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Medición y Estimación del Módulo Dinámico de MAC Utilizadas en Chile
Autores:Gabriel García, Ph.D., Ing.Civ.Mauricio Toro, Ing.Civ.Rodrigo Delgadillo, Ph.D., Ing.Civ.Carlos Wahr, Ing.Civ.
IAG129-01-2013
Introducción• En un diseño E-M, se utiliza la relación esfuerzo-deformación, i.e.,
el “módulo”, para caracterizar los materiales asfálticos
• El módulo dinámico (IE*I) es utilizado para caracterizar las MAC en la nueva Guía de Diseño Empírico-Mecanicista AASHTO (MEPDG)
• Como parte de un proyecto más global, la UTFSM ha comenzado a determinar IE*I, por primera vez en el país, usando el enfoque de la MEPDG
• El objetivo de este trabajo, es la caracterización de 5 MAC chilenas (curvas maestras e isócronas) y la evaluación de 4 modelos para estimar IE*I
Ensayo de laboratorioEsfuerzo de Compresión Uniaxial
Tiempo
eoso
Esfuerzo:s = sosin(wt)
Deformación:e = eosin(wt-)
o
oEes*
Imag
inar
io
RealE1
E2
|E*|E*
)(*
*
* w
w
es
es
ti
o
tio
ee
E
Módulo Dinámico IE*I
Modelos PredictivosEstimación del IE*I Usando Ecuaciones Predictivas
• El ensayo para “medir” IE*I es difícil y caro
• Por lo tanto, es muy deseable un método simple pero confiable para “estimar” IE*I
• El ideal es basarse en propiedades ya conocidas por medio de los ensayos rutinarios (asfalto, mezcla y agregados)
• Cuatro modelos se evaluaron en este estudio:
Modelo Witczak Original (MEPDG AASHTO)
Modelo Witczak Modificado
Modelo Hirsch
Modelo Al-Khateeb
/4
3/8
4
200
Va
Vbeff
f
Granulometría
Propiedades Volumétricas
Frecuencia / Tiempo de Carga
Viscosidad
))log(393532.0)flog(313351.0603313.0(34
238384
abeff
beff
a42
200200
e1
)(00547.0)(000017.0003958.00021.0871977.3
VV
V802208.0
V058097.0002841.0)(001767.0029232.0249937.1*Elog
)flog( re1)*Elog(
)][log())log(log( RTVTSA
Modelos PredictivosModelo Witczak Original
Modelo Witczak Modificado
)log(8834.0*Glog5785.07814.0
342
3838beffa
beffa
beffa
beffa
23838
244
2200200
0052.0
b
bbe1
01.00001.0012.0VV
V71.0V03.056.2
VV
V06.1V08.000014.0006.0
0001.0011.00027.0032.065.6
*G 754.0349.0)*Elog(
)flog( re1)*Elog(
/4
3/8
4
200
Va
Vbeff
Granulometría
Propiedades Volumétricas
IGb*I
b
Módulo de Corte Dinámico del Bitumen
Angulo de fase del Bitumen (asociado a IG*I)
Nota:
Para desarrollar la curva maestra de IE*I de la mezcla, se requiere curva maestra de IGb*I y b del asfalto
Modelos Predictivos
Modelo Hirsch1
*3000,200,4100
1)1(
000,10*3
1001000,200,4*
bb GVFA
VMAVMA
PcVMAVFA
GVMA
PcE
58.0
58.0
*3650
*320
VMA
GVFA
VMA
GVFA
Pcb
b
Va's
Vms VvsVa'p Vmp Vvp
Propiedades Volumétricas
IGb*IMódulo de Corte Dinámico del Bitumen
VMA
VFA
Nota:
Para desarrollar la curva maestra de IE*I de la mezcla, se requiere curva maestra de IGb*I del asfalto
Modelos Predictivos
Va
Vm
Vv
p
s
Vol. Agregado
Vol. Asfalto
Vol. Vacíos de Aire
Paralelo
Serie
Modelo Al-Khateeb
Nota:
Para desarrollar la curva maestra de IE*I de la mezcla, se requiere curva maestra de IGb*I del asfalto
Modelos Predictivos
gb
b
b
G
VMAG
VMAG
VMAE *
*13,01100
*45,190
100
1003*
66.0
66.0
Propiedades Volumétricas
IGb*I
IGb*Ig
Módulo de Corte Dinámico del Bitumen
VMA
Módulo de Corte Dinámico del Bitumen en Estado Vítreo
VS
Vb
Va
Vol. Agregado
Vol. Asfalto
Vol. Vacíos de Aire
VS Vb Va
Mezclas Estudiadas
• IV-A-12: Densamente graduada, se incluyeron 2 tipos, una con asfalto convencional y una con asfalto modificado
• M-10: Microaglomerado discontinuo en caliente, utilizada como capa de rodadura
• SMA: “Stone Mastic Asphalt”, se estudiaron 2 tipos, una con pellet de celulosa con asfalto y una con fibras de celulosa
Materiales Utilizados
Granulometrías de las Mezclas
Materiales Utilizados
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.05 0.5 5 50
Po
rcen
taje
Qu
e P
asa
(%)
Abertura Tamiz (mm)
IV-A-12
Banda de Trabajo
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.05 0.5 5 50
