Cap. 6SUPERPAVE LIGANTES

1. Introducción

2. Reologia del Asfalto

3. Tipos de Fallas Asociadas al Diseño

4. Ensayos para la Evaluación del Envejecimiento

5. Ensayos para la Medición Propiedades Reológicas

6. Medición del DSR a Temperatrura XX: G* y d

7. Medición del BBR para Temperatura YY: S y “m”

8. Medición del DDT para Temperatura YY

9. Especificaciones

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

1.1 Antecedentes

Programa SHRP– SHRP = Programa Estratégico de Investigación

de Carreteras.

– Octubre 1987 a Marzo 1993

– US$ 150 millones, un tercio destinado al desarrollo de ensayos y especificaciones para asfalto.

– US$ 108 + millones para implementación.

Resultados– SUPERPAVE

Superior Performing Asphalt Pavements.

– Especificaciones para Asfalto.

– Especificaciones para Agregado.

– Método de Diseño de Mezclas Asfálticas.

– Modelos de Predicción del Comportamiento.

1. Introducción

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Programas Actualmente en Desarrollo

– LTPP = programa de seguimiento de pavimentos de largo plazo, con más de 400 secciones de prueba en USA (desde 1993).

– Westrack: pista de prueba artificial, para pruebas de mezclas, ubicado en Reno, Nevada (finalizada).

– SPS y GPS: estudios especiales sobre tópicos de pavimentos.

– NCHRP: programas regionales de investigación.

WESTRACK

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG XX-YY

Performance

Grade

Temp. máxima de

pavimento

de 7 días. 2 cm. Bajo Superficie.

Temp. Max. Media Movil

7 días seguidos del año.

Temp. mínima de

pavimento.Temperatura Min.

Absolúta en la

Superficie del

Pavimento

1.2 Especificación del Grado Asfáltico (PG)

Región geográfica. Basados en datos históricos.

Temperaturas de pavimento. Estimadas a partir de registros históricos de temperaturas del aire.

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Especificaciones: Establece propiedades reológicas mínimas a cumplir según

condiciones de temperatura y cargas.

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG XX -YY

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG XX -YY

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

ORIGINAL

ENVEJECIDO

“NEW”

ENVEJECIDO

“OLD”

ENVEJECIDO “OLD & COLD”

AGRIETAMIENTO

TÉRMICO

CREEP

DEFORMACIÓN

PERMANENTE

BOMBEO

MEZCLADO

COMPACTACIÓN

Especificaciones: Considera al asfalto en tres etapas diferentes de

comportamiento: .

Servicio

Largo Plazo

Servicio

Corto Plazo

Transporte

Construcción

Etapa del Proceso Propiedad de

Desempeño

Condiciones

de Trabajo de Ensayo

ORIGINAL

ORIGINAL

y RTFOT

RTFOT

+ PAV

RTFOT

+ PAV

Elástico Visco-elástico Viscoso

0ºC 4ºC 25ºC 60ºC 135ºC

2. Reología del Asfalto

Fatiga

Deformación

Agrietamiento Térmico

Mediciones Empíricas de

Consistencia

V. Abs. V. Cin.A y B

Duct.

PenFraass

25 ºC 60 ºC 135

ºC

Ensayos Tradicionales

Elástico Visco-elástico Viscoso

0ºC 4ºC 25ºC 60ºC 135ºC

2. Reología del Asfalto

Fatiga

Deformación

Agrietamiento Térmico

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Definición: Representa la resistencia que opone un líquido a escurrir ante esfuerzos de

corte.La viscosidad se puede medir en forma absolúta con el ensayo de platos paralelos (*) o

en forma relativa con el empleo de tubos capilares.

El material tendrá un comportamiento Newtoniano en las etapas de bombeo, mezclado y

compactación. Actuará como un líquido de viscosidad variable dependiendo de la temperatura.

