ensayos a mezclas asfálticas - javeriana
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
i
FACULTAD DE INGENIERIacuteA Maestriacutea en Ingenieriacutea Civil
Trabajo de Grado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
Presentado por Jonathan Vera Silva
Director Manuel Santiago Ocampo Terreros
Bogotaacute DC Abril de 2012
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ii
APROBACIOacuteN
El Trabajo de Grado con tiacutetulo ldquoCARACTERIZACIOacuteN DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS POR
SU RESISTENCIA A FATIGA POR REFLEXIOacuteNrdquo desarrollado por el estudiante
JONATHAN VERA SILVA en cumplimiento de uno de los requisitos depuestos por
la Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ingenieriacutea Departamento de
Ingenieriacutea Civil para optar el Tiacutetulo de Magister en Ingenieriacutea Civil fue aprobado
por
Director Manuel Santiago Ocampo Terreros
Jurado 1
Fredy Alberto Reyes Lizcano
Jurado 2 Wilmar Dariacuteo Fernaacutendez Goacutemez
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por Su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
Jonathan Vera Silva
La Pontificia Universidad Javeriana no es responsable por los conceptos emitidos
por los autores-investigadores del presente trabajo por lo cual son responsabilidad
absoluta de sus autores y no comprometen la idoneidad de la institucioacuten ni de sus
valores
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
iv
Con infinito amor carintildeo y respeto dedico de
una manera muy especial este trabajo de
grado a mis padres personas importantes y
trascendentales en mi proyecto de vida y con
las que sigo compartiendo los grandes retos
que existen en ella
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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AGRADECIMIENTOS
El autor desea expresar sus maacutes sinceras muestras de agradecimiento
hellipA los Ingenieros Fredy Alberto Reyes Lizcano Director de la Maestriacutea en Ingenieriacutea Civil
y Manuel Santiago Ocampo Terreros por su orientacioacuten y dedicacioacuten en el desarrollo de
esta investigacioacuten por la confianza y el apoyo constante depositado en mi persona
hellipA los Ingenieros Wilmar Dariacuteo Fernaacutendez Goacutemez y Ana Sofiacutea Figueroa Infante por sus
aportes en el desarrollo de este proyecto y por compartir sus amplios conocimientos y
experiencia
hellipA mis padres por creer y confiar siempre en miacute apoyaacutendome en todas las decisiones
tomadas en la vida y a mi novia por su amor paciencia comprensioacuten y motivacioacuten
hellipA mis maestros por su asesoriacutea y conocimientos al personal de laboratorio por su
colaboracioacuten desinteresada a mi amigo incondicional Rodrigo y a mis compantildeeros con
quienes nos apoyamos mutuamente en nuestra formacioacuten profesional
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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RESUMEN
La fatiga por reflexioacuten en mezclas asfaacutelticas ocurre cuando eacutestas son colocadas
directamente sobre capas estructurales de pavimento fisuradas como es el caso
de carpetas de rehabilitacioacuten colocadas sobre losas de concreto deterioradas El
movimiento de los bloques riacutegidos en la capa inferior debido a las cargas de los
vehiacuteculos y los cambios de temperatura genera esfuerzos de corte yo tensioacuten en
la mezcla asfaacuteltica colocada inmediatamente sobre la discontinuidad generando
fisuras en la mezcla La aparicioacuten de estas fisuras sobre la mezcla asfaacuteltica ocurre
poco despueacutes de su colocacioacuten y se les conoce como fisuras por reflexioacuten debido a
que se presentan como una extensioacuten de las fisuras en la capa inferior El
propoacutesito de este artiacuteculo es presentar la caracterizacioacuten de dos tipos de mezclas
asfaacutelticas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para esto se disentildeoacute e
implementoacute un equipo de laboratorio capaz de simular en laboratorio el
movimiento de los bloques en la capa riacutegida inferior a una mezcla asfaacuteltica Se
trabajoacute con una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 de Inviacuteas frecuentemente utilizada
como carpeta de rehabilitacioacuten de pavimentos riacutegidos y una elaborada con asfalto
modificado con grano de caucho reciclado GCR de acuerdo con las
Especificaciones IDU Estas mezclas fueron caracterizadas por medio de moacutedulos
dinaacutemicos deformacioacuten permanente resistencia a la fatiga en Banco de Fatiga y
en equipo NAT y finalmente por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten Por medio
del ensayo propuesto se determinaron las leyes de fatiga por reflexioacuten para
diferentes niveles de deformacioacuten y temperatura con el objeto de predecir de
manera aproximada el nuacutemero de ciclos de carga que puedan soportar estas
mezclas al ser utilizadas en obras de rehabilitacioacuten
Palabras claves fatiga por reflexioacuten equipo de reflexioacuten ley de fatiga moacutedulo
dinaacutemico deformacioacuten permanente Banco de Fatiga NAT MDC-2 GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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ABSTRACT
Reflective cracking in asphalt mixtures occurs when they are placed directly over
cracked structural layers of pavement for example rehabilitation layers placed over
deteriorated concrete slabs The displacement of rigid blocks in the lower layer due
to action of vehicle loads and temperature changes generates shear and tension
stresses in the asphalt mixture placed immediately above the discontinuity This
creates cracks in the mix These cracks appear in the asphalt soon after
construction and are known as reflection cracks because they are extensions of
cracks in the lower layer The purpose of this paper is to present characterizations
of two types of asphalt mixtures according to their fatigue cracking resistances A
laboratory machine was designed and used to test the fatigue crack resistance of
asphalt mixtures The machine can simulate the displacement of blocks in the rigid
layer below an asphalt mixture We worked with two asphalt mixtures MDC-2 (a
kind of dense graded asphalt used in Colombia) which is often used as a binder for
the rehabilitation of rigid pavements and Crumb Rubber Modified Asphalt made in
accordance with specifications from the Instituto de Desarrollo Urbano These
mixtures were characterized by dynamic moduli permanent deformations fatigue
resistance and reflective cracking resistance Fatigue resistance was determined
by testing with a French style trapezoidal fatigue tester a Nottingham Asphalt
Tester and with the equipment we designed Reflective cracking laws were
determined for different levels of strain and temperature in order to predict the
approximate number of load cycles that these mixtures can withstand information
needed to determine if and when they should be used in pavement rehabilitation
Keywords reflective cracking reflection machine fatigue law dynamic moduli
permanent deformation NAT dense graded asphalt Crumb Rubber Modified
Asphalt
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
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LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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Pavement Cracking from Top to Bottom The Visco-elasticity of Asphalt Materialsrdquo
Cracking in Pavements Mitigation Risk Assessment and Prevention Proceedings
of the Fifth International RILEM Conference Lomoges France pp 425-432
Tschegg E K Stanzl-Tschegg S E and Litzka J (1993) ldquoNew Testing Method
to Characterize Mode 1 Fracturing of Asphalt Aggregate Mixturesrdquo Reflective
Cracking in Pavements State of the Art Recommendations Proceedings of the
Second International RILEM Conference Liege Belgium pp 263-270
Von Quintus H L (2009) ldquoTechniques for Mitigation of Reflective Cracksrdquo
Technical Guide AAPTP 05-04 Airfield Asphalt Pavement Technology Program
Zhou F Scullion T and Williammee R (2003) ldquoUpgraded TTI Overlay Tester A
