Diseo de mezclas asflticas

De octubre de 1987 a marzo de 1993, el Strategic Highway Research Program (SHRP) otorg un fondo de ms de 50 millones de dlares para realizar investigaciones con el objetivo de desarrollar nuevas formas de especificar, probar y disear materiales asflticos. El producto final del programa de investigacin asfltica de la SHRP es un nuevo sistema conocido como SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavements). Representa un mejorado sistema para la especificacin de los componentes del concreto asfltico, diseo y anlisis de mezclas asflticas, y predicciones del desempeo de pavimentos asflticos.1. Sistema SuperpaveEl uso de la metodologa Superpave consiste en tres niveles y dada la complejidad del anlisis y diseo de la mezcla el mtodo depende del nivel de trnsito y de la funcin de la mezcla en el pavimento dado. La siguiente Tabla muestra los distintos niveles considerados para el anlisis y diseo de las mezclas asflticas en caliente utilizando la metodologa Superpave:

Trnsito (ESAL)Nivel de diseoRequerimientos de ensayo

ESAL < Primer nivel de anlisisDiseo volumtrico

< ESAL < Anlisis intermedioDiseo volumtrico y pruebas de prediccin del comportamiento

< ESALAnlisis completoDiseo volumtrico y pruebas de prediccin del comportamiento adicionales

Tabla 1. Niveles de anlisis mtodo SUPERPAVE1.1 Primer nivelPara este nivel se necesita el diseo volumtrico el cual incluye los siguientes factores: Seleccin del tipo de asfalto Seleccin de las propiedades de los agregados Preparacin de especmenes de ensayo Seleccin del contenido de asfaltoEl diseo se basa en la estimacin de las propiedades volumtricas de la mezcla como ser: contenido de vacos de la mezcla (Va), vacos en el agregado mineral (VMA) y vacos llenos de asfalto (VFA).1.2 Nivel intermedioSe parte del anlisis volumtrico del primer nivel. Se utilizan los siguientes ensayos: Ensayo de corte (SST, SUPERPAVE shear test) Ensayo de tensin indirecta (IDT, indirect tensile test)Se realizan varios ensayos con el fin de obtener una serie de predicciones del comportamiento de la mezcla.1.3 Nivel avanzadoCon los resultados obtenidos en el primer nivel y nivel intermedio, se realizan pruebas IDT y SST pero a amplias gamas de temperaturas. Los anlisis se realizan con especmenes confinados para obtener resultados ms precisos y confiables.La metodologa SUPERPAVE permite estimar con gran precisin (en trminos de ejes equivalentes ESALs) el comportamiento del pavimento durante su vida til. A s mismo, se logra estimar la cantidad de ejes equivalentes para alcanzar cierto nivel de resistencia al desplazamiento, a grietas por fatiga o a grietas por bajas temperaturas.

2. Primer nivel de anlisis

El diseo de la mezcla se enfoca inicialmente en la seleccin del ligante asfltico y del agregado como se muestra en la siguiente figura sobre el algoritmo del diseo SUPERPAVE:

Figura 1. Algoritmo de diseo SUPERPAVE

2.1. Estudio y seleccin de los materiales

Asfaltos: Ensayos de laboratorio

Por medio de ensayos de laboratorio las especificaciones SUPERPAVE buscan emular los 3 estados crticos a los cuales se ve expuesto el asfalto durante su vida til: Primer estado: Asfalto original, estado que se da durante el transporte, almacenamiento y manejo del ligante asfltico. Segundo estado: Envejecimiento producido luego de la fabricacin y colocacin de la mezcla asfltica. Tercer estado: Envejecimiento de la mezcla asfltica cuando ha permanecido en servicio por un largo perodo.Para simular el segundo estado, el endurecimiento producto de la oxidacin que ocurre durante el mezclado y colocacin de la mezcla, se utiliza el horno rotatorio de pelcula delgada RTFOT (rolling thin film oven test).Posteriormente, mediante el ensayo PAV (pressure aging vessel) se oxide aceleradamente la mezcla, simulando el tercer estado (envejecimiento severo que sufre la mezcla despus de haber estado en servicio por muchos aos).Las propiedades fsicas de los asfaltos en el sistema SUPERPAVE son medidas sobre los asfaltos envejecidos en el laboratorio, simulando as las condiciones reales de operacin del pavimento.La medicin de las propiedades fsicas se realiza mediante la utilizacin de 4 equipos de ensayo, cuyo propsito se detalla en la Tabla 2.EquipoPropsito

DSR(Dynamic Shear Rheometer)Mide las propiedades del asfalto a T alta e intermedia.

