4.0 asfalto y concreto 2014

Ing. Johny Bendezu Acero 1Pavimentos-2015

II Capítulo:

Caracterización de los materiales


2.3 Materiales Bituminosos

AsfaltoDefinición: El asfalto es un materialaltamente impermeable, adherente ycohesivo, capaz de resistir altosesfuerzos instantáneos y fluir bajo laacción de cargas permanentes.

Cambia su comportamientodependiendo de la temperatura y eltiempo de aplicación de la carga.

• A bajas temperaturas

• A altas temperaturas

Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 3

PSEUDO-PLÁSTICO

FLUIDO-VISCOSO

Propiedades

• Es un aglomerante resistente, muy adhesivo.

• Es altamente impermeable y duradero.

• Alta resistencia al envejecimiento

• Es una sustancia plástica que da flexibilidad controlable a las mezclas de áridos con los que se combina usualmente.

• Es altamente resistente a la mayor parte de los ácidos, álcalis y sales.

• Es una sustancia solida o semisólida a temperatura atmosférica normal.

• Puede licuarse fácilmente por aplicación de calor, por la acción de disolventes de volatilidad variable, o por emulsificacion.



Proceso Típico de Refinación

Asfaltos refinados para pavimentación.

Materiales asfalticos líquidos


Tipos de crudo

El petróleo crudo se destila para separar sus diversas fracciones y recuperar el asfalto.

Temperaturas de destilación de crudo de petróleo


Asfaltos con Base en el Petróleo

• El Asfalto es un sub-producto de refinería, obtenido del procesamiento del petróleo crudo.

• Sus propiedades dependen de:

– Operaciones en la refinería

– Composición de la fuente del crudo


Componentes del cemento asfalticoAsfáltenos

• Partículas sólidas bituminosas discretas.

• Alta Viscosidad.

• Proveen elasticidad, resistencia y cohesión.


Maltenos• Se subdividen en resinas y aceites.

Resinas• Muy susceptibles a la Temperatura. (fluidas cuando se calientan, semi-sólidas o sólidas a temperatura ambiente, quebradizas cuando están frías)• Son los responsables de la viscoelasticidad.• En la oxidación se transformanen asfáltenos.

Aceites• Aumentan la fluidez.• Soluble en la mayor parte de solventes• En la oxidación se transforman en resinas

Estructura Coloidal del Asfalto

• Normalmente se atribuye al asfalto una estructura dedispersión coloidal en forma de Gel.


Reología del Asfalto

• Estudio de los cambios en la forma y el flujo de la materia, abarcando, elasticidad, viscosidad y plasticidad.


Reología del Asfalto


Elástico Visco-Elástico Viscoso

Curva reologica del asfalto


Tipos de asfalto de pavimentación

Cemento Asfáltico

• Generalmente material producido en la refinería

• Cementos Asfálticos Soplados

Asfalto Diluido o Rebajado “Cutbacks”

• Cementos Asfálticos “rebajados” con solventes de petróleo (RC-MC-SC).

Asfalto Emulsificado

• Mezclas de cemento asfáltico, agua y un agente emulsificante.


Productos Asfalticos Líquidos


Cutbacks

Curado Rápido (RC) (Nafta o Gasolina)

• Alta volatilidad del solvente

• Riegos de Liga, Tratamientos Superficiales

Curado Medio (MC) (Kerosene)

• Moderada volatilidad

• Mezclas almacenables para bacheo

Curado Lento (SC) (Aceite de baja viscosidad)

• Baja volatilidad

• Imprimación, control de polvo


Emulsiones Asfálticas

Es un sistema heterogeneo que normalmente contienedos fases inmiscibles (asfalto y agua) en donde el aguaforma la fase continua de la emulsión, y pequeños glóbulosde asfalto forman la fase discontinua. La emulsión deasfalto pueden ser de tipo aniónico (glóbulos cargadosnegativamente) o catiónico (glóbulos cargadospositivamente), dependiendo del agente emulsionante.

• Aniónicas: carga negativa, alkalina, buena para calizas (carga positiva)

• Catiónicas: carga positiva, acida, buena con gravas silíceas (carga negativa)


Cemento asfáltico

El cemento asfáltico a emplear en los riegos deliga y en las mezclas asfálticas elaboradas encaliente serán clasificados:

• Por viscosidad absoluta

• Por penetración



Pruebas para determinar las propiedades del cemento asfaltico

• Penetración

• Viscosidad

• Ductilidad

• Punto de Inflamación

• Solubilidad

• Índice de penetración

• Ensayo de película delgada

Penetración

El ensayo de penetración determina la dureza oconsistencia relativa del asfalto, midiendo la distancia(mm/10) que una aguja normalizada penetraverticalmente.