Simple Reflective Cracking Simulation Testrdquo In Pavement Management Design
and Testing CD-ROM Transportation Research Board of the National Academies
Washington DC
Zhou F and Scullion T (2005) ldquoOverlay Tester A Rapid Performance Related
Crack Resistance Testrdquo Texas Transportation Institute the Texas AampM University
System Report FHWATX-050-4667-2 Austin Texas
Zhou F and Scullion T (2005) ldquoDeveloping Upgraded Overlay Tester System to
Characterize the Reflection Cracking Resistance of Asphalt Concrete Summary
Reportrdquo Texas Transportation Institute the Texas AampM University System College
Station Texas
Zhou F and Sun L (2002) ldquoReflection Cracking in Asphalt Overlay on Existing
PCCrdquo Proceedings of the Ninth International Conference on Asphalt Pavements
Copenhagen Denmark
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ii
APROBACIOacuteN
El Trabajo de Grado con tiacutetulo ldquoCARACTERIZACIOacuteN DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS POR
SU RESISTENCIA A FATIGA POR REFLEXIOacuteNrdquo desarrollado por el estudiante
JONATHAN VERA SILVA en cumplimiento de uno de los requisitos depuestos por
la Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ingenieriacutea Departamento de
Ingenieriacutea Civil para optar el Tiacutetulo de Magister en Ingenieriacutea Civil fue aprobado
por
Director Manuel Santiago Ocampo Terreros
Jurado 1
Fredy Alberto Reyes Lizcano
Jurado 2 Wilmar Dariacuteo Fernaacutendez Goacutemez
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
iii
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por Su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
Jonathan Vera Silva
La Pontificia Universidad Javeriana no es responsable por los conceptos emitidos
por los autores-investigadores del presente trabajo por lo cual son responsabilidad
absoluta de sus autores y no comprometen la idoneidad de la institucioacuten ni de sus
valores
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
iv
Con infinito amor carintildeo y respeto dedico de
una manera muy especial este trabajo de
grado a mis padres personas importantes y
trascendentales en mi proyecto de vida y con
las que sigo compartiendo los grandes retos
que existen en ella
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
v
AGRADECIMIENTOS
El autor desea expresar sus maacutes sinceras muestras de agradecimiento
hellipA los Ingenieros Fredy Alberto Reyes Lizcano Director de la Maestriacutea en Ingenieriacutea Civil
y Manuel Santiago Ocampo Terreros por su orientacioacuten y dedicacioacuten en el desarrollo de
esta investigacioacuten por la confianza y el apoyo constante depositado en mi persona
hellipA los Ingenieros Wilmar Dariacuteo Fernaacutendez Goacutemez y Ana Sofiacutea Figueroa Infante por sus
aportes en el desarrollo de este proyecto y por compartir sus amplios conocimientos y
experiencia
hellipA mis padres por creer y confiar siempre en miacute apoyaacutendome en todas las decisiones
tomadas en la vida y a mi novia por su amor paciencia comprensioacuten y motivacioacuten
hellipA mis maestros por su asesoriacutea y conocimientos al personal de laboratorio por su
colaboracioacuten desinteresada a mi amigo incondicional Rodrigo y a mis compantildeeros con
quienes nos apoyamos mutuamente en nuestra formacioacuten profesional
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vi
RESUMEN
La fatiga por reflexioacuten en mezclas asfaacutelticas ocurre cuando eacutestas son colocadas
directamente sobre capas estructurales de pavimento fisuradas como es el caso
de carpetas de rehabilitacioacuten colocadas sobre losas de concreto deterioradas El
movimiento de los bloques riacutegidos en la capa inferior debido a las cargas de los
vehiacuteculos y los cambios de temperatura genera esfuerzos de corte yo tensioacuten en
la mezcla asfaacuteltica colocada inmediatamente sobre la discontinuidad generando
fisuras en la mezcla La aparicioacuten de estas fisuras sobre la mezcla asfaacuteltica ocurre
poco despueacutes de su colocacioacuten y se les conoce como fisuras por reflexioacuten debido a
que se presentan como una extensioacuten de las fisuras en la capa inferior El
propoacutesito de este artiacuteculo es presentar la caracterizacioacuten de dos tipos de mezclas
asfaacutelticas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para esto se disentildeoacute e
implementoacute un equipo de laboratorio capaz de simular en laboratorio el
movimiento de los bloques en la capa riacutegida inferior a una mezcla asfaacuteltica Se
trabajoacute con una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 de Inviacuteas frecuentemente utilizada
como carpeta de rehabilitacioacuten de pavimentos riacutegidos y una elaborada con asfalto
modificado con grano de caucho reciclado GCR de acuerdo con las
Especificaciones IDU Estas mezclas fueron caracterizadas por medio de moacutedulos
dinaacutemicos deformacioacuten permanente resistencia a la fatiga en Banco de Fatiga y
en equipo NAT y finalmente por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten Por medio
del ensayo propuesto se determinaron las leyes de fatiga por reflexioacuten para
diferentes niveles de deformacioacuten y temperatura con el objeto de predecir de
manera aproximada el nuacutemero de ciclos de carga que puedan soportar estas
mezclas al ser utilizadas en obras de rehabilitacioacuten
Palabras claves fatiga por reflexioacuten equipo de reflexioacuten ley de fatiga moacutedulo
dinaacutemico deformacioacuten permanente Banco de Fatiga NAT MDC-2 GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vii
ABSTRACT
Reflective cracking in asphalt mixtures occurs when they are placed directly over
cracked structural layers of pavement for example rehabilitation layers placed over
deteriorated concrete slabs The displacement of rigid blocks in the lower layer due
to action of vehicle loads and temperature changes generates shear and tension
stresses in the asphalt mixture placed immediately above the discontinuity This
creates cracks in the mix These cracks appear in the asphalt soon after
construction and are known as reflection cracks because they are extensions of
cracks in the lower layer The purpose of this paper is to present characterizations
of two types of asphalt mixtures according to their fatigue cracking resistances A
laboratory machine was designed and used to test the fatigue crack resistance of
asphalt mixtures The machine can simulate the displacement of blocks in the rigid
layer below an asphalt mixture We worked with two asphalt mixtures MDC-2 (a
kind of dense graded asphalt used in Colombia) which is often used as a binder for
the rehabilitation of rigid pavements and Crumb Rubber Modified Asphalt made in
accordance with specifications from the Instituto de Desarrollo Urbano These
mixtures were characterized by dynamic moduli permanent deformations fatigue
resistance and reflective cracking resistance Fatigue resistance was determined
by testing with a French style trapezoidal fatigue tester a Nottingham Asphalt
Tester and with the equipment we designed Reflective cracking laws were
determined for different levels of strain and temperature in order to predict the
approximate number of load cycles that these mixtures can withstand information
needed to determine if and when they should be used in pavement rehabilitation
Keywords reflective cracking reflection machine fatigue law dynamic moduli
permanent deformation NAT dense graded asphalt Crumb Rubber Modified
Asphalt
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
viii
CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
5
2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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Sobhan T Crooks T Tandon T and Mattingly S (2004) ldquoLaboratory
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
136
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Zhou F and Scullion T (2005) ldquoDeveloping Upgraded Overlay Tester System to
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Reportrdquo Texas Transportation Institute the Texas AampM University System College