RV(Rotacional Viscometer)Mide las propiedades del asfalto a alta T.

BBR(Bending Beam Rheometer)Mide las propiedades del asfalto a baja T.

DTT(Direct Tension Tester)Mide las propiedades del asfalto a baja T.

Tabla 2. Equipos para determinar propiedades fsicas del asfalto2.2. Seleccin del grado del asfaltoEn el primer nivel de diseo SUPERPAVE es importante definir las especificaci0nes de los ligantes asflticos, para ello nos basamos en el grado de comportamiento PG (Performance Grade).El grado de comportamiento de los asfaltos se define como PG XX YY, donde: PG = Performancr Grade XX = Temperatura mxima (Temperatura mxima a la cual el asfalto debe mantener sus propiedades durante el servicio) YY = Temperatura mnima (Temperatura mnima a la cual el asfalto debe mantener sus propiedades durante el servicio)A continuacin se presentan los asfaltos definidos en el mtodo SUPERPAVE:Temperatura mximaTemperatura mnima

PG4634, 46, 52

PG5210, 16, 22, 28, 34, 40, 46

PG5816, 22, 28, 34, 40

PG6410, 16, 22, 28, 34, 40

PG7010, 16, 22, 28, 34, 40

PG7610, 16, 22, 28, 34

PG8210, 16, 22, 28, 34

Tabla 3. Rangos para el grado PGEs importante que al momento de realizar un diseo, el grado de comportamiento de los asfaltos (PG) se seleccione considerando la regin geogrfica y las temperaturas a las cuales estar sometido el pavimento (a partir de registros histricos de temperaturas del aire).Deben ser utilizadas bases de datos de estaciones climticas, con registros de temperatura ambiente por ms de 20 aos (como mnimo). Para cada ao deben ser determinados: El promedio de las temperaturas mximas de los 7 das consecutivos ms calurosos del ao (temperatura del aire) La temperatura mnima del da ms fro del ao (temperatura del aire)Para ambas series de datos (los cuales son considerados como XXaire e YYaire) deben ser determinados su promedio y la desviacin estndar.a) Temperaturas del Aire (TXXaire y TYYaire)La temperatura mxima y mnima del aire que debe ser considerada en el diseo, depender de la confiabilidad requerida (z) y de la desviacin estndar de los datos (). Es decir: TXXaire = T Promedio + z*_ TYYaire = T Promedio - z*_Una confiabilidad de 50% considera un verano e invierno promedios. Por el contrario, confiabilidades mayores asumen veranos ms calurosos e inviernos ms fros.b) Temperaturas del Pavimento (TXX y TYY)Se calculan a partir de las temperaturas del aire y de un coeficiente (Lat) dado por la ubicacin geogrfica de la zona a pavimentar (latitud). TXX = (TXXaire 0.00618*Lat2 + 0.2289*Lat + 42.2)*(0.9545) 17.78 TYY = TYYaire

c) Efecto del Trnsito: Velocidad de Carga y Trnsito AcumuladoEl ensayo DSR simula la carga de un vehculo a 90 kilmetros por hora. A velocidades menores, producto que el tiempo de carga es mayor, la rigidez de la mezcla disminuye. Por ello, se recomienda aumentar (en funcin de la velocidad de carga) en 1 2 niveles2 el grado XX requerido, debido a que aumentar el tiempo de carga sobre un pavimento es equivalente a aumentar la temperatura del mismo. Por ejemplo, si se requiere para una carga normal el grado PG 64-22, es recomendable utilizar el grado PG 70-22 si las cargas sern lentas y el grado PG 76-22 si las cargas sern estacionarias.Un mayor nmero de ejes equivalente totales significa que se producirn ms ciclos de carga, por lo que las deformaciones permanentes acumuladas sern mayores. Por lo tanto, para evitar el ahuellamiento, debe ser seleccionado un asfalto ms rgido a alta temperatura (elevar 1 nivel el grado XX).

