temperaturas, terreno natural, precipitación y tránsito para el rango correspondiente. De esta manera se puede asegurar que las estructuras propuestas son adecuadas para cualquier condición considerada en ese rango de valores. 5. Integración del documento final En el documento final se agruparon todos los resultados que se han mostrado en este artículo. Esta integración buscó proveer al usuario del Catálogo de una guía de fácil utilización para poder seleccionar entre las alternativas propuestas (para las condiciones particulares del proyecto), aquella que resulte económicamente más conveniente. Y no solo eso, sino que, como se mencionó al principio de este documento, se pudiera utilizar el Catálogo para comparar las estructuras propuestas con los diseños de pavimentos que se encuentren en revisión. El documento final se integró por diferentes apartados, donde se explica la metodología de utilización del mismo, definición de región del proyecto, el ámbito de aplicación, los objetivos, definiciones, ejemplo, anexos y las secciones de pavimentos. A continuación se muestra una parte del Catálogo, con la cual se pretende ejemplificar la manera en la cual se organizaron las secciones estructurales.

Figura 7. Ejemplo de organización de opciones de estructuras para una región y tránsito dados

Tal como se observa en la figura 7 para cada par de valores de rango de tránsito (EE) y región (R), se tienen un conjunto de secciones estructurales, normalmente se encuentran al menos las opciones de pavimento flexible y rígido. Estas secciones estructurales son equivalentes entre sí, es decir, están proyectadas para un mismo horizonte de proyecto de 20 años. El diseñador deberá seleccionar la sección que más le convenga desde el punto de vista de inversión, disponibilidad de materiales, facilidad de construcción, prestaciones funcionales, etc. Por lo tanto, para la utilización del catálogo, el último paso consiste en realizar un estudio costobeneficio entre las diferentes alternativas, a fin de seleccionar la mejor para las condiciones particulares del proyecto. En el Catálogo de secciones se incorporó un ejemplo de utilización para facilitar al usuario la aplicación del documento.

Conclusiones El Catálogo de secciones estructurales para pavimentos para la República Mexicana es una aportación de la DGST-SCT a las personas involucradas en desarrollo de proyectos de estructuras de pavimentos. En su constitución el catálogo utiliza tanto técnicas de diseño bien conocidas como innovadores métodos de ensayo de materiales. Así, la DGST-SCT ha logrado incorporar una herramienta vanguardista para el diseño de pavimentos, sin perder la referencia respecto a lo que se puede aplicar y lo que no se puede aplicar en México. La siguiente etapa de este proyecto consiste en la difusión y aplicación del catálogo, buscando la retroalimentación de los usuarios del documento, para sus posteriores mejoras.

Bibliografía

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VIII Congreso Mexicano del Asfalto

Catálogo de secciones estructurales para pavimentos de la República Mexicana

M. en I. Víctor Alberto Sotelo Cornejo

Agosto de 2013

Qué es? • El catálogo de secciones es una guía de pavimentos convencionales que pretende servir de referencia a proyectistas y en general a las personas que están involucradas en el diseño o revisión de estructuras de pavimentos • Tiene un carácter general, aunque se pretende que se aplica a casos particulares

Estructuras tipo consideradas

En qué se basa? • En el diseño de pavimentos rígidos y flexibles bajo métodos conocidos y frecuentemente utilizados en México – Instituto de Ingeniería de la UNAM (flexibles) – AASHTO 1993 (rígidos)

• Con la EVALUACIÓN de materiales de toda la República (de banco y de carreteras existentes)

Esquema del proyecto Análisis de datos del terreno natural

Análisis de datos climáticos

Análisis multifactores

Regionalización Proceso de datos de tránsito Diseño de estructuras

Muestreo Ensayos de laboratorio

Regionalización • Instituto de Geografía de la UNAM • Sistema de Información Geográfica de Carreteras (SIGCI) • Factores que se tomaron en cuenta para la regionalización del país en 5 zonas (tienen influencia en el comportamiento estructural del pavimento) – – – –

Temperaturas máximas Temperaturas mínimas Precipitación máxima Terreno natural

Temperaturas máximas • Información oficial del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) • Datos de las temperaturas máximas de los últimos 5 años registrados • Rango es de 10.7° a 47.4°

Temperatura máxima

Temperatura mínima • Información oficial del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) • Datos de las temperaturas mínimas de los últimos 5 años registrados • Rango es de -14.0° a 27.0°

Temperaturas mínimas

Precipitación máxima • Información oficial del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) • Datos de la precipitación máxima de los últimos 5 años registrados • Rango es de 0.00 mm a 546.9 mm

Precipitación máxima

Terreno natural • Clasificación de los suelos mediante el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), así como los tipos de rocas • En base a la clasificación se determinó una “aptitud” del terreno natural, es decir, entre más alta es la aptitud, el terreno natural tiene mayor capacidad estructural y se reduce la necesidad de refuerzo del terreno.

Terreno natural

Aptitud del terreno natural No.

SUCS

Descripción

Aptitud

1

OH

Limos o arcillas orgánicas de alta plasticidad

Muy baja

2

OL

Limos o arcillas orgánicas de baja plasticidad

Muy baja

3

CH

Arcilla de alta plasticidad

Baja

4

CL

Arcilla de baja plasticidad

Media

5

MH

Limo de alta plasticidad

Baja

6

ML

Limo de baja plasticidad

Media

7

SC

Arena arcillosa

Alta

8

SM

Arena limosa

Muy Alta

9

SP

Arena mal graduada

Alta

10

GC

Grava arcillosa

Muy Alta

11

GM

Grava Limosa

Muy Alta

12

GP

Grava mal graduada

Muy Alta

13

Fmg

Rocas

Muy Alta

Criterio de integración de pavimentos Se definió en base a la experiencia el impacto que tiene cada parámetro en el comportamiento estructural de los pavimentos mexicanos • • • •

Temperatura máxima Temperatura mínima Precipitación Terreno natural

30% 15% 20% 35%

Regionalización por factores considerados

Explotación y muestreo por regiones • El objetivo fue obtener materiales de todas las regiones de la República Mexicana para evaluarlos en laboratorio • Análisis probabilístico del tamaño de la muestra – Red 48,319 km y 2,714 bancos – Nivel de confianza 90% – Tamaño de la muestra 271 km, distribuidos en 88 tramos y 66 bancos de materiales

Total de muestras • En cada km se establecieron 3 estaciones con la obtención de 3 núcleos por estación • En cada km se realizó un PCA hasta una profundidad aprox. de 90 cm • En cada banco de material se muestrearon todos los materiales disponibles

Distribución de los tramos de muestreo

Actividades de sondeos • Pozo a Cielo Abierto (PCA) • Extracción de núcleos de 10 cm (4”) de diámetro

