Medición y Estimación del Módulo Dinámico de MAC Utilizadas en Chile Autores: Gabriel García,...
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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
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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
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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
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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
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/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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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UNIVERSIDAD TÉCNICA UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍAFEDERICO SANTA MARÍA
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Campus Santiago – San JoaquínCampus Santiago – San Joaquín
¡Muchas Gracias!