2.3. Agregados: Propiedades de consenso y propiedades de origenLa SHRP no desarroll nuevos ensayos para los agregados, solamente adopt nuevos ensayos y reformularon las especificaciones para ajustarlas a la metodologa SUPERPAVE. Es por esto, que se definieron dos nuevas propiedades para los agregados: Propiedades de consenso y propiedades de origen. a) Propiedades de ConsensoSon consideradas crticas para alcanzar un alto comportamiento de la mezcla. Se asocian a la calidad del agregado para producir una mezcla resistente y durable.Las propiedades de consenso (caractersticas de los agregados que pueden ser alteradas en las plantas de chancado y seleccin) son: Angularidad del agregado grueso Angularidad del agregado fino Partculas planas y alargadas Contenido de arcilla (equivalente de arena) Granulometra combinadaEstas propiedades deben reunir distintos niveles de calidad, los cuales dependen del nivel de trfico (ejes equivalentes) y de la posicin de la mezcla dentro de la estructura del pavimento.Con la angularidad del agregado se busca alcanzar mezclas con alto grado de friccin interna, y por ende, una alta resistencia a los esfuerzos de corte. Ello permite mejorar la resistencia a la deformacin permanente de la mezcla.La limitacin del porcentaje de partculas alargadas asegura la no susceptibilidad del agregado a triturarse durante el manejo de la mezcla y su posterior construccin y funcionamiento. Por otra parte, la limitacin de la cantidad de arcilla en los agregados mejora la adherencia de los ridos con el asfalto.b) Propiedades de OrigenSon aquellas propiedades asociadas a la calidad de la fuente del agregado. Si bien la SHRP no especifica valores crticos, estas propiedades deben ser especificadas de acuerdo a la experiencia local.Las propiedades de origen, las cuales dependen del lugar de obtencin de los ridos, son: Tenacidad o dureza Durabilidad Materiales deletreos

2.4. Graduacin de los agregadosEl sistema SUPERPAVE utiliza cartillas de graduacin en las cuales se incluyen puntos de control y una zona restrictiva. En estas cartillas, el tamao de los tamices ha sido elevado a 0.45, por lo que la curva de mxima densidad queda representada por una recta, la cual va desde el origen hasta el tamiz por el cual pasa el 100 % de los agregados (tamao mximo). A continuacin se muestra una grfica ejemplificando lo anterior:

Figura 2. Ejemplo de especificaciones SUPERPAVE para agregadosEn el ejemplo mostrado, el significado de los distintos puntos es el siguiente: A, B, C: Puntos de control D: Zona Restrictiva E: Tamao mximoLa granulometra combinada debe pasar a travs de los puntos de control, lo queasegura una determinada cantidad de vacos para albergar el asfalto. Adems, los puntos de control obligan a cortar la lnea de mxima densidad (recta que va desde A hasta E), tendiendo a estructuras de agregados tipo S.Por el contrario, la curva granulomtrica de los agregados no debe pasar por la zona restrictiva (SHRP recomienda que pase bajo ella), lo que evita mezclas de ridos con una alta proporcin de arena fina respecto a la totalidad de arena y graduaciones que sigan la lnea fina de 0.45, lo cual no proporciona adecuados vacos en el agregado mineral.El diseo de la estructura de los ridos asegurar el desarrollo de un esqueleto de piedra resistente, el cual mejorar la resistencia a la deformacin permanente (ahuellamiento) y alcanzar suficientes vacos para la durabilidad de la mezcla.