Pruebas de laboratorio y obtención de resultados geotécnicos • Módulo resiliente de mezclas asfálticas y capas granulares (base, subbase y subrasante) • Resistencia a la compresión simple del concreto • Contenido de agua • Equivalente de arena • Límite líquido • Límite plástico • Composición granulométrica • Valor de Soporte de California (CBR)

Módulo resiliente Mezclas asfálticas y bases estabilizadas con asfalto ASTM D 4123

Capas granulares AASHTO T 307

Módulo resiliente en capas granulares • Es un modelo de comportamiento del suelo y no un número. • Dependiente de su función (Bases o subrasante) tiene los factores: – Presión de confinamiento – Esfuerzo desviador

Módulos en capas granulares Módulo Resiliente

Módulo Resiliente para subrasante 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0

Series1 Polinómica (Series1) 0

10

20

30

40

50

60

70

Esfuerzo desviador

Módulo Resiliente

Módulo Resiliente para una Base/Subbase 2500000 2000000 1500000 1000000

Series1

500000

Polinómica (Series1)

0 0

50

100

150 Esfuerzo desviador

200

250

300

Esfuerzo a compresión simple Base estabilizada con cemento

Concreto hidráulico

Valor Soporte de California (CBR)

Calidades de los suelos • • • • •

Composición granulométrica Contenido de agua Equivalente de arena Límite líquido Límite plástico

Número total de ensayos • En términos generales se realizó el siguiente número de ensayos: – 747 módulos resilientes en mezcla asfáltica – 50 f´c en concreto – 200 módulos resilientes en suelos – 270 caracterizaciones de materiales

Tránsito • Datos de los aforos de los últimos 5 años registrados por DGST • Ejes equivales a 8.2 t • Tasa de crecimiento • Factor de incremento – Pavimentos flexibles a 15 años – Pavimentos rígidos a 20 años

Tránsito • Coeficientes de daño (superficiales y a una profundidad) Método Inst. Ing. UNAM • Pesos y dimensiones máximas permitidas NOM-012-SCT-2-2008 • Metodología de cálculo determinada por el Instituto de Ingeniería de la UNAM

Categorización de variantes • Estudios estadísticos con un nivel de confianza de 90% • Categorización del tránsito Categoría de tránsito

Ejes equivalentes (ΣEE)

SEE1

< 10,000,000

SEE2

SEE3

SEE4

10,000,000 -

20,000,000 -

40,000,000 -

20,000,000

40,000,000

80,000,000

SEE5

> 80,000,000

• Categorización de mezclas asfálticas Módulos Resiliente para Carpetas Asfálticas (kg/cm2) CA-3

CA-4

30,000 - 40,000

> 40,000

La nomenclatura CA significa Concreto Asfáltico y el número define el rango de valor de Mr que posee la mezcla. Para su fabricación las mezclas CA-3 y CA-4 pueden requerir el uso de asfaltos modificados, agregados de elevada y el diseño de granulometrías no convencionales.

• Categorización de capas granulares Módulos Resiliente para capas granulares(kg/cm2) BH-2

BH-3

BEA

SB

SR

>2,000

>3,000

>7,000

>1,000

>600

La nomenclatura BH significa Base Hidráulica, BEA significa Base Estabilizada con Asfalto, SB significa Subbase, SRAS significa Subrasante y el número define el valor mínimo de Mr que debe poseer el material.

Diseño de pavimentos • Pavimentos flexibles – Método del Instituto de Ingenierías de la UNAM (Empírico)

• Pavimentos rígidos – Método AASHTO 93 (Empírico-Mecanicista)

Método UNAM para pavimentos flexibles • Determinación de espesores por medio del DISPAV-5 • Nivel de confianza – 95% en carreteras de altas especificaciones – 85% en carreteras normales

Método AASHTO 93 para pavimentos rígidos • Esfuerzo a la compresión f’c = 350 kg/cm2 • Módulo de Ruptura Mr = 48 kg/cm2 • Índice de serviciabilidad – ISA inicial = 4.5 – ISAfinal = 2.5 (Normales) y 3.0 (Altas especificaciones)

• Módulo de reacción de la subrasante Módulo de Reacción k (pci) SB

BEA

BEC

190

400

1100

• Desviación estándar de la predicción del tráfico usada fue de 0.35 • Coeficiente de transferencia de cargas – Con pasajuntas J=2.8

• Coeficiente de drenaje Tipo de región

R1

R2

R3

R4

R5

Cd

0.7

0.8

1

1.15

1.2

SECCIONES DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS NORMALES SEE1 T1 111-BE

