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Emulsiones Bituminosas: La tcnica al servicio de la carretera
AngelMateosMoreno
Dr.Ingeniero
de
Caminos,
CanalesyPuertos
CentrodeEstudiosdel
TransportedelCEDEX
ComportamientoEstructural,
DimensionamientoyDiseo
IJornadaTcnicaNacionaldeEmulsionesBituminosas
Madrid,15febrero2012
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determinacin de los espesores de las distintas capas una vezdefinidas las caractersticas de los materiales que las componen
MB
ZA
Explanada
determinada
H1
H2
En qu consiste?
Dimensionamiento de firmes
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Catlogos
Nomogramas
Diseo Analtico
Norma6.1ICSeccionesdefirme(2003)
Cataloguedesstructurestypesdechaussesneuves,
Francia(1998)
Recomendacionesdeproyectoyconstruccindefirmesypavimentos,CastillayLen(2004)
NormaparaeldimensionamientodefirmesenlaRedde
CarreterasdelPasVasco(2007)
AASHTOGuide
for
Design
of
Pavement
Structures,
AASHTO1993
DesignManualforRoadsandBridges,RU(2006)
InstruccinparaeldiseodefirmesdelaRedde
Carreterasde
Andaluca
(2007)
NormadeseccionesdefirmedelaComunidadValenciana
(2009)
Designofpavementsandpavementreinforcement,
Dinamarca(1995)
Diseo AnalticoRecursivo-Incremental
MechanisticEmpiricalPavementDesignGuide,AASHTO2002
Cmo se lleva a cabo?
Dimensionamiento de firmes
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Ejemplo de Catlogo
Dimensionamiento de firmes
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trfico de 50 millones de ejes estndarde 80 kN... (T1 de la norma 6.1 IC)
equivalente a una zahorra artificial sobre
una explanada de unos 80-100 MPa
equivalente a una
mezcla tipo hormign
bituminoso del PG-3
Design Manual for Roads and Bridges,
Reino Unido (2006)
espesor del pavimento de la
seccin 121 de la norma 6.1 IC
Ejemplo de Nomograma
Dimensionamiento de firmes
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Consideracin del firme como
una estructura multicapa
Tensin o deformacin
en puntos crticos
Vida til
previsible
1 2 3
modelo multicapa
elstico lineal (m.e.l.)
leyes de fatiga
Ejemplos de Programas de Diseo Analtico
Dimensionamiento de firmes
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Catlogos
Nomogramas
DiseoAnaltico
experiencia
clculo
mecnico
Los catlogos y los nomogramas habitualmente se
elaboran mediante procedimientos analticos.
El diseo analtico tiene una fuerte base emprica,
especialmente por lo que respecta a las leyes de fatiga.
Bases del Dimensionamiento
Dimensionamiento de firmes
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Catlogos
DiseoAnaltico
Cmo introducir un nuevo material en un mtodo existente?
Coeficiente de Equivalencia
Caractersticas Mecnicas
Dimensionamiento de firmes
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Dimensionamiento va Coef. Equivalencia
mezcla bituminosa en fro
AC22S
BBTM11B
Cmo introducir un nuevo material en un mtodo existente?
Catlogos Coeficiente de Equivalencia
AC22 G
explanada E2
zahorra artificial
Seccin 121
norma 6.1 IC
30
25
3
7
20
AC22S
BBTM11B
explanada E2
zahorra artificial
3
7
20/CECE
Seccin 121*
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norma 6.1 IC... C.E. = 0.75 para la gravaemulsin
norma 6.3 IC... C.E. = 0.75 para el reciclado in-situ con emulsin
norma Junta de Andaluca... C.E. = 0.75-0.85 para la gravaemulsin
ATEB... C.E. = 0.75-0.85 para el reciclado in-situ con emulsin
FHWA... C.E. = 0.95 Type I CR
C.E. = 0.86 Type II CRC.E. = 0.57 Type III CR
Determinacin emprica...
