9. (M) Retos de Los Ingenieros de Pavimentos Ante Las Tecnicas Modernas -Hugo Arenas
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8. Utilizar un máximo
Fuente: Agencia Nacional de Infraestructura ANI
Uso del cemento asfáltico (Millón de ton/año)
Aplicaciones del AC
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Es el programa de infraestructura vial que le permitirá al país
desarrollarse aceleradamente y ser mas competitivo, para enfrentar
los retos del comercio global.
La cuarta Generación de Concesiones
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Fuente: Agencia Nacional de Infraestructura ANI
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Impulso Económico
Fuente: Agencia Nacional de Infraestructura ANI
ASFALTO Y MEZCLAS ASFALTICAS
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7
En los años 1960´s En la actualidad:
•Procesos mas eficientes para disminuir los residuos en la refinación del crudo
•Nuevos procesos: DEMEX
•Crudos mas pesados
•Creciente Industrialización
ZZZZZZZZZZ
Es la unión de
grandes y complejas
cadenas de
hidrocarburos
En la refinería se rompen las cadenas de
hidrocarburos para formas unas mas
sencillas: cracking.
Existen diferentes procesos para obtener productos
derivados de la refinación del pretróleo crudo.
3 - 4
5 - 10
12- 18
18 - 24
24 – 40
24 - ~300
~40 - ~300
Número de Carbonos
Productos ligeros
Productos pesados
Crudo
GLP
Querosenos
Gasóleos
Lubricantes
Fuél óleo pesado
AC
Gasolinas
Punto de ebullición(°C)
10 - 15
15 - 150
150 - 260
230 - 370
370 - 525
370 -
525 -
La respuesta correcta es: SI
Química del cemento asfáltico
Estructura molecular y asociaciones
Propiedades mecánicas y físicas
Performance del pavimento
El AC se obtiene de los fondos de la
destilación al vacío del crudo topping o
descabezado: fondos de barril.
C: 80.0 ~ 85.0 %
H: 7.8 ~ 8.3 %
S: 1.0 ~ 7.0 %
O: 2.7 ~ 5.0 %
Asfaltenos
Aromáticos
Resinas
Saturados
Asfalto Blando Asfalto Duro
Menor proporción de Asfaltenos.
Alta susceptibilidad a la temperatura.
Mayor proporción de Asfaltenos y Resinas.
Baja susceptibilidad térmica y mayor intervalo
entre las temperaturas de traspaso de estado
elástico a uno viscoso.
TIPO SOL TIPO GEL
Menor proporción de Asfaltenos.
Alta susceptibilidad a la temperatura.
Mayor proporción de Asfaltenos y Resinas.
Baja susceptibilidad térmica y mayor intervalo
entre las temperaturas de traspaso de estado
elástico a uno viscoso.
FLUJO
NEWTONIANO
FLUJO NO
NEWTONIANO
VISCO-
ELASTICO
RESINAS: 20-45%
Componentes de adsorción
Mantienen los asfáltenos en suspensión coloidal
Su acción es aglutinante y adherente
Proveen ductilidad (viscoelasticidad)
AROMÁTICOS: 40-65%
Masa molecular media, compuestos no polares
Mayor componente en los asfaltos
SATURADOS: 2-18%
Masa molecular media
Grupo funcional de menos polaridad
Aumentan la fluidez (plasticidad)
Ayudan a preservar al asfalto de la oxidación
Disminuyen la viscosidad y la susceptibilidad térmica
Permite al ingeniero de pavimentos explicar de manera racional los
problemas mas frecuentes relacionados con el deterioro de los pavimentos:
Ahuellamiento, Fisuramiento, Desprendimiento de partículas, Adherencia.
Peso molecular, polaridad y aromaticidad No polar
Crudo
Saturados
S
Aromáticos
A
Resinas
R
Asfáltenos
A
SÍLICA
ALÚMINA
ARCILLA SATURADOS
RESINAS
AROMÁTICOS
ASFALTENOS
MALTENOS
• Sistema de una sola fase
• Mezcla homogénea de distintas moléculas: Polares y no Polares
• No polares son solvente de las polares
• Polares proveen las características elásticas
• Asociaciones sueltas, redes dispersas de moléculas polares
POLARES
NO POLARES
07/11/2014 26
07/11/2014 27
Establecer requerimientos mínimos que debe cumplir el asfalto y mezcla en los escenarios de evaluación
Establecer claramente las propiedades directas
Establecer métodos de evaluación
Cuales Requerimientos?
Que Propiedades? Con que Ensayos?
. .
Como determinamos
cual asfalto es el mejor
para nuestro proyecto?