CA-4 BH-2 SB

R1

112-BE

15 20 30

113-BE

CA-4 5 BEC 10 SB

SEE2 T2

20

CH BEA

SUBR 30 SUBR

114-BE

25 20 30

CH BEC

SUBR

211-BE

22

BEA

15

SB

15

SUBR

30

213-BE

CA-4 10 BEC 10 SB

15

SUBR

30

214-BE

311-BE

26

CH

28

BEA

20

BEC

20

SUBR

30

SUBR

30

CH

SUBR 30

121-BE

122-BE

CA-4

15

BH-2

18

CA-4

312-BE

20

BEA

15

SB

15

313-BE

314-BE

CA-4 10 CH

BEA

20

BEC

20

SUBR

30

SUBR

30

10

CH

SB

17

SUBR 30

29

31

BEC

SUBR 30

123-BE

CA-4 5 BEA 10

CH

SUBR 30

SB

124-BE

24

CH

20

BEC

221-BE

20 20

SUBR

R2

30

SUBR

222-BE

CA-4

17

BH-2

15

SB

SUBR 30

223-BE

CA-4 5 BEC 10 SB

15

15

30 SUBR 30

SUBR

30

CH SB SUBR

224-BE

27 20 30

CH BEC SUBR

321-BE

322-BE

23

CA-4

18

20

BEA

17

SB

15

30

CA-4

323-BE

324-BE

5 13

CH

30

SUBR 30

SB

20

BEA

20

SUBR

30

SUBR

20

BEC

CH

29

SUBR 30

131-BE

CA-3 BH-2

132-BE

16 33

133-BE

CA-3 15 BEA

19

SUBR 30

R3

17

20 30

212-BE

CA-4

SEE3 T3

SUBR

30

5 BEC 10

134-BE

231-BE

CA-3

SUBR 30

CH SB SUBR

21 20 30

CA-4 BH-2

232-BE

19 27

SUBR 30

233-BE

CA-4

15

BEA

23

SUBR

234-BE

CA-3 BEC

5 11

SUBR

30

CH SB

30 SUBR

331-BE

24 20 30

CA-3 BH-2

SUBR

332-BE

21

333-BE

334-BE

CA-3

5

25

BEA

12

SUBR 30

SUBR

30

CA-3 16 BEA

33

30

CH

26

BEC

20

SUBR

30

131-BE

CA-3 BH-2

132-BE

16 33

133-BE

CA-3 15 BEA

19

CA-3

BEC

5 10

SUBR 30

SUBR 30

R3

SUBR

BH-2

142-BE

16 32

143-BE

CA-3 15 BEA

CA-3 BEC

SUBR

19 SUBR

30

30

151-BE

CA-3 BH-2

20

SUBR

30

152-BE

153-BE

16

CA-3 16

30

18

30

CH

CA-4 BH-2

BEA

CA-3 BEC

232-BE

19 27

241-BE

19

CA-2

BEA

20

SUBR

30

154-BE

15

BEA

23

SUBR

25

23

252-BE

19

CA-3

19

30

SB

20

BH-2

23

BEA

SUBR

30

SUBR

22

SUBR 30

24

BH-2

20 30

SUBR

244-BE

CH

22

SUBR

30

SB

20

BH-2

SUBR

30 SUBR

254-BE

CH

21

CA-3

SUBR 30

SB

20

BH-2

30

SUBR

333-BE

334-BE

CA-3

5

25

BEA

12

SUBR 30

SUBR

30

CA-3 16 BEA

33

30

342-BE

21

343-BE

5

25

BEA

13

SUBR 30

SUBR

30

33

30

352-BE

21

353-BE

26

BEC

20

SUBR

30

CH

26

SB

20

SUBR

30

354-BE

CA-3 15

CA-3

5

26

BEC

12

SUBR 30

SUBR

30

BEA

CH

344-BE

CA-3

CA-3 16 BEA

351-BE

CA-3 5 BEC 10

SUBR

332-BE

21

341-BE

CA-3

253-BE

CH

30

SB

CA-3

5 11

30

251-BE

CH

331-BE

CA-3 BEC

SUBR 30

CA-3 15

R5

30

243-BE

CA-3 15

19

234-BE

5 11

SUBR

5 10

SUBR 30

CA-3 BEC

30

242-BE

BEA BH-2

233-BE

CA-4

SUBR

SUBR 30

SUBR

SUBR SUBR

SB

144-BE

5 10

SUBR 30

R4

CH

231-BE

21

30

141-BE

CA-3

134-BE

28

30

CH

24

SB

20

SUBR

30

Espesores minimos en Cm.

CA

SUBR

Carpeta Asfaltica.

Subrasante

BH

Base Hidraulica.

BEA

Base Estabilizada Asfaltica.

BEC

Base Estabilizada Cemento.

CH

Concreto Hidraulico.

SB

Subbase

SECCIONES DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS DE ALTAS ESPECIFICACIONES SEE4 T4

SEE3 T3 311-AE

CA-4

BH-3

R1

312-AE

21

313-AE

CA-4 15 CH BEC

15

SB

30

40

314-AE

35

CH

411-AE

33

CA-4

412-AE

25

20

BEA

20

BH-3

CH

SUBR

40

40

SUBR

39

CH

511-AE

37

CA-4

512-AE

24

20

BEC

20

BEA

SB SUBR

40

SUBR

40

SB

514-AE

CH

42

CH

40

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

22

39

40

40

513-AE

CA-4 15 BEC

BEA

40 SB

414-AE

19

40 SB

SB

413-AE

CA-4 15 BEC

BEA

SEE5 T5

40

40

SUBR 60 SUBR 49

SUBR 50 SUBR 40

321-AE

CA-4 BH-3

R2

SB

322-AE

20 34

323-AE

CA-4 17 BEA

30

SB

15

CH BEA

324-AE

32 20

CH BEA

20 SUBR

40

SUBR

421-AE

30 20

40

CA-4 BEA

422-AE

15 35

423-AE

CA-4 10 BEC 13 SB

331-AE

CA-4 BH-3

SB

BEA SB

20

332-AE

333-AE

CA-3 17

30

30

40

CH

20

BEC

SUBR 40 SUBR

BEA

SUBR 40

334-AE

431-AE

CA-4 CH

30

CH

29

34

40

SUBR

SB

20

BEC

20 SB

SUBR

40

SUBR

432-AE

15 35

CA-4

SB

SUBR

40

BEA

36

SB

15

20

40

433-AE

10 13 25

CH

434-AE

32

CH

531-AE

30

40

CA-4 BEA

BEA

20

BEC

20

15

40

CA-4

522-AE

16

523-AE

CA-4 10 BEC 14 SB

524-AE

CH

39

CH

37

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

26

SUBR 40

SUBR 40

BEC BEA

SUBR SUBR

36

521-AE

SUBR 40

20

30

CH

424-AE

25

SUBR 40 SUBR 40

R3

SUBR 40

SUBR 40

SUBR

40

SUBR

532-AE

17 36

SB

15

SUBR

40

40

CA-4

533-AE

BEC

10 14

SB

30

SUBR

40

534-AE

CH

35

CH

33

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

331-AE

CA-4 BH-3

R3

SB

332-AE

20 30

30

333-AE

CA-3 17

CH

30

CH

29

20

BEC

20 SB

SUBR

40

SUBR

BH-3

R4

342-AE

20 30

SB

30

SUBR

40

351-AE

CA-4 BH-3

SB

343-AE

CA-3 16

CH

30

BEA

344-AE

SB

25

SUBR

40

32

CH

531-AE

CA-4

30

BEA BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

532-AE

17 36

SB

15

SUBR

40

CA-4

533-AE

BEC

10 14

SB

30

SUBR

40

28

CH

26

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

CA-4

40

SB

20

SUBR

40

352-AE

353-AE

CA-3 16

30

BEA

354-AE

CH

27

CH

SB

20

BEC

SUBR

40

SUBR

30

451-AE

443-AE

CA-3 16

22

BH-3

SUBR 40

23

442-AE

BEA

34

SB

35

CH

444-AE

30

CH

541-AE

CA-4

28

BEA BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

SUBR 40

452-AE

453-AE

26

CA-4

23

CA-3 15

20

BH-3

27

BEA

30

SB

38

40

534-AE

CH

35

CH

33

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

454-AE

CH

30

SB

20

SUBR

40

542-AE

17 34

SB

40

SUBR

40

551-AE

543-AE

544-AE

CA-3 10 BEC

15

SB

15

CH

32

CH

30

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

SUBR 40

552-AE

553-AE

CH

29

CA-4

24

CA-3 17

BEA

20

BH-3

28

BEA

SUBR

40

SB

25

SB

554-AE

CH

32

BEA

20

SUBR

40

34

CH

30

BEC

20

SUBR

40

15

30

40

SB

30

SUBR 40 SUBR

CH

434-AE

15

441-AE

SB

30

SB

SB

R5

35

433-AE

10 13

40

341-AE

CA-4

CA-4

40 SUBR

SUBR

432-AE

15

BEC BEA

SB

SUBR 40

431-AE

CA-4

30

BEA

334-AE

40

SUBR

40

SUBR

SUBR 40

35

40 SUBR 40

Espesores minimos en Cm.