Station Texas
Zhou F and Sun L (2002) ldquoReflection Cracking in Asphalt Overlay on Existing
PCCrdquo Proceedings of the Ninth International Conference on Asphalt Pavements
Copenhagen Denmark
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
iii
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por Su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
Jonathan Vera Silva
La Pontificia Universidad Javeriana no es responsable por los conceptos emitidos
por los autores-investigadores del presente trabajo por lo cual son responsabilidad
absoluta de sus autores y no comprometen la idoneidad de la institucioacuten ni de sus
valores
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
iv
Con infinito amor carintildeo y respeto dedico de
una manera muy especial este trabajo de
grado a mis padres personas importantes y
trascendentales en mi proyecto de vida y con
las que sigo compartiendo los grandes retos
que existen en ella
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
v
AGRADECIMIENTOS
El autor desea expresar sus maacutes sinceras muestras de agradecimiento
hellipA los Ingenieros Fredy Alberto Reyes Lizcano Director de la Maestriacutea en Ingenieriacutea Civil
y Manuel Santiago Ocampo Terreros por su orientacioacuten y dedicacioacuten en el desarrollo de
esta investigacioacuten por la confianza y el apoyo constante depositado en mi persona
hellipA los Ingenieros Wilmar Dariacuteo Fernaacutendez Goacutemez y Ana Sofiacutea Figueroa Infante por sus
aportes en el desarrollo de este proyecto y por compartir sus amplios conocimientos y
experiencia
hellipA mis padres por creer y confiar siempre en miacute apoyaacutendome en todas las decisiones
tomadas en la vida y a mi novia por su amor paciencia comprensioacuten y motivacioacuten
hellipA mis maestros por su asesoriacutea y conocimientos al personal de laboratorio por su
colaboracioacuten desinteresada a mi amigo incondicional Rodrigo y a mis compantildeeros con
quienes nos apoyamos mutuamente en nuestra formacioacuten profesional
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vi
RESUMEN
La fatiga por reflexioacuten en mezclas asfaacutelticas ocurre cuando eacutestas son colocadas
directamente sobre capas estructurales de pavimento fisuradas como es el caso
de carpetas de rehabilitacioacuten colocadas sobre losas de concreto deterioradas El
movimiento de los bloques riacutegidos en la capa inferior debido a las cargas de los
vehiacuteculos y los cambios de temperatura genera esfuerzos de corte yo tensioacuten en
la mezcla asfaacuteltica colocada inmediatamente sobre la discontinuidad generando
fisuras en la mezcla La aparicioacuten de estas fisuras sobre la mezcla asfaacuteltica ocurre
poco despueacutes de su colocacioacuten y se les conoce como fisuras por reflexioacuten debido a
que se presentan como una extensioacuten de las fisuras en la capa inferior El
propoacutesito de este artiacuteculo es presentar la caracterizacioacuten de dos tipos de mezclas
asfaacutelticas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para esto se disentildeoacute e
implementoacute un equipo de laboratorio capaz de simular en laboratorio el
movimiento de los bloques en la capa riacutegida inferior a una mezcla asfaacuteltica Se
trabajoacute con una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 de Inviacuteas frecuentemente utilizada
como carpeta de rehabilitacioacuten de pavimentos riacutegidos y una elaborada con asfalto
modificado con grano de caucho reciclado GCR de acuerdo con las
Especificaciones IDU Estas mezclas fueron caracterizadas por medio de moacutedulos
dinaacutemicos deformacioacuten permanente resistencia a la fatiga en Banco de Fatiga y
en equipo NAT y finalmente por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten Por medio
del ensayo propuesto se determinaron las leyes de fatiga por reflexioacuten para
diferentes niveles de deformacioacuten y temperatura con el objeto de predecir de
manera aproximada el nuacutemero de ciclos de carga que puedan soportar estas
mezclas al ser utilizadas en obras de rehabilitacioacuten
Palabras claves fatiga por reflexioacuten equipo de reflexioacuten ley de fatiga moacutedulo
dinaacutemico deformacioacuten permanente Banco de Fatiga NAT MDC-2 GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vii
ABSTRACT
Reflective cracking in asphalt mixtures occurs when they are placed directly over
cracked structural layers of pavement for example rehabilitation layers placed over
deteriorated concrete slabs The displacement of rigid blocks in the lower layer due
to action of vehicle loads and temperature changes generates shear and tension
stresses in the asphalt mixture placed immediately above the discontinuity This
creates cracks in the mix These cracks appear in the asphalt soon after
construction and are known as reflection cracks because they are extensions of
cracks in the lower layer The purpose of this paper is to present characterizations
of two types of asphalt mixtures according to their fatigue cracking resistances A
laboratory machine was designed and used to test the fatigue crack resistance of
asphalt mixtures The machine can simulate the displacement of blocks in the rigid
layer below an asphalt mixture We worked with two asphalt mixtures MDC-2 (a
kind of dense graded asphalt used in Colombia) which is often used as a binder for
the rehabilitation of rigid pavements and Crumb Rubber Modified Asphalt made in
accordance with specifications from the Instituto de Desarrollo Urbano These
mixtures were characterized by dynamic moduli permanent deformations fatigue
resistance and reflective cracking resistance Fatigue resistance was determined
by testing with a French style trapezoidal fatigue tester a Nottingham Asphalt
Tester and with the equipment we designed Reflective cracking laws were
determined for different levels of strain and temperature in order to predict the
approximate number of load cycles that these mixtures can withstand information
needed to determine if and when they should be used in pavement rehabilitation
Keywords reflective cracking reflection machine fatigue law dynamic moduli
permanent deformation NAT dense graded asphalt Crumb Rubber Modified
Asphalt
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
viii
CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
5
2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
136
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Zhou F and Scullion T (2005) ldquoDeveloping Upgraded Overlay Tester System to
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Reportrdquo Texas Transportation Institute the Texas AampM University System College
Station Texas
Zhou F and Sun L (2002) ldquoReflection Cracking in Asphalt Overlay on Existing
PCCrdquo Proceedings of the Ninth International Conference on Asphalt Pavements
Copenhagen Denmark
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
iv
Con infinito amor carintildeo y respeto dedico de
una manera muy especial este trabajo de
grado a mis padres personas importantes y
trascendentales en mi proyecto de vida y con
las que sigo compartiendo los grandes retos
que existen en ella
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
v
AGRADECIMIENTOS
El autor desea expresar sus maacutes sinceras muestras de agradecimiento
hellipA los Ingenieros Fredy Alberto Reyes Lizcano Director de la Maestriacutea en Ingenieriacutea Civil
y Manuel Santiago Ocampo Terreros por su orientacioacuten y dedicacioacuten en el desarrollo de
esta investigacioacuten por la confianza y el apoyo constante depositado en mi persona
hellipA los Ingenieros Wilmar Dariacuteo Fernaacutendez Goacutemez y Ana Sofiacutea Figueroa Infante por sus
aportes en el desarrollo de este proyecto y por compartir sus amplios conocimientos y
experiencia
hellipA mis padres por creer y confiar siempre en miacute apoyaacutendome en todas las decisiones
tomadas en la vida y a mi novia por su amor paciencia comprensioacuten y motivacioacuten
hellipA mis maestros por su asesoriacutea y conocimientos al personal de laboratorio por su