PENetracion en 0.1 mm

Penetración


Tipos Usados en el Perú:

• CA PEN 40/50

• CA PEN 60/70

• CA PEN 85/100

• CA PEN 120/150

Viscosidad

• Se define como el pequeñorozamiento interno que seda entre las capas de unfluido. Esta es unapropiedad importante y uníndice de la medida en queeste rozamiento de lasmoléculas se opone almovimiento de la masa delfluido.


• Es la resistencia de unliquido a fluir.

Viscosidad

Relación entre elesfuerzo de corteaplicado y la tasade deformacióncortante.



Viscosidad del asfalto

• Comportamiento reológicocuando el asfalto seencuentra en estadoliquido.

• Indica la consistencia delasfalto

• Determina la resistencia aldesplazamiento en el rangode temperaturas usadasdurante los usos deaplicación.

Viscosidad Absoluta

• Tubo en forma de U, con marcas & rellenado con asfalto

• Colocado en un baño a 60 °C

• Se usa el vacío para hacer pasar el asfalto a través del tubo

• Se toma el tiempo para pasar las marcas

• Viscosidad en Poises


Viscosidad Cinemática

• Tubo con marcas & relleno con asfalto

• Colocado en un baño a 135 °C

• La gravedad mueve el asfalto a través del tubo

• Se toma el tiempo para pasar las marcas

• Visc. en mm2/ s (centistokes)


Viscosidad Saybolt Furol

Ductilidad

• Este concepto está directamente asociado a la capacidaddel material de absorber energía

• Es la medida en centímetros de la longitud final que alcanzael asfalto por estiramiento hasta su ruptura.

• Se elonga a una velocidad de 5 cm/mín a 25 °C.

• Una alta ductilidad indica mayor susceptibilidad térmica.

• los asfaltos con las ductilidades mas bajas, tienen una grantendencia a producir pavimentos con agrietamientoexcesivo.



Punto de inflamación

Punto de inflamación

(copa abierta de Cleveland)

• Es la Temperatura masbaja a la cual los vaporesdel asfalto puedeninflamarse al entrar encontacto con una “llama“.

Solubilidad

• Determina el contenido de Bitumen (Ligante) en el Asfalto.

• Mide la pureza de un cemento asfaltico.


Índice de penetración

• Expresa la sensibilidad del Asfalto ante una variación de temperatura.



Ensayo de película delgada

Ensayo de

Película delgada

• Se emplea para prever el endurecimiento que puede esperarse se produzca en el cemento asfaltico durante las operaciones de mezclado en las plantas de mezcla en caliente.

• Esta tendencia al endurecimiento se mide por ensayos de penetración realizados antes y después del tratamiento en estufa.


Especificaciones cemento asfáltico


3.3Mezclas asfálticas

Mezclas asfálticas• Las mezclas asfálticas están

formadas por un materialpétreo bien graduado ycemento asfáltico comoligante.

• Se elaboran en una plantaque calienta el materialpétreo a una temperatura de140 ó 150 ºC y el cementoasfáltico a una temperaturade 110 a 130 ºC.


• Después que el materialpétreo esté caliente y seco semezclan sus componentes deacuerdo a una composicióngranulométrica aprobada,incorporándole a continuaciónel cemento asfáltico en unacantidad previamentedefinida.

• Las mezclas terminadas seextienden en capas uniformesen el espesor y anchorequeridos, para luego sercompactadas a temperaturassuperiores a los 90 ºC.

Diseño de Mezclas de Concreto Asfáltico

• Objetivo: desarrollar una mezcla económica deagregados y asfalto que cumpla con losrequerimientos de diseño.

• Métodos de diseño de mezcla:

– Marshall

– Hveem

– Superpave (nuevo)


Propiedades volumétricas en las mezclas asfálticas

• Densidad de la mezcla

• Vacíos de aire, o simplemente vacíos

• Vacíos en el agregado mineral (VMA)

• Contenido de asfalto


Diseño de Mezclas de Concreto Asfáltico

Las mezclas asfálticas estánconstituidas aproximadamente porun 90 % de agregados pétreosgrueso y fino, un 5% de polvomineral (filler) y otro 5% de liganteasfaltico. Los componentesmencionados anteriormente son degran importancia para el correctofuncionamiento del pavimento y lafalta de calidad en alguno de ellosafecta el conjunto.