CA

SUBR

Carpeta Asfaltica.

Subrasante

BH

Base Hidraulica.

BEA

Base Estabilizada Asfaltica.

BEC

Base Estabilizada Cemento.

CH

Concreto Hidraulico.

SB

Subbase

Uso del catálogo • Para el uso del catálogo se requiere realizar las siguientes actividades: 1. Definir la temperatura máxima, temperatura mínima, precipitación máxima de la estación climatológica más cercana al proyecto 2. Determinar el tipo de terreno natural presente en la zona del proyecto (si no se puede englobar en un tipo de terreno predominante, se requerirá más de una sección) 3. Determinación de la región donde se ubica el proyecto 4. Cálculo del tránsito proyectado (estimado) 5. Selección de las secciones adecuadas estructuralmente 6. Elegir la sección que brinda el costo-beneficio más elevado

Definición de las variables climáticas • Se debe contactar al personal de la estación climatológica o consultar los datos vía Internet: www.smn.cna.gob.mx.

Tmáx: 40.5° C

Calificación de variables climáticas y del terreno natural • De acuerdo a los valores de temperatura máxima, temperatura mínima, precipitación máxima y tipo de terreno natural, se debe asignar una calificación individual para cada parámetro, según la tabla 4 del catálogo de secciones Tmáx: 40.5° C

Calificación de variables climáticas y del terreno natural • Posteriormente se obtiene la calificación ponderada de acuerdo a los factores establecidos en la tabla 6 y se calcula la Calificación Global Calificación

Factor de

Calificación

individual

ponderación

ponderada

Temperatura máxima

0

0.30

0

Temperatura mínima

0

0.15

0

Precipitación

0

0.20

0

Aptitud del suelo

50

0.35

17.5

Calificación global

17.5

Parámetro

Determinación de la zona • De acuerdo a lo establecido en la Tabla 7 del catálogo de secciones estructurales se define cuál es la región donde se ubica el proyecto Calificación Global

Clasificación de la región

0 a 19.9

R1

20 a 39.9

R2

40 a 59.9

R3

60 a 79.9

R4

80 a 100

R5

El proyecto ejemplo pertenece a la R1 (región 1)

Cálculo del tránsito de proyecto • De acuerdo a los estudios de tránsito se determina el tránsito de proyecto en ejes equivalentes de 8.2 t, de acuerdo al procedimiento establecido por el Instituto de Ingeniería de la UNAM y se define el rango de tránsito de acuerdo a la tabla 2 del catálogo Rangos de tránsito

Sumatoria de ejes equivalentes

SEE1 < 10,000,000

SEE2

SEE3

SEE4

10,000,000 -

20,000,000 -

40,000,000 -

20,000,000

40,000,000

80,000,000

SEE5 > 80,000,000

Definición de secciones • Del catálogo se selecciona el apartado que define las secciones candidato en función de la región y SEE estimados para el proyecto, de acuerdo al tipo de carretera que se requiera (normal o de altas especificaciones) SECCIONES DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS DE ALTAS ESPECIFICACIONES T3 311-AE

CA-4

312-AE

21

CA-4 BEC

BH-3

R1

313-AE

15

314-AE

SEE3 CH

411-AE

33

CH

35

BEA

20

BEA

20

SUBR

40

SUBR

40

CA-4

412-AE

25

15

40 SB

T4

30

BH-3

40 SUBR

SB

40

SUBR

40

CA-4

322-AE

20

BH-3

34

SB

20

SUBR

40

CA-4 BEA

R2

CH

331-AE

324-AE

421-AE

32

CH

30

20

BEA

20

SUBR

40

30

332-AE

40

333-AE

CA-4

512-AE

24

CA-4

20

BEC

20

BEA

40

SUBR

40

513-AE

SB

40

SUBR

40

514-AE

15 CH

42

CH

40

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

22

39 SB

SUBR

50

422-AE

15

CA-4

SUBR

423-AE

BEC

10 13

BEA

35

SB

25

SB

20

SUBR

40

SUBR

40

CH BEA

SUBR

CA-3

BH-3

30

BEA

SB

30

SUBR 40

334-AE

431-AE

CA-4

17

20

CH

30

CH

29

SB

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

BEA

30

SB

SUBR

40

SEE5 CA-4

40

40

CA-4

SUBR

511-AE

37

40

424-AE

36 20

CH BEC

521-AE

34

CA-4

522-AE

16

BEA

36

SB

15

SUBR

40

20

49

CA-4

523-AE

BEC

10 14

SB

26

SUBR

40

15 SUBR

SUBR

R3

323-AE

17

BEA SB

CH

60

40

321-AE

414-AE

39

BEC BEA

SUBR SUBR

CH

19

40 SB

SB

413-AE

CA-4 SEE4 15 BEC

T5

432-AE

15 35

CA-4

40

433-AE

BEC

10 13

SB

25

SUBR

40

CH

SUBR

40

434-AE

32

531-AE

CH

30

BEC

20

SUBR

40

BEA BEA

20

15 40

CA-4

SUBR

40

532-AE

17 36

SB

15

SUBR

40

CA-4

CH

CH

37

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

533-AE

BEC

10 14

SB

30

SUBR

524-AE

39

40

534-AE

CH

35

CH

33

BEA

20

BEC

20

SUBR

40

SUBR

40

Selección de estructura

• Después de seleccionar las secciones candidatas, se realiza un análisis costo-beneficio y viabilidad de aplicación de cada una de ellas para definir la MENTOS PARA CARRETERAS DE ALTAS estructura por utilizar T4 411-AE

33

CA-4

412-AE

25

CA-4 BEC

20

BH-3

40

SUBR

CA-4

CH

39

CH

37

BEA

20

BEC

20

SUBR

BEA

40

SUBR

40

SB

50

SUB

422-AE

15

CA

40

40

421-AE

30

511-A

19

40 SUBR

414-AE

15

40 SB

SB

413-AE

CA-4 BEC

423-AE

10 13

424-AE

521-A

34

CA

Rehabilitación de pavimentos • Se plantean 3 opciones: – Emular una estructura existente de pavimento nuevo – Colocación de sobrecarpeta de catálogo cuando se cumplan condiciones – Proyecto específico con similitud a la capacidad estructural del catálogo de sobrecarpetas (grado equivalente)