colaboracioacuten desinteresada a mi amigo incondicional Rodrigo y a mis compantildeeros con
quienes nos apoyamos mutuamente en nuestra formacioacuten profesional
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vi
RESUMEN
La fatiga por reflexioacuten en mezclas asfaacutelticas ocurre cuando eacutestas son colocadas
directamente sobre capas estructurales de pavimento fisuradas como es el caso
de carpetas de rehabilitacioacuten colocadas sobre losas de concreto deterioradas El
movimiento de los bloques riacutegidos en la capa inferior debido a las cargas de los
vehiacuteculos y los cambios de temperatura genera esfuerzos de corte yo tensioacuten en
la mezcla asfaacuteltica colocada inmediatamente sobre la discontinuidad generando
fisuras en la mezcla La aparicioacuten de estas fisuras sobre la mezcla asfaacuteltica ocurre
poco despueacutes de su colocacioacuten y se les conoce como fisuras por reflexioacuten debido a
que se presentan como una extensioacuten de las fisuras en la capa inferior El
propoacutesito de este artiacuteculo es presentar la caracterizacioacuten de dos tipos de mezclas
asfaacutelticas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para esto se disentildeoacute e
implementoacute un equipo de laboratorio capaz de simular en laboratorio el
movimiento de los bloques en la capa riacutegida inferior a una mezcla asfaacuteltica Se
trabajoacute con una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 de Inviacuteas frecuentemente utilizada
como carpeta de rehabilitacioacuten de pavimentos riacutegidos y una elaborada con asfalto
modificado con grano de caucho reciclado GCR de acuerdo con las
Especificaciones IDU Estas mezclas fueron caracterizadas por medio de moacutedulos
dinaacutemicos deformacioacuten permanente resistencia a la fatiga en Banco de Fatiga y
en equipo NAT y finalmente por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten Por medio
del ensayo propuesto se determinaron las leyes de fatiga por reflexioacuten para
diferentes niveles de deformacioacuten y temperatura con el objeto de predecir de
manera aproximada el nuacutemero de ciclos de carga que puedan soportar estas
mezclas al ser utilizadas en obras de rehabilitacioacuten
Palabras claves fatiga por reflexioacuten equipo de reflexioacuten ley de fatiga moacutedulo
dinaacutemico deformacioacuten permanente Banco de Fatiga NAT MDC-2 GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vii
ABSTRACT
Reflective cracking in asphalt mixtures occurs when they are placed directly over
cracked structural layers of pavement for example rehabilitation layers placed over
deteriorated concrete slabs The displacement of rigid blocks in the lower layer due
to action of vehicle loads and temperature changes generates shear and tension
stresses in the asphalt mixture placed immediately above the discontinuity This
creates cracks in the mix These cracks appear in the asphalt soon after
construction and are known as reflection cracks because they are extensions of
cracks in the lower layer The purpose of this paper is to present characterizations
of two types of asphalt mixtures according to their fatigue cracking resistances A
laboratory machine was designed and used to test the fatigue crack resistance of
asphalt mixtures The machine can simulate the displacement of blocks in the rigid
layer below an asphalt mixture We worked with two asphalt mixtures MDC-2 (a
kind of dense graded asphalt used in Colombia) which is often used as a binder for
the rehabilitation of rigid pavements and Crumb Rubber Modified Asphalt made in
accordance with specifications from the Instituto de Desarrollo Urbano These
mixtures were characterized by dynamic moduli permanent deformations fatigue
resistance and reflective cracking resistance Fatigue resistance was determined
by testing with a French style trapezoidal fatigue tester a Nottingham Asphalt
Tester and with the equipment we designed Reflective cracking laws were
determined for different levels of strain and temperature in order to predict the
approximate number of load cycles that these mixtures can withstand information
needed to determine if and when they should be used in pavement rehabilitation
Keywords reflective cracking reflection machine fatigue law dynamic moduli
permanent deformation NAT dense graded asphalt Crumb Rubber Modified
Asphalt
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
viii
CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
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bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
136
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PCCrdquo Proceedings of the Ninth International Conference on Asphalt Pavements
Copenhagen Denmark
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
v
AGRADECIMIENTOS
El autor desea expresar sus maacutes sinceras muestras de agradecimiento
hellipA los Ingenieros Fredy Alberto Reyes Lizcano Director de la Maestriacutea en Ingenieriacutea Civil
y Manuel Santiago Ocampo Terreros por su orientacioacuten y dedicacioacuten en el desarrollo de
esta investigacioacuten por la confianza y el apoyo constante depositado en mi persona
hellipA los Ingenieros Wilmar Dariacuteo Fernaacutendez Goacutemez y Ana Sofiacutea Figueroa Infante por sus
aportes en el desarrollo de este proyecto y por compartir sus amplios conocimientos y
experiencia
hellipA mis padres por creer y confiar siempre en miacute apoyaacutendome en todas las decisiones
tomadas en la vida y a mi novia por su amor paciencia comprensioacuten y motivacioacuten
hellipA mis maestros por su asesoriacutea y conocimientos al personal de laboratorio por su
colaboracioacuten desinteresada a mi amigo incondicional Rodrigo y a mis compantildeeros con
quienes nos apoyamos mutuamente en nuestra formacioacuten profesional
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vi
RESUMEN
La fatiga por reflexioacuten en mezclas asfaacutelticas ocurre cuando eacutestas son colocadas
directamente sobre capas estructurales de pavimento fisuradas como es el caso
de carpetas de rehabilitacioacuten colocadas sobre losas de concreto deterioradas El
movimiento de los bloques riacutegidos en la capa inferior debido a las cargas de los
vehiacuteculos y los cambios de temperatura genera esfuerzos de corte yo tensioacuten en
la mezcla asfaacuteltica colocada inmediatamente sobre la discontinuidad generando
fisuras en la mezcla La aparicioacuten de estas fisuras sobre la mezcla asfaacuteltica ocurre
poco despueacutes de su colocacioacuten y se les conoce como fisuras por reflexioacuten debido a
que se presentan como una extensioacuten de las fisuras en la capa inferior El
propoacutesito de este artiacuteculo es presentar la caracterizacioacuten de dos tipos de mezclas
asfaacutelticas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para esto se disentildeoacute e
implementoacute un equipo de laboratorio capaz de simular en laboratorio el
movimiento de los bloques en la capa riacutegida inferior a una mezcla asfaacuteltica Se
trabajoacute con una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 de Inviacuteas frecuentemente utilizada
como carpeta de rehabilitacioacuten de pavimentos riacutegidos y una elaborada con asfalto
modificado con grano de caucho reciclado GCR de acuerdo con las
Especificaciones IDU Estas mezclas fueron caracterizadas por medio de moacutedulos
dinaacutemicos deformacioacuten permanente resistencia a la fatiga en Banco de Fatiga y
en equipo NAT y finalmente por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten Por medio
del ensayo propuesto se determinaron las leyes de fatiga por reflexioacuten para
diferentes niveles de deformacioacuten y temperatura con el objeto de predecir de
manera aproximada el nuacutemero de ciclos de carga que puedan soportar estas
mezclas al ser utilizadas en obras de rehabilitacioacuten
Palabras claves fatiga por reflexioacuten equipo de reflexioacuten ley de fatiga moacutedulo
dinaacutemico deformacioacuten permanente Banco de Fatiga NAT MDC-2 GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vii
ABSTRACT