Que presente un buen comportamiento bajo la acción del
tránsito y clima pero con un mínimo mantenimiento
En Mayor grado
• Fisuramiento a temprana edad
• Desprendimiento de partículas
• Mala adherencia asfalto-agregado
En Menor grado
• Ahuellamiento
Seguridad Trabajabilidad Seguridad
TODO material se
envejece a través del
tiempo.
La primera manera de determinar la dureza del asfalto fue por Masticación.
Forma de caracterizar el asfalto del lago de Trinidad: mezcla de arcilla de origen volcánico.
El ensayo de Solubilidad en disulfuro de carbono se usó para determinar el grado de pureza.
H.C Bowen de the Barber Asphalt Paving
Company fue el precursor del ensayo de
penetration in 1888.
ASTM Commit D-4 adoptó el ensayo de
penetración (1903)
1918 Bureau of Public Roads (ahora
FHWA) desarrolló los grados de
penetración
1931 AASHTO publicó las
especificaciones
1955 Se adicionó el ensayo de envejecimiento Thin film oven (TFO)
Inicialmente se especificaron cinco grados de penetración para los estados
del norte y sur de USA 40 – 50, 120 – 150, 60 – 70, 200 – 300, 85 - 100
FUENTE: ASTM D-946
1963 FHWA/ Asphalt Institute
establecieron cinco grados de
viscosidad
AC - 2.5, AC – 20
AC - 5 , AC – 40
AC – 10
Incluyen la viscosidad a 135 oC
Tablas 1 y 2 de ASTM D3381
AC-30 se desarrolló para los estados
de mayor temperatura
FUENTE: ASTM D-3381
1987 A 1993 sistema de clasificación SUPERPAVE
Superpave es el Producto de SHRP
(Siglas en Inglés del Programa Estrátegico de Investigación en Carreteras)
Especificaciones Basadas en Desempeño
Mide Propiedades Fundamentales del Material
Usa Conceptos Reólogicos
Toma en Cuenta Propiedades a Baja
Temperatura y Envejecimiento del Material a Largo Plazo
Especificaciones Basadas en
Desempeño
Mide Propiedades Fundamentales del Material
Usa Conceptos Reólogicos
INCLUYE LA VARIABLE TRÁNSITO. MSCR
SERVICIO MANEJO
-20 20 60 135
Temperatura del Pavimento, °C
PENETRACION
.
.
Cohesión y homogeneidad [cm]
Elasticidad en asfaltos
modificados
DUCTILIDAD
Que podemos esperar de estos
ligantes?
Cual presenta mayor resistencia
a las deformaciones plásticas?
Cual tiene mayor resistencia a la
fatiga?
NO ES POSIBLE REALIZAR UN ANALISIS INTEGRAL SOLO CON ESTA INFORMACION
ENSAYO DE PENETRACION
Dureza a temperaturas
altas en servicio
Grado de
«colaboración» a los
agregados para controlar
las deformaciones
plásticas
«Magnitud» de la
componente viscosa y
elástica de la
deformación
RESULTADOS DEL ENSAYO DE VISCOSIDAD A 60°C Que podemos
esperar de estos
ligantes?
Cual presenta mayor
resistencia a las
deformaciones
plásticas?
Cual tiene mayor
resistencia a la
fatiga?
Susceptibilidad térmica
Leyes de fatiga
Curvas maestras
Comportamiento bajo
cargas
Grado de Envejecimiento
en planta
ELABORACION DE
MEZCLA
EN PLANTA
DONDE SE ENVEJECE UN CEMENTO
ASFALTICO»?
Durante el proceso de elaboración
de la mezcla asfáltica
Durante el proceso constructivo:
transporte, colocación y
compactación
Durante la vida útil del pavimento
Los primeros dos años
Después de 7 años
3 - 4
5 - 10
12- 18
18 - 24
24 – 40
24 - ~300
~40 - ~300
Número de Carbonos
Productos ligeros
Productos pesados
Crudo
GLP
Querosenos
Gasóleos
Lubricantes
Fuél óleo pesado
AC
Gasolinas
Ensayo al horno en película delgada TFO
Ensayo de película delgada en horno rotativo
(RTFO) . Simula el envejecimiento experimentado
durante la producción de HMA y la colocación del
pavimento Usado como prueba para determinar
pérdida de masa.
Ensayo al horno en película delgada TFO
Ensayo al horno en película delgada TFO
ÍNDICES DE ENVEJECIMIENTO
Cambio en la masa
% Penetración retenida
Relación de viscosidad
Incremento en el PA
Cambio en la CQ
Otros Cambios…….
Que podemos esperar?
Cual presenta mayor resistencia Al envejecimiento durante el proceso de mezclado y colocación?
Cual tendrá un mejor perfomance?
Que podemos esperar de estos ligantes?
Cual presenta mayor resistencia Al envejecimiento durante el
proceso de mezclado y colocación?
Cual tendrá un mejor perfomance?