Rehabilitación con sobrecarpetas • Diseño mediante el método del Instituto del Asfalto • Módulo resiliente de la sobrecarpeta Mr = 35,000 kg/cm2 SEE1

SEE2

SEE3

VIII Congreso Mexicano del Asfalto

Gracias por su Atención

M. en I. Víctor Alberto Sotelo Cornejo

Agosto de 2013

VIII Congreso Mexicano del Asfalto

Espacio de discusión…

VIII CONGRESO DE MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACIÓN EN MOVIMIENTO

PAVIMENTOS DE ALTO MÓDULO, PRÁCTICA INCIPIENTE EN LA INGENIERÍA MEXICANA Rafael Soto-Espitia1., Víctor Cincire2 y José R. Vázquez. 1 Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos, Calzada de los Reyes 24, Col Tetela del Monte, Cuernavaca, Morelos, México. CP. 62130 2 SemMaterials México, Privada Universidad No. 3 Km. 8.5 carretera Federal Puebla-Atlixco San Bernardino, Tlaxcalancingo, Puebla, C.P. 72820 [email protected]

1

RESUMEN Los pavimentos convencionales han sido ampliamente estudiados en la ingeniería Mexicana, tanto los pavimentos rígidos como flexibles, de igual forma se han construido ambas alternativas a lo largo del país, sin embargo el uso de pavimento de alto módulo combinado con los pavimentos de larga duración son una práctica incipiente en la Ingeniería Mexicana, ya que la experiencia internacional data desde los años 60´s en la construcción de pavimentos perpetuos o de larga duración. El futuro desempeño de todo pavimento está determinado por procesos principales como diseño, construcción, control de calidad y mantenimiento. En la actualidad Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos (CAPUFE) viene aprovechando noveles tecnologías para el diseño y construcción de pavimentos. En este sentido el presente artículo documenta el diseño, consideraciones y criterios empleados para el primer pavimento de larga duración con mezclas de alto modulo en la red operada por CAPUFE.

Palabras Claves: pavimento flexible, pavimento de larga duración, alto módulo, rehabilitación y autopista.

1 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

VIII CONGRESO DE MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACIÓN EN MOVIMIENTO

I.

INTRODUCCIÓN

La red carretera de todos los países desarrollados y en vías de desarrollo constituye un elemento fundamental para el desarrollo económico y social de su población, por lo cual se invierte un monto bastante importante de sus presupuestos en la construcción, ampliación y mantenimiento de sus carreteras con la finalidad de proporcionar una red con condiciones de servicios que implique una superficie cómoda y segura para la circulación de los vehículos. El objetivo perseguido es el impactar positivamente en los costos sociales y económicos por concepto de tiempos de viaje de personas y mercancías de un determinado país. Sin embargo, las malas condiciones de una estructura de pavimento se traducen en un bajo nivel de servicio al usuario, incidiendo negativamente en los costos de operación del transporte, índices de accidentabilidad, mermas en el valor de la carga transportada e incomodidad al usuario, entre muchas otras consecuencias. En un camino la parte más costosa de la estructura es el pavimento al cual se le exige la mayor durabilidad y está formado por capas de mezclas bituminosas o hidráulicas, si estos son flexibles o rígidos. Las estructura debe ser capaz de durar un determinado tiempo para el cual fue diseñada, cumpliendo las solicitaciones técnicas con el fin de brindar las condiciones funcionales y estructurales que se le exigen para un determinado uso, en un determinado lugar, bajo las condiciones ambientales imperantes. Sin embargo, la inversión en conservación y rehabilitación de los pavimentos por concepto de mantenimiento pueden llegar a ser muy elevados, sobretodo si estas actuaciones no se realizan en el tiempo oportuno o no se han diseñado adecuadamente.

CAPUFE es un Organismo descentralizado de la Administración Pública Federal con personalidad jurídica y patrimonio propio, que tiene una experiencia de más de 50 años y cuyas funciones básicas son las siguientes: 1) Conservar, reconstruir, mejorar, administrar y explotar por sí o a través de terceros los caminos y puentes a su cargo. 2) Administrar caminos y puentes federales concesionados mediante la celebración de los convenios correspondientes.

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3) Coadyuvar a solicitud de la SCT en la inspección de carreteras y puentes federales concesionados y, en su caso, en la operación de estos últimos, así como en la ejecución y operación del programa de caminos y puentes concesionados. 4) Participar en los proyectos de inversión y coinversión con los particulares, para la construcción y explotación de vías generales de comunicación bajo el régimen de concesión. Al 30 de abril de 2012, la infraestructura propia de CAPUFE la conforman tres caminos directos con una longitud de 76.7 kilómetros y 30 puentes (14 de ellos internacionales). Adicionalmente, el Organismo opera por contrato 3,733.2 kilómetros de autopistas y 5 puentes, incluidos 3,425.4 kilómetros de caminos y 3 puentes de la Red del Fondo Nacional de Infraestructura (FNI, antes FARAC). En su conjunto, la infraestructura que opera CAPUFE se traduce en una presencia institucional de alrededor del 53% de la Red Federal de Autopistas de Cuota, en 42 caminos con una longitud de 3,809.9 kilómetros y [1], que se integra de la siguiente manera: Tabla 1.- Infraestructura de caminos y puentes operados por CAPUFE (abril 2012) Red Operada Red

Caminos

Longitud (km)

Puentes Nacionales

Inter.

Autopistas

Puentes

Plazas

de cobro

de cobro

Propia

2

16

14

76.7

8.6

34

Contratada

5

1

1

307.8

0.6

10

FNI

35

1

2

3,425.4

7.3

89

Total

42

18

18

3,809.9

16.5

134

El rápido crecimiento de la red de caminos y respondiendo a las necesidades crecientes de los usuarios en cuanto a la rapidez y seguridad en los desplazamientos, así como a la expansión del transporte por carretera, hace que esta superficie haya adquirido una importancia fundamental en la funcionalidad de la calzada, siendo responsable de la comodidad, seguridad y costo del usuario. Tramo en estudio

3 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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El tramo en estudio está ubicado en la Autopista México – Puebla, entre el Km 17+500 y el Km 31+800. En la figura 1 se muestra el croquis de ubicación del tramo. Como parte del proyecto entre el Km 29+500 y el Km 31+800, se alojara una franja de 12 m centrales.