Reflective cracking in asphalt mixtures occurs when they are placed directly over
cracked structural layers of pavement for example rehabilitation layers placed over
deteriorated concrete slabs The displacement of rigid blocks in the lower layer due
to action of vehicle loads and temperature changes generates shear and tension
stresses in the asphalt mixture placed immediately above the discontinuity This
creates cracks in the mix These cracks appear in the asphalt soon after
construction and are known as reflection cracks because they are extensions of
cracks in the lower layer The purpose of this paper is to present characterizations
of two types of asphalt mixtures according to their fatigue cracking resistances A
laboratory machine was designed and used to test the fatigue crack resistance of
asphalt mixtures The machine can simulate the displacement of blocks in the rigid
layer below an asphalt mixture We worked with two asphalt mixtures MDC-2 (a
kind of dense graded asphalt used in Colombia) which is often used as a binder for
the rehabilitation of rigid pavements and Crumb Rubber Modified Asphalt made in
accordance with specifications from the Instituto de Desarrollo Urbano These
mixtures were characterized by dynamic moduli permanent deformations fatigue
resistance and reflective cracking resistance Fatigue resistance was determined
by testing with a French style trapezoidal fatigue tester a Nottingham Asphalt
Tester and with the equipment we designed Reflective cracking laws were
determined for different levels of strain and temperature in order to predict the
approximate number of load cycles that these mixtures can withstand information
needed to determine if and when they should be used in pavement rehabilitation
Keywords reflective cracking reflection machine fatigue law dynamic moduli
permanent deformation NAT dense graded asphalt Crumb Rubber Modified
Asphalt
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
viii
CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
5
2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
136
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vi
RESUMEN
La fatiga por reflexioacuten en mezclas asfaacutelticas ocurre cuando eacutestas son colocadas
directamente sobre capas estructurales de pavimento fisuradas como es el caso
de carpetas de rehabilitacioacuten colocadas sobre losas de concreto deterioradas El
movimiento de los bloques riacutegidos en la capa inferior debido a las cargas de los
vehiacuteculos y los cambios de temperatura genera esfuerzos de corte yo tensioacuten en
la mezcla asfaacuteltica colocada inmediatamente sobre la discontinuidad generando
fisuras en la mezcla La aparicioacuten de estas fisuras sobre la mezcla asfaacuteltica ocurre
poco despueacutes de su colocacioacuten y se les conoce como fisuras por reflexioacuten debido a
que se presentan como una extensioacuten de las fisuras en la capa inferior El
propoacutesito de este artiacuteculo es presentar la caracterizacioacuten de dos tipos de mezclas
asfaacutelticas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para esto se disentildeoacute e
implementoacute un equipo de laboratorio capaz de simular en laboratorio el
movimiento de los bloques en la capa riacutegida inferior a una mezcla asfaacuteltica Se
trabajoacute con una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 de Inviacuteas frecuentemente utilizada
como carpeta de rehabilitacioacuten de pavimentos riacutegidos y una elaborada con asfalto
modificado con grano de caucho reciclado GCR de acuerdo con las
Especificaciones IDU Estas mezclas fueron caracterizadas por medio de moacutedulos
dinaacutemicos deformacioacuten permanente resistencia a la fatiga en Banco de Fatiga y
en equipo NAT y finalmente por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten Por medio
del ensayo propuesto se determinaron las leyes de fatiga por reflexioacuten para
diferentes niveles de deformacioacuten y temperatura con el objeto de predecir de
manera aproximada el nuacutemero de ciclos de carga que puedan soportar estas
mezclas al ser utilizadas en obras de rehabilitacioacuten
Palabras claves fatiga por reflexioacuten equipo de reflexioacuten ley de fatiga moacutedulo
dinaacutemico deformacioacuten permanente Banco de Fatiga NAT MDC-2 GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vii
ABSTRACT
Reflective cracking in asphalt mixtures occurs when they are placed directly over
cracked structural layers of pavement for example rehabilitation layers placed over
deteriorated concrete slabs The displacement of rigid blocks in the lower layer due
to action of vehicle loads and temperature changes generates shear and tension
stresses in the asphalt mixture placed immediately above the discontinuity This
creates cracks in the mix These cracks appear in the asphalt soon after
construction and are known as reflection cracks because they are extensions of
cracks in the lower layer The purpose of this paper is to present characterizations
of two types of asphalt mixtures according to their fatigue cracking resistances A
laboratory machine was designed and used to test the fatigue crack resistance of
asphalt mixtures The machine can simulate the displacement of blocks in the rigid
layer below an asphalt mixture We worked with two asphalt mixtures MDC-2 (a
kind of dense graded asphalt used in Colombia) which is often used as a binder for
the rehabilitation of rigid pavements and Crumb Rubber Modified Asphalt made in
accordance with specifications from the Instituto de Desarrollo Urbano These
mixtures were characterized by dynamic moduli permanent deformations fatigue
resistance and reflective cracking resistance Fatigue resistance was determined
by testing with a French style trapezoidal fatigue tester a Nottingham Asphalt
Tester and with the equipment we designed Reflective cracking laws were
determined for different levels of strain and temperature in order to predict the
approximate number of load cycles that these mixtures can withstand information
needed to determine if and when they should be used in pavement rehabilitation
Keywords reflective cracking reflection machine fatigue law dynamic moduli
permanent deformation NAT dense graded asphalt Crumb Rubber Modified
Asphalt
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
viii
CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
5
2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
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(N
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de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
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(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
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ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
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(N
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de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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and Testing CD-ROM Transportation Research Board of the National Academies
Washington DC
Zhou F and Scullion T (2005) ldquoOverlay Tester A Rapid Performance Related
Crack Resistance Testrdquo Texas Transportation Institute the Texas AampM University
System Report FHWATX-050-4667-2 Austin Texas
Zhou F and Scullion T (2005) ldquoDeveloping Upgraded Overlay Tester System to
Characterize the Reflection Cracking Resistance of Asphalt Concrete Summary
Reportrdquo Texas Transportation Institute the Texas AampM University System College
Station Texas
Zhou F and Sun L (2002) ldquoReflection Cracking in Asphalt Overlay on Existing
PCCrdquo Proceedings of the Ninth International Conference on Asphalt Pavements
Copenhagen Denmark
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
vii
ABSTRACT
Reflective cracking in asphalt mixtures occurs when they are placed directly over
cracked structural layers of pavement for example rehabilitation layers placed over
deteriorated concrete slabs The displacement of rigid blocks in the lower layer due