Cemento asfaltico

Propiedades consideradas en el diseño de mezclas

• Estabilidad

• Durabilidad

• Impermeabilidad

• Trabajabilidad

• Flexibilidad

• Resistencia a la fatiga

• Resistencia al deslizamiento


Temperaturas de aplicación del asfalto



Modulo de resilencia en mezclas asfálticas

Métodos basados en Ensayos de Laboratorio

1. Ensayo uniaxial de tensión

2. Ensayo de compresión uniaxial

3. Ensayo de flexión (viga o cantilever)

4. Ensayo de tensión indirecta diametral

5. Ensayo de compresión triaxial


Modulo de resilencia en mezclas asfálticas

Métodos Empíricos-Predictivos

Estabilidad en kg y flujo en mm.

Estabilidad en lb y flujo en pulgadas

Modulo dinámico en mezclas asfálticas

• Describe la relación esfuerzo-deformación de materiales visco elásticos.


Modulo dinámico en mezclas asfálticas E

• Es la principal propiedad de las mezclas asfálticas para los modernos métodos empírico-mecanicistas de diseño de pavimentos flexibles. Esta propiedad que describe la relación entre tensiones impuestas y deformaciones resultantes es fuertemente dependiente de la temperatura y la frecuencia de ensayo así como de otros factores tales como la rigidez del ligante asfáltico utilizado, la composición granulométrica de los agregados y los contenidos volumétricos de asfalto y vacíos. El equipo de ensayos permite la medición mediante dos configuraciones diferentes (compresión axial y tracción indirecta) a las frecuencias de 5, 4, 2, 1, 0.5, 0.25 y 0.1 Hz y a las temperaturas de 0, 10, 20, 30 y 40 °C lo que permite posteriormente al trazado de las respectivas Curvas Maestras.

Por otra parte, el equipo puede ser adaptado para medir el Módulo Resiliente de acuerdo a la Norma EN 12697-26, Mezclas bituminosas -Métodos de ensayo para mezclas bituminosas en caliente – Parte 26: Rigidez



Modulo dinámico en mezclas asfálticas(cálculo indirecto AAHSTO 2008)


Modulo de dinámico en mezclas asfálticas(cálculo indirecto Instituto del Asfalto)


Diferencias entre el módulo resilente y el módulo dinámico

CARACTERISTICA COMPRESION TRACCION INDIRECTAMODULO DINAMICO

COMPLEJOMODULO DINAMICO DE RIGIDEZ

ESPECIMEN4" de diámetro 8" de

altura

4" de diámetro y 2.5"

de espesor (Tamaño

de la muestra Marshall)

cilíndricasviga de 15" de largo

ancho y espesor 3"

TEMPERATURA

DE ENSAYO

ECUACION

MODULO

RESILENTE

CARGA LA QUE

SE CALCULA EL

MR20 psi 40-60 lb 200 repeticiones

TIPO DE CARGA sinusoidal o haversine haversine

DURACION DE LA

CARGA0.1 s 0.1 s 30-40 s 0.1 s

DURACION

REPOSO0.9 3 s sin reposo 0.4 s

MODULO RESILENTE

41, 77 Y 104 ºF

haversine

MODULO DINAMICO

r

d

RM

t

PM R

2734.0

3

22

4

43

hb

aLaPEs rte

Elog

*

1


Modulo de rigidez del asfalto (nomograma de Shell)


Modulo de rigidez del asfalto


Fatiga de mezcla asfáltica en función del tipo de agregado y la temperatura de la prueba

100

1000

10000

100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Cycles to failure

Un

it s

tra

in,

inc

h/i

nc

h (

x1

0-6

)

Crushed granite 85-

100, 75 oF

Uncrushed gravel 85-100,

40 oF Crushed granite

85-100, 40oF

Uncrushed gravel 85-

100 68oF


2.4 Concreto hidráulico

Concreto hidráulico



Materiales


Agregado fino


Agregado grueso


Agua


Concreto


Clases de concreto

Propiedades del concreto en estado fresco

Consistencia

Peso unitario

Contenido de aire

Temperatura de la mezcla



Revenimiento o slump

Asentamiento recomendado para diversos tipos de obras. (ACI-211.1-91)


Contenido de aire

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Quemaduras

Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero

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Cuidado

El contacto con el concreto fresco, mortero, cemento, o mezclas de cemento pueden causar la irritación de piel, graves quemaduras químicas o daño serio en los ojos.