Figura 1.- Tramo en estudio [2] La autopista México – Puebla se inauguró el 5 de mayo de 1962, considerando inicialmente una longitud de 102.475 km, con cuatro carriles de circulación de 3.5 m de ancho cada uno, ancho de camellón de 1.8 m y 3.0 m de acotamiento, para un ancho de corona de 21.8 m. Actualmente se ha eliminado el camellón y ha sido sustituido por una barrera central de 0.8 m de ancho, formando acotamientos interiores de 0.5 m de ancho a ambos lados de la barrera. Debido al incremento del tránsito experimentado en esta autopista, se han efectuado ampliaciones a un tercer carril, en algunos tramos de la autopista. El pavimento original ha sufrido también importantes modificaciones por el incremento del tránsito a lo largo de 50 años de vida de esta autopista, con objeto de adecuarlo a las nuevas condiciones de operación, con mayor número de vehículos pesados. El pavimento original consistía de 5 cm de concreto asfáltico, y 15 cm de espesor para bases y subbases granulares. En la parte inicial de la autopista, debido a la alta compresibilidad de los suelos de los ex-lagos de Texcoco y de Chalco, se difirió 4 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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la construcción de la carpeta asfáltica, aplicándose provisionalmente una carpeta de un riego, en espera de que ocurrieran las deformaciones previstas en el pavimento de este tramo. Posteriormente, después de unos tres años de observación, se construyó una carpeta asfáltica, al verificar que las deformaciones del terreno de cimentación no eran significativas. Actualmente las capas asfálticas tienen espesores que fluctúan entre 30 y 40 cm, bien sea porque se han aplicado varias sobrecarpetas sucesivas o bien porque los proyectos de rehabilitación contemplan la construcción de una carpeta de concreto asfáltico de 10 cm de espesor, una base asfáltica de 20 cm y bases granulares, en las cuales en ocasiones se utilizan materiales producto del fresado de las capas asfálticas existentes, alcanzando espesores totales de pavimento de más de 50 cm. Este último criterio se ha visto aplicado en la construcción del tercer carril que se está llevando a cabo, en el cual se han utilizado también bases estabilizadas con cemento Portland. Pavimentos de larga duración El concepto de pavimentos asfálticos de larga duración no es nuevo. También son conocidos como: full-depth o deep-strengh mismos que se han construido desde la década de 1960 en Estados Unidos [3]. La diferencia entre ambos es la siguiente: Los full-depth son construidos directamente sobre la capa subrasante y los deep-strengh son relativamente mas delgados y son construidos sobre bases granulares (de 4 a 6 pulgadas) [4]. De acuerdo al APA (Asphalt pavement Alliance) un pavimento perpetuo es un pavimento asfáltico diseñado y construido para durar más de 50 años sin requerir mayor rehabilitación estructural o reconstrucción y que solo necesitan reconstrucción de la superficie de rodadura de manera periódica, debido a que los deterioros se presentan únicamente en la parte superior de la estructura [5].

Una de las principales ventajas de estos pavimentos es que su sección es más delgada que las que emplean gruesas capas de bases granulares. También tienen la ventaja añadida de reducir de manera significativa el potencial de agrietamiento por fatiga al minimizar las deformaciones por tensión en la parte inferior de las capas asfálticas. Por otra parte, un estudio realizado por el Centro Nacional de Tecnología de asfalto sugiere que cuando se produce formación de roderas en los pavimentos de espesor considerable, es muy probable que las roderas sean confinadas a la parte superior en los primeros 50 mm de la estructura [6]. Cuando esto ocurre, una solución económica seria fresar la parte superior de la capa y remplazarla con mezcla asfáltica de la misma calidad. 5 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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En distintas partes del mundo se ha llevado al desarrollo de diferentes programas de investigación que apunten a la idea de pavimentos de larga duración, es decir, pavimentos que no presenten deterioros significativos en la estructura a lo largo de su vida en útil, necesitando únicamente acciones menores de conservación, minimizando así los costos de mantenimiento. Como ejemplo de lo descrito se puede citar el programa LTPP (Long-Term Pavement Performance), desarrollado en el marco del programa SHRP (Strategic Highway Research Program) iniciado a mediados de la década de los 80´s en Estados Unidos, como también el programa ELLPAG (European Long-Life Pavement Group) iniciado recientemente en Europa [7]. Ambos programas señalados comparten el objetivo del desarrollo de nuevas ideas en el ámbito de los pavimentos de larga duración, en su diseño, evaluación y mantenimiento, de forma económica y sostenible. En Estados Unidos, las mezclas de alto módulo se utilizan como parte integral de la estructura de los pavimentos de larga duración, o también llamados, pavimentos perpetuos. Su definición apunta a la construcción de estructuras de pavimentos que no requieran rehabilitaciones mayores que una conservación de la capa de rodadura en el tiempo, permitiendo que el pavimento tenga una duración mayor de 50 años. En la Figura 2 se ilustran las características de este tipo de estructuras, en la cual se observa sobre las capas inferiores o granulares, una primera capa asfáltica resistente a la fatiga denominada en este documento como capa absorbente de tensión, luego una mezcla de alto módulo como capa intermedia, finalizando con una capa de rodadura que aporta a la estructura una superficie de rodamiento cómoda y segura.

6 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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Figura 2.- Estructura de pavimento perpetuo o de larga duración “tipo” [5]. 2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Geotecnia Se realizo la caracterización de los materiales mediante pozos a cielo abierto empleado los Métodos de Muestreo “muestreo para material de terracerías” [8]. Estudio de tránsito Se determino en campo el aforo vehicular manual y automático, se ingresaron datos socioeconómicos, de desarrollo regional, población económicamente activa, datos de población, empleo y parque vehicular para determinar el modelo de pronóstico y así determinar un TDPA, y su respectiva tasa de crecimiento. Diseño de pavimentos Los diseños se realizaron por distintos métodos, a fin de contar con más de una alternativa y metodologías de diseño, entre ellos: Diseño de pavimentos de la UNAM (DISPAV-5-Versión 2.0), Diseño de pavimentos de AASHTO y diseño de pavimentos de la APA en conjunto con la Universidad de Alburn (PerRoad 3.5) para el NCAT, siguiendo teorías empírico – mecanicistas, para una vida de diseño de 15 años.

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Información para el diseño Para que el diseño de la estructura propuesta sea confiable es necesario obtener cierto tipo de información asociada al proyecto que servirá de datos de entrada dentro de los métodos de diseño de pavimentos, a continuación se menciona la información recopilada. Geotecnia Se realizó exploración mediante 38 pozos a cielo abierto (PCA), para obtener muestras alteradas e inalteradas del terreno natural y caracterizar los materiales. Esto se llevó a cabo, en ambos sentidos del tramo en que se desarrollará la nueva estructura carretera. En la mayoría de la caracterización predominaron los suelos arcillosos y limosos, tal cual se muestra en la figura 3, donde se identificó una arena limosa con grava, color café poco compacta (SM).