to action of vehicle loads and temperature changes generates shear and tension
stresses in the asphalt mixture placed immediately above the discontinuity This
creates cracks in the mix These cracks appear in the asphalt soon after
construction and are known as reflection cracks because they are extensions of
cracks in the lower layer The purpose of this paper is to present characterizations
of two types of asphalt mixtures according to their fatigue cracking resistances A
laboratory machine was designed and used to test the fatigue crack resistance of
asphalt mixtures The machine can simulate the displacement of blocks in the rigid
layer below an asphalt mixture We worked with two asphalt mixtures MDC-2 (a
kind of dense graded asphalt used in Colombia) which is often used as a binder for
the rehabilitation of rigid pavements and Crumb Rubber Modified Asphalt made in
accordance with specifications from the Instituto de Desarrollo Urbano These
mixtures were characterized by dynamic moduli permanent deformations fatigue
resistance and reflective cracking resistance Fatigue resistance was determined
by testing with a French style trapezoidal fatigue tester a Nottingham Asphalt
Tester and with the equipment we designed Reflective cracking laws were
determined for different levels of strain and temperature in order to predict the
approximate number of load cycles that these mixtures can withstand information
needed to determine if and when they should be used in pavement rehabilitation
Keywords reflective cracking reflection machine fatigue law dynamic moduli
permanent deformation NAT dense graded asphalt Crumb Rubber Modified
Asphalt
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
viii
CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
5
2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
viii
CONTENIDO
Paacuteg
1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN 1
12 OBJETIVO GENERAL 4
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 5
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN 10
3 MARCO DE ANTECEDENTES 12
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN 12
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO 23
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 24
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado 27
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO 31
4 METODOLOGIacuteA 34
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN 34
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica 35
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica 38
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control 42
414 Software de control 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
5
2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
ix
415 Resultados de la implementacioacuten 43
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS 46
421 Especificaciones del agregado 46
422 Agregado peacutetreo utilizado 48
423 Ensayos realizados al agregado 48
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL 51
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 51
432 Cemento asfaacuteltico utilizado 53
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico 53
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO 56
441 Granulometriacutea del caucho 56
442 Cantidad oacuteptima de caucho 57
443 Procedimiento para modificar el ligante 57
444 Ensayos realizados al ligante modificado 58
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR 62
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 63
451 Seleccioacuten de los materiales 64
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo 66
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo 78
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad 85
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 87
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas 87
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas 91
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT 95
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga 99
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten 103
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 116
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 116
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS 120
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
x
6 DISCUSIOacuteN 126
7 CONCLUSIONES 129
8 RECOMENDACIONES 131
9 BIBLIOGRAFIacuteA 133
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Procedimiento del ensayo de fatiga por reflexioacuten de mezclas asfaacutelticas
ANEXO B Manual de usuario del equipo de reflexioacuten
ANEXO C Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten de agregados
ANEXO D Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto original
ANEXO E Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
ANEXO F Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO G Resultados de los ensayos realizados para el disentildeo de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
ANEXO H Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
convencional MDC-2
ANEXO I Resultados de los ensayos de caracterizacioacuten dinaacutemica de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xi
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten 33
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo 50
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente 52
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico 52
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100 55
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico 56
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC 59
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR 62
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos 66
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm 67
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos 69
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE 71
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 73
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla MDC-2 con 56 de asfalto 75
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto 76
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica 77
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 80
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto 81
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de
disentildeo 83
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xii
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con
GCR 83
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de
asfalto 85
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 116
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR 117
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2
y modificada con GCR 118
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 119
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 120
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 121
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 122
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 123
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 124
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR 125
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester 126
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten 127
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiii
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC 6
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales 7
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales 8
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC 9
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten 10
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT 26
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten 28
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten 29
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten 30
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten 31
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 35
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico 36
Figura 14 Base de los bloques deslizantes 36
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras 37