3. Mezcla asfltica

3.1. Acondicionamiento de la mezcla y compactacin en el laboratorioEl acondicionamiento de la mezcla y la compactacin efectuada en el laboratorio son dos caractersticas claves del mtodo de diseo SUPERPAVE.Las mezclas asflticas que son utilizadas para fabricar briquetas, son acondicionadas durante 2 horas dentro de un horno a la temperatura de compactacin (las temperaturas de mezclado y compactacin se determinan igual que en el mtodo de diseo tradicional, en funcin de la viscosidad del asfalto).Ello permite simular el envejecimiento de corto plazo que se produce durante el almacenamiento y transporte de la mezcla asfltica, dando tiempo adems al agregado para absorber el asfalto.La compactacin en laboratorio es realizada haciendo uso del Compactador Giratorio o SGC (SUPERPAVE Gyratory Compactor, Figura 3). Este equipo efecta una rotacin con un ngulo de inclinacin de 1.25 grados y aplica sobre la mezcla una presin de confinamiento de 600 KPa. La suma de ambos factores simula el efecto producido por los rodillos compactadores (el nmero de rotaciones requeridas, NDIS, se especifica en AASHTO TP4-93).El SGC incorpora un software que indica la altura del espcimen y el nmero de revoluciones, lo que permite determinar el grado de compactacin de la briqueta a lo largo de todo el proceso de compactacin (ingresando previamente el peso inicial y la densidad mxima de la mezcla).

Figura 3. Compactador giratorio SUPERPAVE (SGC)

3.2. Diseo SUPERPAVE: Etapa de pruebaUtilizando diferentes mezclas de agregado se deben preparar distintas mezclas de prueba, luego de realizarles la compactacin, se les determinan los parmetros volumtricos (Porcentaje de asfalta Pb, porcentaje de vacos Va, vacos del agregado mineral VMA y vacos llenos con asfalto VFA).La premisa central del diseo volumtrico SUPERPAVE es que las muestras de prueba deben contener la cantidad adecuada de cemento asfltico, tal que se alcance exactamente un 96% de compactacin respecto a la DMM (es decir, 4% de vacos para NDIS).Es por ello que se estiman nuevos parmetros volumtricos, utilizando los inicialmente calculados, para el caso en que el contenido de vacos (Va) fuera exactamente 4%. Las frmulas para realizar las estimaciones son las siguientes: PbESTIMADO = PbINICIAL 0.4*(4 VaINICIAL) %VMAESTIMADO = %VMAINICIAL + C*(4 VaINICIAL) %VFAESTIMADO = 100* [(%VMAESTIMADO 4) / (%VMAESTIMADO)] C = 0.1 si VaINICIAL < 4% C = 0.2 si VaINICIAL > 4%Dichas estimaciones permitirn efectuar una apropiada y objetiva comparacin entre las distintas mezclas de prueba utilizadas. El diseador deber elegir la estructura de agregados de diseo, es decir, aquella mezcla de prueba que de mejor forma cumpla con los requisitos sealados en la especificacin AASHTO MP2-95.3.3. Diseo SUPERPAVE: Diseo definitivoSeleccionada la estructura de agregados de diseo, deben ser preparados los siguientes especimenes: Dos con PbESTIMADO Dos con PbESTIMADO + 0.5% Dos con PbESTIMADO - 0.5% Dos con PbESTIMADO + 1.0% Dos especmenes sueltos con PbESTIMADO (para determinar densidad mxima)Los especmenes son preparados y ensayados de la misma manera que en el caso de la seleccin de la estructura de agregados. Con los resultados de las propiedades de la mezcla en funcin del contenido de asfalto (confeccionados los grficos) se procede de la siguiente manera: Determinar Pb con el cual se obtiene 4% de vacos de aire (Va) Determinar las propiedades de la mezcla al contenido de asfalto seleccionado Comparar las propiedades de la mezcla con los criterios de diseo SUPERPAVE (AASHTO MP2-95) Evaluada la sensibilidad de la mezcla a la humedad, analizando la prdida de adherencia entre el asfalto y el agregado por medio del ensayo ASSHTO T283

Con el paso anterior se concluye el diseo SUPERPAVE del nivel 1. Como se mencion anteriormente en el presente artculo, si bien los niveles 2 y 3 han sido desarrollados, se encuentran an en etapas de prueba y perfeccionamiento.

Bibliografa

1. http://www.utexas.edu/research/superpave/articles/index.html2. http://www.e-asfalto.com/superpave/3. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/caceres_m_ca/capitulo3.pdf4. http://www.bitumixcvv.cl/articulos/2005/julio/archivos/superpave.pdf

Anexos

Especificaciones AASHTO para la clasificacin PG Notas:

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