Figura 3.- Pozo a Cielo abierto, donde se aprecian materiales poco competentesy presencia de nivel freatico. Es importante mencionar que la zona en estudio ha sufrido continuos asentamientos regionales y locales debido a la sobreexplotación de sus mantos acuíferos y la baja capacidad del terreno de desplante.

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Estudio de tránsito El análisis del tránsito indica que en el tramo más crítico se tiene un TDPA de 76,267 vehículos por sentido con la siguiente composición 85.0, 4.3 y 10.64 % de vehículos A, B y C respectivamente. En él se presenta una combinación de tráfico de largo itinerario con vehículos locales en la que predominan los vehículos ligeros, sin embargo, debido al alto volumen de tráfico los vehículos pesados constituyen un volumen de 11,436 vehículos en el tramo crítico. En la figura 4 se muestra el comportamiento del TDPA a lo largo del tramo en estudio.

Figura 4.- Comportamiento del TDPA a lo largo del tramo en estudio Diseño estructural del pavimento Como se aprecia en la figura número 4, las características del tránsito obligaron a separar el diseño de pavimento en 4 tramos con estructuras diferentes, en este artículo solamente se documenta la estructura más crítica. Si bien cuando existe una composición considerable de vehículos pesados y alto TDPA, las carpetas de concreto hidráulico son una alternativa muy eficiente, en nuestro caso se descartó debido a la mala calidad del terreno existente (desplante) que presenta hundimientos regionales importantes, por lo que adicional al diseño de pavimento se tuvo que considerar la sobrecarga que tendría sobre el terreno, el ampliar la vía y adicionar peso al camino. Por lo que el empleo de la capa de grava-tezontle fue con la intención de que el terreno trabajara como una sección compensada. Con el objeto de que en el transcurso del tiempo

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se conserve la pendiente transversal, se propone la construcción de franjas laterales pesadas (grava). Una vez analizadas las alternativas de los tres diseños, la que resuelve de manera más contundente las necesidades del tramo en estudio, es una estructura formada por un pavimento de larga duración con una capa de rodadura del tipo SMA (Stone Mastic Asphalt), capa de alto módulo de 20 cm, capa absorbente de tensión de 10 cm, base granular de 16 cm, subbase de 16 cm, capa subrasante de 30 cm y 50 cm de grava y tezontle (figura 5). Dentro de los principales factores que se consideraron para la selección del pavimento de larga duración en el tramo en estudio, se tienen los siguientes:  Presenta un mayor sustento teórico - técnico y mejores perspectivas para disminuir los costos asociados a las actividades de mantenimiento y rehabilitación, así como los costos de operación de los usuarios y los retrasos por estas actividades, proporcionando un mayor costo-beneficio. Este tipo de pavimentos está diseñado para que las intervenciones de conservación sean mínimas y únicamente se esté renovando la capa de rodadura.  Los deterioros estructurales profundos, tales como el agrietamiento por fatiga de abajo hacia arriba y/o deformación permanente en las capas inferiores se minimizan. Se proporciona suficiente rigidez en las capas superiores del pavimento para disminuir el espesor total de la estructura y prevenir la formación de roderas o deformación permanente, también se cuenta con una adecuada flexibilidad en la capa inferior para evitar el agrietamiento por fatiga de abajo hacia arriba.  El uso de una capa de rodadura de alta calidad funcional, permite que los usuarios transiten en todo tiempo, con excelentes condiciones de confort y seguridad, por la regularidad y nivel de ruido que aporta esta capa.  Actualmente ya se existe en el mercado mexicano los equipos (laboratorios y construcción), materiales tecnológicos y para hacer realidad esta alternativa, existiendo obras en nuestro país en donde ya se ha aplicado con buenos resultados.  Se estima que para una obra de la importancia que nos ocupa, es necesario aplicar tecnologías y materiales de alto desempeño, que permitan asegurar un elevado servicio a los usuarios, siendo esta alternativa una solución conveniente para atender esta necesidad.

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 Se utiliza el protocolo AMAAC de mezclas densas de alto desempeño, que actualmente tiene una amplia difusión en medio carretero mexicano, realizando el diseño hasta el nivel 4 que incluye indicadores de desempeño para susceptibilidad a la humedad, deformación permanente, módulos dinámicos y fatiga  El costo de construcción inicial no es significativamente mayor sobre una solución con pavimento asfáltico convencional u otra solución. Al igual que cualquier otra estructura de pavimento, la extensión del desempeño se basa en un terreno de soporte sólido/estable para proporcionar sustento a largo plazo a la estructura del pavimento y cargas del tráfico, además de reducir la variación estacional del terreno debido a los efectos ambientales (por ejemplo, ciclos de hielo-deshielo y los cambios de humedad).

APOYO DE PASO PEATONAL DE PROYECTO

LIMITE DE DERECHO DE VIA 350

320

100

150

350

350

350

350

50

600

3.5

CALLE MUNICIPAL

142

20

CARPETA DE ALTO MODULO

10

CARPETA ABSORBENTE DE TENSIÓN

16 16

BASE HIDRAULICA SUBBASE

30

CAPA SUBRASANTE

50

GRAVA

TEZONTLE

GRAVA

GEOTEXTIL 600

900

900

ESC. HOR. 1: 100 VER. 1: 20

Figura 5.- Sección transversal del camino y de la estructura del pavimento, de un solo sentido Características de las capas asfálticas constitutivas del pavimento La estructura de pavimento propuesta en la modernización conocida como “Pavimento de Larga Duración”, consiste en un pavimento asfáltico diseñado y construido para durar más tiempo que un pavimento convencional, sin necesidad de rehabilitación o reconstrucción estructural importante y sólo requerir la renovación periódica de la superficie en respuesta a los 11 28 AL 30 DE AGOSTO 2013 CAN CUN , Q.R.