La exposición frecuente puede ser relacionado con irritación y/o dermatitis alérgica de la piel .

Cuando se trabaje con estos materiales usar guantes impermeables, camisa larga , pantalones largos y protección adecuada para los ojos.

Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero


Estructura de Hid ratación de la pasta vs Relació n Agua/Cemento

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9

Relación Agua/Cem ento

Po

rce

nta

je

Ceme nto Hidratado Cemento sin hidra ta r Poros capilar es Agua de hidratación Agua Sobrante

Propiedades del concreto en estado endurecido

Resistencia a la Compresión

Resistencia a la Flexión

Módulo Elástico

Relación de Poisson

Resistencia a la abrasión


Resistencia a la Compresión

• Ensayo mucho mas fácil de realizar.

• Correlación con el modulo de rotura.

• Menos propenso a variaciones durante el ensayo.



Muestra con diamantina (extracción de núcleos por barrenacion)


Modulo de rotura (Sc)

• La resistencia a la tracción del concreto sedetermina por métodos indirectos (flexión ycompresión diagonal), los cuales producenvalores de resistencia mayores que la resistenciaa la tracción real bajo carga uniaxial.

• En la prueba de flexión el esfuerzo a la tensiónmáximo se alcanza en la fibra del fondo de laviga de prueba (módulo de rotura) el cual seemplea en el diseño de pavimentos.

Resistencia a la tracción directa


Resistencia a la tracción indirecta (compresión diametral)



Ensayo de compresión diametral o diagonal

dL

PSMR c

2'

Resistencia a la tracción indirecta (flexión)



Cálculo del módulo de rotura

• Módulo de rotura del concreto a los 28 días ensayo de viga cargada en el tercio

3'

db

lPSMR c


Modulo de Rotura del Concreto

Se aplica carga en el tercio central de una viga de 6x6x30” y cuando el tamaño máximo es menor a 1” la viga es de 4x4x20”, la prueba ASTM C78 se efectua en una viga de 6x6x20”


Modulo de rotura a partir del ensayo de compresión simple

Mr

Mr

Modulo de rotura a partir del ensayo de compresión simple



Elasticidad del concreto

• El concreto se comporta de manera no elástica-no lineal, y presenta deformación permanente despues del retiro de la carga.

• El módulo de Young se puede determinar únicamente para la parte inicial de la curva de carga.

• Cuando no esta presente una porción recta de la curva se puede medir el módulo tangente inicial.

• Para efectos prácticos se considera la deformación por la aplicación del esfuerzo de diseño se considera elástica y el subsecuente incremento como flujo plástico (módulo secante) se mide por lo general con esfuerzos que van de 15 a 50% de la resistencia de corto plazo.

Elasticidad del concreto



Módulo de elasticidad

Relacion de poisson

• La relación de Poisson es unamedida de la deflection que esperpendicular a la dirección dela carga. El valor usadocomúnmente para concreto es0.20 a 0.21, pero el valorpuede variar de 0.15 a 0.25dependiendo de los agregados,humedad, edad del concreto yresistencia a la compresión.


• The coefficient of thermal expansion ranges from 3 to 8 X 10-6/°F (5.4 to 14.4 x 10-6/°C), with 5 x 10-6/°F(9 x 10-6/°C) as typical. The coefficient of drying shrinkage ranges from 0 .5 to 2 .5 x 10-4, with 1 x 10-4 as typical .


Resistencia a la abrasión mecánica



Resistencia a la fatiga del concreto

• Cuando el concreto falla bajo ciertonúmero de cargas repetidas todas ellasmenores que la resistencia estática a lacompresión.

• Nf: numero de ciclos para la falla.

Resistencia a la fatiga del concreto

• La Asociación de Cemento Portland recomienda el uso de las siguientes ecuaciones de fatiga:



Fatiga en pavimentos de concreto


Fatiga en pavimentos de concreto

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08

Load application to failure

Str

ess/

stre

ngth

Kesler Samples did not fail (Kesler)Raithby & Galloway BallingerSamples did not fail (Ballinger) Best fit line

PCA

Zero maintenance

design

Figure 6-4.5 Summary of PCC fatigue data with three fatigue models (after 1)

4.0 asfalto y concreto 2014

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