Para cada temperatura habrá un solo valor de viscosidad.

h = /

2.1 Comportamiento como Líquido Newtoniano

q

F

dy

v

A

v+dv

A

= h dv/dy

Elástico Visco-elástico Viscoso

0ºC 4ºC 25ºC 60ºC 135ºC

2. Reología del Asfalto

Fatiga

Deformación

Agrietamiento Térmico

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Tiempo

Defo

rm

ació

n

Deformación elástica

Deformación plástica

resorte

amortiguador

Modelo Reológico de Maxwell

2.2 Comportamiento como Líquido no-Newtoniano

El material tendrá un comportamiento no Newtoniano

en las etapas de servicio. Presentará un

comportamiento visco-elástico. Su comportamiento

variara para cada temperatura y velocidad de carga.

Elástico Visco-elástico Viscoso

0ºC 4ºC 25ºC 60ºC 135ºC

2. Reología del Asfalto

Fatiga

Deformación

Agrietamiento Térmico

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

2.3 Comportamiento como Material Elástico Frágil

f

Tensión

Deformación

f L

L

L + LLe

eL

L=

El material tendrá un comportamiento Elástico Frágil en las etapas de servicio y sometido a

condiciones extremas de bajas temperaturas. El material presenta una muy baja ductilidad

la que se agrava más cuando el asfalto presenta un exceso de envejecimeinto.

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Es un tipo de falla funcional. No depende del diseño estructural. Depende

principalmente del agregado, aunque la selección del grado PG del asfalto

juega un rol importante.

Se relaciona con el comportamiento a altas temperaturas en servicio.

Principalmente transcurrido los primeros tres años de vida.

Altas Tº

Cargas pesadas

Cargas lentas

3. Tipos de Fallas Asociadas al Diseño

3.1 Rutting o Ahuellamiento

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Repetición de

Cargas

Tº baja a moderada

Envejecimiento

3.2 Agrietamiento por Fatiga (Agrietamiento Piel de Cocodrilo)

Es un tipo de falla estructural. No depende del diseño estructural y el diseño

de la mezcla.

Se relaciona con el comportamiento en el “largo plazo” una vez que el asfalto

alcanza un estado de envejecimiento medio (no se produce el efecto “healing”)

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Bajas Tº

Envejecimiento

asfalto

Mezcla frágil

3.3 Agrietamiento Térmico (Agrietamiento Transversal)

Es un tipo de falla no estructural y puede causar problemas funcionales. No

depende del diseño estructural. Depende principalmente del asfalto y en muy

menor medida del diseño de la mezcla.

Se relaciona con el comportamiento en el “largo plazo” una vez que el asfalto

alcanza un estado de envejecimiento medio (no se produce el efecto “healing”)

y condiciones de temperatura extrema (bajas).

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Envejecimiento de Corto Plazo

Durante mezclado y construcción. Se usa el RTFOT (Horno Rotatorio de Película

Delgada).

Envejecimiento de Largo Plazo

Considera el envejecimiento adicional que sufre el asfalto, una vez que se encuentra

en servicio. Se usa el ensayo PAV (cámara de envejecimiento a presión).

4. Ensayos para la Evaluación del Envejecimiento

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

163 ºC, 75 minutos

4.1 Ensayo RTFOT

Rolling Thin Film Oven Test

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Combina alta temperatura (90,

100 o 110 ºC) y presión (2.1 MPa),

durante 20 horas.

4.2 Ensayo PAV

Pressure Aging Vessel

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Viscómetro Rotacional

Reómetro Dinámico

Tracción Directa

Temperatura

Viga Reométrica

Agrietamiento Térmico

Bombeo yConstrucción

Ahuellamiento

Agrietamiento por Fatiga

Reómetro Dinámico

5. Ensayos para la Medición Propiedades Reológicas

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Viscómetro Rotacional

Reómetro Dinámico

Tracción Directa

Temperatura

Viga Reométrica

Agrietamiento Térmico

Bombeo yConstrucción

Ahuellamiento

Agrietamiento por Fatiga

Reómetro Dinámico

5. Ensayos para la Medición Propiedades Reológicas

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Mide Viscosidad a 135 y 165 ºC en Pa-s en estado original.

