Análisis de propiedades de desempeño de un ligante

Análisis de propiedades de desempeño de un ligante

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.
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