Que podemos esperar?
Cual presenta mayor resistencia Al envejecimiento durante el proceso de mezclado y colocación?
Que podemos esperar?
Cual presenta mayor resistencia Al envejecimiento durante el proceso de mezclado y colocación?
Solubilidad
Spot test (“Oliensis”)
Que podemos esperar?
Cual presenta mayor resistencia Al envejecimiento durante el proceso de mezclado y colocación?
El sistema de calidad
QUALAGON presenta los
tres elementos más
importantes del desempeño
del asfalto.
Cohesión
Adherencia
Durabilidad
Es un método desarrollado por la Universidad
Politécnica de Cataluña: Félix Pérez Jiménez y
Rodrigo Miró Recasens
El método se centra en las características
funcionales que los ligantes bituminosos aportan
para un buen comportamiento de la mezcla. Del
ligante asfáltico interesa:
Su capacidad aglomerante: cohesión
Su susceptibilidad térmica: Comportamiento
Reológico.
Su adhesividad en presencia de agua
Su envejecimiento: aire, calor, rayos ultravioletas
Consiste en introducir en la
máquina de los Ángeles una
probeta Marshall y someterla al
ensayo de desgaste sin ningún
tipo de carga abrasiva.
Capacidad del ligante para
mantener unidas las partículas:
ductilidad, fragilidad
Se aplica a todo tipo de ligante
TEMPERATURA oC
PERDIDAS POR FRAGILIDAD PERDIDAS POR INCONSISTENCIA
% P
ER
DID
A A
L C
AN
TA
BR
O
PG 70-22
Grado de comportamiento
Temp. media máxima 7dias
Temp. mínima
Temperatura del Pavimento
SERVICIO MANEJO
-20 20 60 135
Temperatura del Pavimento, °C
Temperatura del Pavimento
Empleando modelos
reológicos.
Evaluando propiedades
reológicas: DSR, BBR,
Temperatura del Pavimento
EVALÚA
Propiedades Elásticas y Viscosas:
Viscoelasticidad
Dependencias del Tiempo y la Temperatura
OTROS NOMBRES:
Reómetros de Esfuerzo en Oscilación
Reómetros Dinámicos
Temperatura del Pavimento
Factor de deformación
Factor de fisuramiento
Viscosidad a corte cero
ZSV
Recuperación Elástica
mediante Creep Repetido
Creep Repetido Multi-
esfuerzo, MSCR (Multi
Stress Creep and
Recovery)
La capacitancia del flujo
(Non Recoverable Creep
Compliance) Jnr
Módulo Viscoso, G”
Módulo Elástico, G’
Módulo Complejo, G*
δ
El Módulo complejo tiene una componente Elástica y una Viscosa
Factor de ahuellamiento
G*/sen en ligante original >
1.00 kPa
G*/sen en ligante envejecido
RTFO > 2.20 kPa
La resistencia total del asfalto ante la
deformación y el aporte de la
componente elástica al desempeño
del asfalto en servicio.
δ
G*/sen δ en ligante
original > 1.00 kPa
Factor de Fisuramiento G* x Sen δ en ligante envejecido RTFO y PAV < 5000 kPa.
Este parámetro controla la parte de fatiga a largo plazo
PG 70-22 de refinería , 15mm ahuellamiento
PG 64-22 excelente comportamiento
Dos mezclas con la misma estructuración pero diferente tipo de ligante
PG 70-22 de refinería , 15mm ahuellamiento
PG 64-22 modificado, excelente comportamiento
Dos mezclas con la misma estructuración pero diferente tipo de ligante
y = -7.4519x + 10.956
R2 = 0.1261
0
2
4
6
8
10
12
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
rutting inches
G*/
sin
d 6
4C
El % de recuperación en MSCR se puede agregar
para validar la modificación con polímero
y = 4.7357x - 1.1666
R2 = 0.8167
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
ALF Rutting in
Jn
r
25.6kPa
Jnr
Ahuellamiento
Resistencia al Daño
Como determinamos cual
asfalto es el mejor para
nuestro proyecto?
Como determinamos cual
asfalto es el mejor para
nuestro proyecto?
Como determinamos cual
asfalto es el mejor para
nuestro proyecto?
Optimizar los recursos: definir claramente los responsables de la calidad
del AC.
Exigir Especificaciones claras acorde a las necesidades del proyecto
No improvisar exigiendo requerimientos al ligante: Estudio particular
Implementación de ensayos que modelen situaciones reales en servicio:
modelos reológicos
Análisis integral: escenarios de evaluación
Involucrar todos los materiales en la evaluación.
AHUELLAMIENTO FATIGA FATIGA To
P
O
R
C
E
N
T
A
J
E
%
Agregado
Ligante
0
100
80
60
40
20
Gracias por su atención!!!!!