Condiciones de manejo, bombeo, mezclado y compactación

Perfil temperatura / viscosidad del asfalto.

Especificación: Máximo 3 Pa-s (3000 cP) a 135 ºC

Spindle

Torque

Asfalto

Cápsula135 ºC

20 rpm

5.1 Viscometro Rotacional Brookfield

q

1 Pa-s = 10 Poises

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Control de

Temperatura

Termo -

contenedor

cP 375 SP21

20RPM 135.0 C

viscosidad # vástago

velocidad Tº

Viscometro Brookfield

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Temperaturas de Mezclado y Compactación

Con el equipo Brookfield ya no es necesario extrapolar los resultados desde los 135 ºC. Se recomienda realizar una medida adicional a 165 ºC.

Para asfaltos modificados, el uso de estos rangos puede producir temperaturas demasiado altas. Se deben usar otros criterios.

C: 0.280.03 Pa.s

M: 0.170.02 Pa.s.1

.2

.3

.5

1

10

5

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Temperatura, ºC

Viscosidad, Pa s

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Viscómetro Rotacional

Reómetro Dinámico

Tracción Directa

Temperatura

Viga Reométrica

Agrietamiento Térmico

Bombeo yConstrucción

Ahuellamiento

Agrietamiento por Fatiga

Reómetro Dinámico

5. Ensayos para la Medición Propiedades Reológicas

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Vástago

oscilante

Torque

Base

Asfalto

5.2 Reómetro de Corte Directo (DSR)

Mide Módulo Complejo (G*) y Angulo de Fase d

Se mide para temperatura PG XX – YY

Se mide en estado Original, después de RTFOT, despues de PAV

Se mide a 10 rad/seg equivalente a 80-100 km/h

.

Radio (r)

Torque (T)

G* =max

max

Q

Altura (h)

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Reómetro de Corte Directo (DSR)

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Viscómetro Rotacional

Reómetro Dinámico

Tracción Directa

Temperatura

Viga Reométrica

Agrietamiento Térmico

Bombeo yConstrucción

Ahuellamiento

Agrietamiento por Fatiga

Reómetro Dinámico

5. Ensayos para la Medición Propiedades Reológicas

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Baño líquido

Transductor de deflexión

Celda carga

Viga asfáltica

Procesador

Sensor de Tº

5.3 Viga Reométrica de Flexión (BBR)

Mide Rigidez (S) y Pendiente de la Curva log(S) v/s log(t), valor “m”

Se mide para temperatura PG XX – YY (***).

Donde: (60 seg., Tºmin + 10ºC) = (2 h, Tºmin)

Se mide en estado después de RTFOT y PAV

.

127 mm

a = 6.35

b = 12.70

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Viga Reométrica de Flexión (BBR)

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Viscómetro Rotacional

Reómetro Dinámico

Tracción Directa

Temperatura

Viga Reométrica

Agrietamiento Térmico

Bombeo yConstrucción

Ahuellamiento

Agrietamiento por Fatiga

Reómetro Dinámico

5. Ensayos para la Medición Propiedades Reológicas

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

L

Carga

L

Le

Falla

5.4 Ensayo Tracción Directa (DTT)

Mide deformación a la falla frágil. Mide capacidad de elongarse a baja temperatura

Se mide para temperatura PG XX – YY

Se mide en estado después de RTFOT y PAV

f

Tensión

Deformación

f

f =L

Le

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

30 mm

20 mm

99.98 mm

6 mm

5 mm

radius

5 mm

radius

18 mm(Le)

Le = 33.8

mm

Ensayo Tracción Directa (DTT)