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deterioros limitados a la parte superior del pavimento. Para cumplir con este objetivo la estructura está constituida por diferentes capas asfálticas, donde cada una de estas cumple una función específica dentro del comportamiento del pavimento ante los efectos producidos por las cargas del tráfico y las condiciones climáticas. La estructura propuesta está conformada por las siguientes capas. Capa Absorbente de Tensión (CAT). Colocada sobre la subrasante o sobre una capa de transición, su función es la de mitigar el agrietamiento por fatiga. Se considera que este deterioro inicia de abajo hacia arriba y se presenta en las capas asfálticas; para cumplir con este objetivo la capa asfáltica tendrá una granulometría que permita un alto contenido de asfalto, tal que genere un bajo porcentaje de vacíos en la mezcla colocada. Capa de Alto Módulo (CAM). Conocida como la capa intermedia, debido a que estará colocada entre la capa absorbente de tensión y la capa de rodadura, tiene que combinar dos funciones muy importantes de las mezclas asfálticas, estabilidad y durabilidad. Estas dos características son esenciales ya que estará sometida a esfuerzos importantes generados por las cargas del tráfico, por lo que, tiene que prevenir la formación de roderas producidas a través de los esfuerzos de corte. Los beneficios de utilizar una capa de alto módulo se hacen evidentes al disminuir el espesor del pavimento hasta en un 30 %, por lo que, se reduce el costo al utilizar menor cantidad de material, otro aspecto relevante a tomar en cuenta es que con el uso de esta capa se garantiza de forma más adecuada que los esfuerzos que llegan a la subrasante se reduzcan de forma importante. Capa de rodadura o desgaste (SMA). Los requisitos de desempeño incluyen la resistencia a la deformación permanente y al agrietamiento de la superficie, una adecuada fricción, además de reducir el ruido provocado por el contacto neumático-pavimento. Es importante mencionar que debido a su espesor (40 mm) no se considera dentro del diseño estructural. Diseño de las mezclas asfálticas Para incrementar la confiabilidad del desempeño de las mezclas asfálticas utilizadas en las diferentes capas del pavimento, se realiza el diseño correspondiente y su verificación durante las etapas de producción y colocación de la mezcla, considerando las metodologías del Protocolo AMAAC de mezclas densas de alto desempeño vigente.

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Para este tipo de pavimentos, el diseño y verificación de las mezclas contempla los 4 niveles de diseño propuestos en el protocolo antes mencionado que incluyen pruebas de desempeño relativas a susceptibilidad a la humedad, deformación permanente, módulos dinámicos y resistencia a la fatiga. En la tabla 2 se indican los módulos elásticos considerados para el diseño de espesores del pavimento y los resultados obtenidos del diseño de las mezclas con los agregados de uno de los bancos propuestos y los ligantes asfálticos disponibles para la ejecución de la obra. Los módulos dinámicos utilizados para el cálculo de espesores, de las mezclas de alto módulo y de la base asfáltica absorbente de tensión, son menores a los que se obtuvieron en los diseños de estas mezclas, con lo que se garantiza que en la construcción de la obra se pueden cumplir los módulos propuestos en el cálculo de espesores del pavimento. Tabla 2.- Módulos elásticos de las diferentes capas de la estructura.

Capa

Espesor (cm)

Rodadura (SMA) Alto Módulo Absorbente de tensión Base granular Subbase Subrasante

3.5 20.0 10.0 16.0 16.0 30.0

Módulos elásticos utilizados en el diseño de espesores (MPa) Md Mr N.A. N.A. 10 000 4 000

Módulos elásticos obtenidos en el diseño de las mezclas (MPa) N.A. 11 073 6414

291 242 120

N.D. N.D. N.D.

Md: módulo dinámico Mr: módulo resiliente N.A.: no aplica

El diseño y construcción de las mezclas de alto módulo y absorbente de tensión, se apegan al protocolo AMAAC vigente y se describen en las especificaciones particulares correspondientes, no descritas en este documento. En las tablas 3 y 4 se indican los requerimientos de diseño de ambas mezclas. Tabla 3.- Requerimientos de la mezcla asfáltica para la capa absorbente de tensión Característica Vacíos en la mezcla, % Susceptibilidad al daño inducido por humedad (TSR), %

Valor 3 ≥80

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Susceptibilidad a la deformación permanente en Rueda cargada de Hamburgo, mm Módulo Dinámico |E*|, 20 ° C, 10 Hz, MPa -6 ).

10 máx. ≥ 4,000 ≥ ESAL´s

Tabla 4 – Requerimientos de la mezcla asfáltica para la capa de alto módulo Característica Vacíos en la mezcla, % Susceptibilidad al daño inducido por humedad (TSR), % Susceptibilidad a la deformación permanente en Rueda cargada de Hamburgo, 30,000 pasadas, mm Módulo Dinámico |E*|, 20 ° C, 10 Hz, MPa

Valor ≤4 ≥80 7.5 máx. ≥ 10,000

4. CONCLUSIONES Debido a la complejidad de trabajar en entornos urbanos, y con altos volúmenes de transito, la sección transversal propuesta y la sección estructural del pavimento, atiende de manera eficaz, el mejorar las condiciones de operación de la autopista. Se logró una sección transversal que atiende los movimientos direccionales del tráfico local y el de largo itinerario. La estructura de las terracerías presenta una solución a la problemática del hundimiento regional que afecta a la autopista actualmente, además se conservará el bombeo y se minimizaran las deformaciones puntuales. El diseño del pavimento de larga duración, garantizará en condiciones aceptables el buen comportamiento de la superficie de rodamiento y disminuirá las intervenciones de conservación durante la vida útil de la autopista. Es una opción innovadora en nuestro país que se utilizada con éxito en otros países de mayor desarrollo y experiencia en estos pavimentos, para lograr pavimentos de alto desempeño y larga duración, a los que se les ha denominado “pavimentos perpetuos”.

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VIII CONGRESO DE MEXICANO DEL ASFALTO TRANSFORMACIÓN EN MOVIMIENTO

5. AGRADECIMIENTOS Los autores externan su agradecimiento al Licenciado Benito Neme Sastre, Director General de Caminos y Puentes Federales de Servicios e Ingresos Conexos. Un agradecimiento especial al Ingeniero Manuel Zarate Aquino y a la empresa GeoSol S.A. de C.V. y Noé Hernández Fernández de la empresa SemMaterials México por su apoyo técnico.

6. REFERENCIAS [1] www.capufe.gob.mx [2] www.google.com.mx intl es earth [3] Newcomb D., Buncher M y I. Huddleston (2001) “Concepts perpetual pavement” Transport Research Circular Number 503 [4] CTC y Asociados LLC. (2004) “Deep-Strength and Full-Depth Asphalt” WisDOT DR&T Program, Transportation Synthesis Report [5] Newcomb D. (2002) “Perpetual Pavement – a Synthesis, Asphalt Pavement Alliance”, USA, [6] Brown E. R., y Cross S. A. (1992) “A National Study of Rutting in Hot Mix Asphalt (HMA) Pavements” Report No. 92-5, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, Ala. [7] Buil M. (2010) “Diseño y caracterización mecánica de mezclas recicladas de alto modulo” Tesina de Especialidad Universidad Politécnica de Cataluña [8] Secretaría de Comunicaciones y Transportes (2001) “M-MMP-1-01/03 Muestreo de Materiales para Terracerías” Normativa para la Infraestructura del Transporte.

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