Zahorra Artificial... 0.25
norma Junta de Andaluca... C.E. = 0.75 para el reciclado in-situ con emulsin Tipo III
C.E. = 0.5 " Tipo I
Dimensionamiento va Coef. Equivalencia
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Origen del concepto C.E. ... AASHO Road Test (1958 - 1961)
07.8log32.2
19.51
109440.0
5.12.4log
20.0)1log(36.9018log
RM
SN
PSI
SNSRZW
S.N. Structural Number (pulgadas)
Dimensionamiento va Coef. Equivalencia
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Sec. 121Sec. 121*
30
25
SN = 301 + 250.25 = 36.25 cm
3
7
25 (C.E. = 0.8)
SN = 101 + 250.8 + 250.25 = 36.25 cm
el firme se concibe como
un "paquete" de capas delque slo interesa el
espesor
Mediante el empleo del concepto de C.E., resulta
difcil tener en cuenta la diversidad de patologas
que puede presentar un firme...
Dimensionamiento va Coef. Equivalencia
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Cmo introducir un nuevo material en un mtodo existente?
DiseoAnaltico Caractersticas Mecnicas
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
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Explanada
zahorraartificial
MB
1er
Paso (modelo respuesta estructural)Modelizacin del firme como una estructura
multicapa con el fin de obtener la respuesta
estructural en determinadas localizaciones:
Fondo MB... fisuracin por fatiga (bottom-up)
Coronacin Exp... deformacin permanente
2 Paso (modelo de deterioro)Aplicacin de una ley de fatiga con el fin de predecir
la vida de servicio:
Para la fisuracin por fatiga... N vs MB
Para la deformacin permanente... N vs EXP
Log N
Log MB
Log EXP
Log N
NMB
NEXP
NFIRME ...
...min (NMB;NEXP)mecanismo crtico
de deterioro
Qu es el dimensionamiento analtico?Eje estndar
de 13 T
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
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Explanada
zahorraartificial
MB
Qu es el dimensionamiento analtico?Eje estndar
de 13 T
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
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Qu NO es el dimensionamiento analtico?
Orden Descripcin
1 Deformaciones permanentes en la mezcla bituminosa2 Prdida de resistencia al deslizamiento
3 Fisuracin superficial
4 Irregularidad longitudinal5 Agrietamiento longitudinal en la rodada
6Fisuracin por fatiga iniciada en el fondo de la capa de
mezcla bituminosa
7 Desprendimiento de los ridos
8Deformaciones permanentes provenientes de la
explanada
9
Levantamiento por efecto del hielo / fisuracin por bajas
temperaturas / dao por neumticos de clavos
COST333(1999)
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
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Qu NO es el dimensionamiento analtico?
envejecimiento
del betn!
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
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Cmo introducir un nuevo material en un mtodo existente?
DiseoAnaltico Caractersticas Mecnicas
Log N
Log MB
Log EXP
Log N
AC22S
BBTM11B
AC22 G
Exp. E2
Z.A.
30
25
Sec. 121Sec. 121*
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
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norma 6.1 IC... ???
norma 6.3 IC... ???
norma Junta de Andaluca (1999)... E = 2500 MPa para la gravaemulsin
ATEB... E = 1500-2000 MPa para el reciclado in-situ con emulsin Tipo I
E = 2000-3000 MPa " Tipo II
E = 3000-4000 MPa " Tipo II
LCPC... E = 1000-3000 MPa
Mdulo de las mezclas en fro...
Zahorra Artificial... max. 500 MPa
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
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Deformaciones permanentes provenientes de la explanada...Sec. 121*
E(MPa) h*(mm) C.E.
4000 220 0.91
2500 260 0.771500 310 0.65
S121
original
220 260 310
0
50
100
150
200
250
300
200 250 300 350 400
Deformacinverticalcoronacinexplanada
1500MPa2500MPa4000MPa
V()
h(mm)
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
h*
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Fatiga de la mezcla de la capa intermedia...Sec. 121*
E(MPa) h*(mm) C.E.
4000
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AC22S
BBTM11B
AC22 G
Exp. E2
Z.A.
30
25
Sec. 121 Sec. 121*
Dimensionamiento va Consideraciones Analticas
necesidaddeconoceren
profundidadelcomportamiento
mecnico
de
las
mezclas
en
fro
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Comportamiento Mecnico Mezclas en Fro
0
1000
2000
3000
4000
50006000
7000
0 100 200 300 400 500
TensindeConfinamiento (kPa)
ProcesodeCuradodelaGravaEmulsin
3das
1semana
3
semanas12semanas
15semanas
25CER(MPa)
rangomezclasACencaliente
Evolucionadesdeunazahorrahastauna
mezclaencalientealolargodeltiempo.