Figura 16 Estructura de soporte del equipo 37
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT) 38
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda 39
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos 39
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia 40
Figura 21 Control digital de temperatura 40
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara 41
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xiv
Figura 23 Computador de escritorio 41
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos 42
Figura 25 Software de control 43
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo 45
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica 45
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas 47
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico 54
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC 59
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR 61
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100 65
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2 68
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de
asfalto 74
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 79
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 80
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2 81
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR 82
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada
con GCR 84
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR 84
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2 86
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR 86
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS 88
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo 89
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo 89
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 90
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 90
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 92
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 93
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xv
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 93
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 94
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 94
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT) 96
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT 97
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 98
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 98
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana 100
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga 101
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 102
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 102
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana 104
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de
Reflexioacuten 105
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 106
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR 106
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 107
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR 108
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 109
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR 109
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la
mezcla asfaacuteltica convencional 111
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 111
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica convencional 112
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 113
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten 114
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
xvi
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 115
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla
asfaacuteltica modificada con GCR 115
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
1
1 INTRODUCCIOacuteN
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIOacuteN
El estado de un pavimento puede ser cuantificado subjetivamente por medio de su
nivel de servicio el cual estaacute ligado a su capacidad estructural yo funcional En el
caso de pavimentos riacutegidos con niveles de servicio bajos este es recuperado
utilizando meacutetodos de rehabilitacioacuten que van desde la reconstruccioacuten total de la
estructura hasta la colocacioacuten de carpetas asfaacutelticas que mejoran su
transitabilidad La colocacioacuten de sobrecarpetas asfaacutelticas resulta ser una alternativa
frecuentemente utilizada en obras de rehabilitacioacuten sin embargo cuando estas
mezclas asfaacutelticas son colocadas directamente sobre las juntas del pavimento
riacutegido o las fisuras de las losas estas discontinuidades se reflejan en muy corto
tiempo sobre la capa asfaacuteltica nueva El calcado de estas fisuras se genera por el
movimiento de los bloques de la capa riacutegida debido a la accioacuten conjunta de las
cargas de los vehiacuteculos y los cambios ambientales Este fenoacutemeno se conoce como
fatiga reflectiva o fatiga por reflexioacuten por ser una extensioacuten de las discontinuidades
existentes en la capa riacutegida a rehabilitar
La resistencia a la fatiga por reflexioacuten de fisuras en mezclas asfaacutelticas es un
problema que no ha sido ampliamente abordado por los diferentes centros de
investigacioacuten y que merece la debida atencioacuten tanto por parte de los productores
de mezclas asfaacutelticas como de los disentildeadores y constructores de viacuteas Parte de la
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
2
solucioacuten a este problema radica en una simple caracterizacioacuten de la mezcla
asfaacuteltica para su adecuada utilizacioacuten en estas obras de rehabilitacioacuten A finales de
la deacutecada de los setentas Germann y Lytton (1979) disentildearon un equipo que
simulaba ciclos de apertura y oclusioacuten de fisuras en las capas de apoyo de mezclas
asfaacutelticas reproduciendo la principal causa en la generacioacuten de fisuras por
reflexioacuten en la capa asfaacuteltica Este equipo llamado como TTI Overlay Tester se
disentildeoacute en dos presentaciones un equipo pequentildeo para ensayar probetas de 375
cm (15 pulg) de largo por 75 cm (3 pulg) de ancho y altura variable y uno maacutes
grande para ensayar probetas de 50 cm (20 pulg) de largo por 15 cm (6 pulg) de
ancho y altura variable Ambas versiones han sido utilizadas exitosamente para
evaluar la efectividad en el uso de geosinteacuteticos en el retardo de la aparicioacuten de
fisuras por reflexioacuten (Button 1982 Button 1987 Cleveland 2003 Pickett 1983)
Estudios han demostrado que estos equipos tienen el potencial de caracterizar las
mezclas asfaacutelticas en funcioacuten de su resistencia a fatiga por reflexioacuten (Zhou 2005)
agregando que su modo de operacioacuten es bastante sencillo sin embargo hacen
ahiacutenco en la dificultad para la elaboracioacuten o consecucioacuten de las probetas de mezcla
asfaacuteltica las cuales por su gran tamantildeo son relativamente dispendiosas de fabricar
en laboratorio u obtenerlas a partir de muestreos en campo Este inconveniente
fue tenido en cuente por Zhou y Scullion (2005) quienes propusieron un nuevo
equipo que funcionara con probetas maacutes pequentildeas y de faacutecil fabricacioacuten en
laboratorio y extraccioacuten en campo
Actualmente existen dos equipos reconocidos para el estudio de la resistencia a la
fatiga de las mezclas asfaacutelticas el Nottingham Asphalt Tester (NAT) que emplea
probetas ciliacutendricas y las ensaya a esfuerzo controlado y el equipo desarrollado en
el Laboratorio Central de Puentes y Calzadas de Francia (Banco de Fatiga) que
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
3
ensaya probetas trapezoidales a deformacioacuten controlada sin embargo estos
equipos no fueron disentildeados para caracterizar una mezcla asfaacuteltica en cuanto a su
resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Por otro lado los resultados de estos ensayos de fatiga no han podido ser
implementados con eacutexito para el disentildeo de pavimentos flexibles en Colombia y en
muchos otros paiacuteses debido a la poca disponibilidad de equipos de laboratorio por