Po
rcen
taje
Qu
e P
asa
(%)
Abertura Tamiz (mm)
SMA
Banda de Trabajo
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.05 0.5 5 50
Po
rcen
taje
Qu
e P
asa
(%)
Abertura Tamiz (mm)
M-10
Banda de Trabajo
Materiales Utilizados
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.05 0.5 5 50
Po
rce
nta
je Q
ue
Pa
sa
(%)
Abertura Tamiz (mm)
IV-A-12M-10SMA
Granulometrías de las Mezclas
Asfalto y Propiedades Volumétricas
Materiales Utilizados
Mezcla
Grado (PG) Contenido(%) Va VMA VFA
IV-A-12-C 64-22 5,1 5,8 15,4 9,6
IV-A-12-M 70-28 5,1 4,4 15,4 11,0
M-10 70-22 5,3 13,0 28,4 15,4
SMA-P 70-22 6,8 2,8 17,0 14,2
SMA-F 70-22 6,0 4,6 18,1 13,5
Asfalto Propiedades Volumétricas
Condiciones de Ensayo en Laboratorio•Norma: AASHTO T 62-03
•Onda de carga: “haversine”
•Probetas (comp. giratorio): d = 100 mm, h = 150 mm
•Temperaturas: -10, 4, 21, 37 y 54oC
•Frecuencias: 0,1; 0,5; 1,0; 5; 10; y 25 Hz
Comparación de Curvas Maestras•Temperatura de referencia: 21oC
Resultados
50
500
5000
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
IE*I
, M
Pa
Frecuencia Reducida, Hz
SMA-FSMA-PM10IV-A-12-MIV-A-12-C
Rango de
interés
Comparación de Curvas Maestras•Temperatura de referencia: 21oC
Resultados
500
5000
1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02
IE*I
, M
Pa
Frecuencia Reducida, Hz
SMA-FSMA-PM10IV-A-12-MIV-A-12-C
Rango de interés
Comparación de Curvas Isócronas•Frecuencia de referencia: 10 Hz
Resultados
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
IE*I
, M
Pa
Temperatura, � C
SMA-FSMA-PM10IV-A-12-MIV-A-12-C
Comparación de Curvas Isócronas•Frecuencia de referencia: 10 Hz
Resultados
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
-10 -5 0 5 10 15 20
IE*I
, M
Pa
Temperatura, � C
SMA-FSMA-PM10IV-A-12-MIV-A-12-C
Comparación de Curvas Isócronas•Frecuencia de referencia: 10 Hz
Resultados
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
20 25 30 35 40 45 50
IE*I
, M
Pa
Temperatura, � C
SMA-FSMA-PM10IV-A-12-MIV-A-12-C
Evaluación Modelos Predictivos•Rango de evaluación: 10-4 – 104 Hz, a 21oC
Resultados
IE*Ie = 1.3699 x IE*ImR² = 0.57
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05
IE*I
Est
imad
o, M
Pa
IE*I Medido, MPa
Witczak OriginalDatosIgualdadLineal
IE*Ie = 2.5186 x IE*ImR² = 0.84
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05
IE*I
Est
imad
o, M
Pa
IE*I Medido, MPa
Witczak ModificadoDatosIgualdadLineal
IE*Ie = 0.5032 x IE*ImR² = 0.96
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05
IE*I
Est
imad
o, M
Pa
IE*I Medido, MPa
Hirsch
DatosIgualdadLineal
IE*Ie = 0.8102 x IE*ImR² = 0.39
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05
IE*I
Est
imad
o, M
Pa
IE*I Medido, MPa
Al-KhateebDatosIgualdadLineal
Calibración del Modelo Hirsch
Resultados
FC = (1/0.5032) = 1.99 2
IE*Iec = 2.0 x IE*Ie-Hirsch
IE*Iec = 1.0 x IE*ImR² = 0.96
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05
IE*I
Est
imad
o, M
Pa
IE*I Medido, MPa
Hirsch Calibrado
Datos calibradosIgualdadLineal
IE*Ie = 0.5032 x IE*Im
Se ha caracterizado el IE*I de 5 MAC (2 densas, 1 discontinua y 2 SMA) por primera vez en Chile:
•Curvas maestras → caracterización fundamental, pero difícil de interpretar
•Curvas isócronas → más útiles en términos del comportamiento potencial de un pavimento
Los resultados a altas temperaturas (54oC) mostraron variabilidad excesiva → usarlos con cautela
Se evaluaron 4 modelos predictivos del IE*I:
•Manera más rápida y económica de estimar IE*I, con confiabilidad suficiente para el diseño E-M
•Modelo Hirsch resultó el mejor evaluado: mayor precisión (R2 = 0.96)
•Se propone un Fc = 2 para el Modelo Hirsch
Conclusiones
UNIVERSIDAD TÉCNICA UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍAFEDERICO SANTA MARÍA
Casa Central ValparaísoCasa Central Valparaíso
Campus Santiago – San JoaquínCampus Santiago – San Joaquín
¡Muchas Gracias!