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

tiempo

posiciónvástago

AB C

A

INICIO DEL ENSAYO

6. Medición del DSR a Temperatrura XX: G* y d

6.1 Evolución del Ensayo DSR

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

tiempo

posiciónvástago

AB C

B

A

max

ENSAYO

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

tiempo

posiciónvástago

AB C

B

A

ENSAYO

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

tiempo

posiciónvástago

AB C

A

C

ENSAYO

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

tiempo

Posición

vástago

AB C

C

A

UN CICLO COMPLETO

max

ENSAYO

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

G* = max

max

d = Desfased

Esfuerzo de corte aplicado

Tiempo

Deformación de corte observada

Tiempo

INTERPRETACIÓN ENSAYO

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

max

Caso Elástico: d = 0º

max

max

Desfase d = 90º

max

Esfuerzo de corte aplicado

Deformación de corte

observada

Caso Viscoso: d = 90º

Tiempo

Tiempo

d = 0º

6.2 Comportamiento Elástico y Viscoso

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

G’’Parte

viscosa

G’ Parte

elástica

G*

G’’

G’

G*

G’’

G’

Comportamiento

Newtoniano

Comportamiento

Elástico

d

G*

6.3 Representación Módulo Complejo y Angulo de Fase.

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

6.4 Interpretación Especificación para Ahuellamiento

La energía disipada en cada ciclo se representa como:

Wc = p x o x x sen(d ) donde, = o / G*

Remplazando y ordenando: Wc = p x 2o x ( 1 / G* / sen(d) )

Por lo tanto para prevenir Rutting se maximiza G* / sen(d)

Con lo cual:

Se minimiza trabajo disipado

Se aumenta resistencia a la deformación

Se asegura una mayor recuperación elástica

Asfalto Original: G* / sen(d) mínimo 1 kPa a Tº XX

Asfalto Original después de RTOFT: G* / sen(d) mínimo 2.2 kPa a Tº XX

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

6.5 Interpretación Especificación para Fatiga

La energía disipada en cada ciclo se representa como:

Wc = p x o x x sen(d ) donde, o = x G*

Remplazando o y ordenando: Wc = p x 2 x ( G* x sen(d) )

Por lo tanto para aumentar la vida a la fatiga se minimiza G* x sen(d )

Con lo cual se minimiza el trabajo disipado.

Asfalto Original después de RTOFT y después de PAV:

G* x sen(d) máximo 5000 kPa a Tº XX

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

60 secTiempo

Deflexión

(60)

Simula rigidez a Tº YY

después de 2 horas a

Tº ensayo + 10º C

7. Medición del BBR para Temperatura YY: S y “m”

S = Rigidez a 60 segP = 100 g

= Deflexión a 60 seg.

S(t) = PL3

4bh3 (t)

7.1 Cálculo Rigidez S

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Log Rigidez en Creep, S

Log Tiempo Carga

Pendiente = valor-m

60 seg8 15 30 120 240

Pendiente de la Curva log(S) v/s log(t), valor “m”

7.2 Cálculo Rigidez valor “m”

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

7.3 Interpretación Especificación para S y “m”

El BBR mide la rigidez del ligante a muy bajas temperaturas. El ensayo se

vale de la teoría de vigas para medir la rigidez de una pequeña viga de

asfalto simplemente apoyada, bajo carga Creep. Se aplica una carga Creep

para simular los esçfuerzos que gradualmente se producen en un

pavimento al bajar la temperatura.

Los ligantes con baja Stifness en Creep, no se fisuran en tiempo frío.

S máximo 300 Mpa

Los ligantes con altos valores de “m” son más efectivos en la relación de

tensiones que se desarrollan en la estructura de pavimentos asfálticos

cuando la temperatura desciende, asegurando un mínimo de fisuramiento

por baja temperatura.

valor “m” mínimo 0,3

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

8. Medición del DDT para Temperatura YY

El DDT mide la máxima deformación por tracción de un ligante asfáltico.

El ensayo es un complemento del BBR y se recomienda para pavimentos

en condiciones extremas.

La especificación exige una deformación específica mínima en la falla del

1%

f

Tensión

Deformación

f

1 %

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

Seguridad:

Flash Point 230 ºC

Contenido de Solvente:

Pérdida de masa en RTFO 1 %

9. Requisitos Generales

Capítulo 5G.

The

noux

Z.

PG 64 -10

Capítulo 5G.

The

noux

Z.