Cmo se comporta una grava-emulsin?
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0
1000
2000
3000
4000
5000
60007000
8000
0.1 1 10 100
InfluenciaTemp.yFrecuencia
4C
21C
38C
12semanas
=0.45%
E*(MPa)
(Hz) Menossensiblealatemperaturayla
frecuenciaqueunamezclaencaliente.
Cmo se comporta una mezcla en fro?
Comportamiento Mecnico Mezclas en Fro
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Mayormduloaaltastemperaturas/bajasvelocidades...menorsusceptibilidadalasroderas
Menormduloabajastemperaturas/altasvelocidades...menorsusceptibilidadalafatiga
100
1000
10000
100000
1E07 1E05 1E03 1E01 1E+01 1E+03 1E+05 1E+07
Mdulo
Dinmico(MPa)
MEPDG 5C 10C 20C 35C red
12 semanas
= 0.45%
Cmo se comporta una mezcla en fro?
Comportamiento Mecnico Mezclas en Fro
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Pista de ensayo de firmes a escala real del LCPC
Conclusionesdelensayo:
Tras
la
construccin,
la
gravaemulsin
presenta
una
capacidad
portante
inferior
a
la
zahorraoriginal(sintratar)
Problemasinicialesdedeformacionespermanentes.
Elprocesodefatigaesdiferentealdelasmezclasencaliente:
Mnimafisuracinymenosacentuada.
Mantienencapacidad
portante
an
para
niveles
elevados
de
deterioro.
Comportamiento Mecnico Mezclas en Fro
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10
100
1000
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
nmero de ciclos
AC()
Shift Factor
Fatiga de las Mezclas en Fro
Cmo se determina una ley de fatiga para
una mezcla en caliente?
Las leyes de fatiga de laboratorio NO
son aplicables a firmes en servicio.
Es esperable este comportamientopara una mezcla en fro?
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E*LAB.
0.5E0
Nf ciclos
Paso del laboratorio a la realidad:
diseo mecnico-emprico
recursivo incremental
E*IN-SITU
vehculos pesados
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Fatiga de las Mezclas en Fro
Es esperable una reduccin progresiva del mdulo comoconsecuencia de la fatiga.
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Necesidaddeconsiderarlaevolucindelanaturalezadelamezclaenfro.
Situacincrtica...
...deformacinpermanente: iniciodelavidadeservicio,bajocondicionesde
humedadelevada.
...fatiga: unavezadquiridalacohesinfinal.
Deformacinpermanente:
Elmaterial
tratado
con
emulsin
puede
resultar
ms
crtico
que
antes
de
tratar,
mientrasnoseeliminebuenapartedelagua.
Considerarevaluacindelmaterialenelequipotriaxialdinmico.
Fatiga: Nobastacondeterminarlaleydefatigadelmaterialenellaboratorio.
Necesidaddedeterminarelprocedimientodeacondicionamientodelmaterial
quesearepresentativodelcomportamientoamediolargoplazo.
Qusupone
el
proceso
de
fatiga
de
una
mezcla
en
fro?
Conclusiones: Aproximacin Analtica
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Adenda: Mtodos M-E Recursivo-Incrementales
AASHTO 2002
Ventajasfrentealdimensionamientoanaltico
convencionalparamezclasenfro:
Puedenabordarpropiedadesmecnicasqueevolucionanconeltiempo.
Consideracinde
la
historia
climtica
del
firme.
Permitenabordarotrostiposdedeterioro:descensodelmduloporfatiga,fisuracin
topdownydeformacinpermanentedelamezcla.
Adems...
Suobjetivo
no
es
predecir
la
vida
til,
sino
la
evolucin
en
el
tiempo
de
los
mecanismos
dedeterioro:posibilidadderecalibracin,ayudaalatomadedecisiones.
Suponenunvnculoentrelaspropiedadesfundamentalesdelaboratorioyel
comportamientoenservicio:PerformanceRelatedSpecifications.