ser un ensayo costoso y demorado (el ensayo dura aproximadamente un mes para
obtener una curva de fatiga)
En esta propuesta de investigacioacuten se plantea el disentildeo desarrollo e
implementacioacuten de un equipo para la caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas en
cuanto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten utilizando probetas
ciliacutendricas fabricadas en laboratorio con el Compactador Giratorio SUPERPAVE
(equipo que dispone el laboratorio de pruebas y ensayos del departamento de
Ingenieriacutea Civil) De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) el ensayo de
caracterizacioacuten de mezclas asfaacutelticas utilizando este equipo es un ensayo raacutepido
faacutecil y repetible entendieacutendose como repetibilidad la cercaniacutea entre los resultados
de mediciones sucesivas y efectuadas en las mismas condiciones de medicioacuten Otra
gran ventaja del equipo es que no soacutelo serviraacute para estudiar nuevas mezclas
asfaacutelticas sino tambieacuten para la investigacioacuten y estudio de nuevos materiales que
puedan ser instalados en la interface entre la capa fisurada y la nueva capa
asfaacuteltica para controlar las fisuras por reflexioacuten ya bien sea absorbiendo los
esfuerzos excesivos reforzando las capas asfaacutelticas yo resistiendo a la formacioacuten
de las fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
4
12 OBJETIVO GENERAL
bull Caracterizar dos mezclas asfaacutelticas en caliente para rodadura (INVIAS tipo
MDC-2 e IDU tipo modificada con caucho) respecto a su resistencia al efecto
de fatiga por reflexioacuten
13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
bull Desarrollar un equipo para la caracterizacioacuten de la resistencia de mezclas
asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
bull Desarrollar el software de operacioacuten y registro de datos
bull Elaborar el protocolo de operacioacuten del equipo
bull Disentildear las mezclas asfaacutelticas en laboratorio de acuerdo con la metodologiacutea
SUPERPAVE
bull Establecer una relacioacuten entre los resultados obtenidos con el equipo de fatiga
por reflexioacuten propuesto y con los dos equipos de fatiga dispuestos en
laboratorio (NAT y Banco de Fatiga)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
5
2 MARCO CONCEPTUAL
21 DEFINICIOacuteN DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten la Federal Aviation Administration se define fatiga por reflexioacuten como las
fisuras en la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente que son reflejadas por
las fisuras o patroacuten de juntas en el pavimento subyacente Una descripcioacuten maacutes
detallada es que la fatiga por reflexioacuten son las fisuras presentes en una
sobrecarpeta asfaacuteltica o capa de rodadura como resultado del reflejo de las fisuras
o patroacuten de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio
ambiente o del traacutefico inducido
22 MECANISMOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Seguacuten Von Quintus (2009) los mecanismos baacutesicos que conducen a la aparicioacuten
de fisuras por reflexioacuten son los movimientos horizontales y los verticales
diferenciales entre el pavimento original y la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en
caliente La teoriacutea claacutesica de la causa de la fatiga por reflexioacuten se muestra en la
Figura 1 donde se explica que las fisuras pueden ser causadas por los
movimientos horizontales de la expansioacuten y contraccioacuten que se concentran en las
juntas y fisuras de las losas con Concreto de Cemento Portland (PCC) y tambieacuten
por el aumento de deformaciones verticales en estas juntas y fisuras
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
6
Figura 1 Fatiga por reflexioacuten en sobrecarpetas asfaacutelticas de pavimentos PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa maacutes comuacuten aceptada de la fatiga por reflexioacuten es la proveniente de los
movimientos horizontales concentrados en las juntas y fisuras del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida teacutermicamente (ver Figura 2)
Estos movimientos horizontales son causados por cambios de temperatura en la
losa PCC Este desarrollo de la fatiga por reflexioacuten debido a cargas ambientales
depende de la magnitud y la velocidad de cambio de la temperatura de la
geometriacutea de la losa de la distancia entre las juntas o fisuras y de las propiedades
del material de la sobrecarpeta Debido a la unioacuten entre la sobrecarpeta con
mezcla asfaacuteltica en caliente y el pavimento existente los esfuerzos y
deformaciones por traccioacuten producidos a partir de los movimientos articulares se
vuelven criacuteticos en las aacutereas de las juntas y las fisuras del PCC por lo tanto todos
estos factores deben ser incluidos en la evaluacioacuten de los efectos ambientales o de
cargas sobre la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
7
Figura 2 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente movimientos horizontales
Fuente Von Quintus (2009)
La fatiga por reflexioacuten tambieacuten puede ser causada por deformaciones verticales
diferenciales a traveacutes de las juntas y fisuras en la superficie del pavimento
existente y se conoce como fisuracioacuten inducida por el traacutefico (ver Figura 3) Las
deformaciones verticales diferenciales concentradas en las juntas y en las fisuras
son causadas por cargas de traacutefico que presionan los extremos colindantes de las
losas originando concentraciones de esfuerzo cortante en la sobrecarpeta asfaacuteltica
sobre las juntas y fisuras Estas deformaciones pueden ser originadas por la
reduccioacuten gradual de transferencia de carga en las juntas y fisuras del pavimento
PCC o por el desarrollo de vaciacuteos debajo del PCC en las juntas y fisuras por lo que
la fatiga por reflexioacuten se considera como un fenoacutemeno de corte-fatiga y depende
de la magnitud de dichas deformaciones a traveacutes de la junta o fisura Los factores
que son maacutes importantes incluyen la magnitud de la carga de la rueda la cantidad
de transferencia de carga a traveacutes de la junta o fisura y el apoyo de la subrasante
por debajo de la losa
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
8
Figura 3 Fisuracioacuten inducida por traacutefico movimientos verticales
Fuente Von Quintus (2009)
Un tercer mecanismo que causa fatiga por reflexioacuten es la curvatura de las losas
PCC en temperaturas maacutes friacuteas cuando la sobrecarpeta asfaacuteltica es dura y fraacutegil La
fatiga por reflexioacuten causada por este mecanismo inicia en la superficie en donde la
mayoriacutea del envejecimiento de la mezcla se lleva a cabo y se propaga hacia abajo
como se muestra en la Figura 4)
La curvatura hacia arriba entre las losas adyacentes da lugar a esfuerzos de
traccioacuten en la superficie de la sobrecarpeta y cuando estos esfuerzos superan la
resistencia a la traccioacuten se desarrollan fisuras por encima de las juntas Las
mezclas asfaacutelticas en caliente con alto contenido de vaciacuteos de aire envejeceraacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
9
maacutes raacutepido lo que resulta en valores mayores de moacutedulo pero deformaciones por
traccioacuten menores para la falla es decir mezclas fraacutegiles susceptibles a fisurarse
Figura 4 Fisuracioacuten inducida teacutermicamente curvatura de la losa PCC
Fuente Von Quintus (2009)
La causa de la fatiga por reflexioacuten es el resultado del efecto combinado de estas
cargas ambientales y por ruedas Las fisuras pueden iniciarse en la superficie o en
la parte inferior de la sobrecarpeta asfaacuteltica y la velocidad de propagacioacuten
depende del espesor y propiedades de la sobrecarpeta del tipo de refuerzo y si
se usa de la condicioacuten de soporte de la fundacioacuten
En resumen los factores que comuacutenmente causan los movimientos en las juntas y
las fisuras en la base del pavimento (factores desencadenantes) son las bajas
temperaturas (descenso de la temperatura) las cargas de las ruedas los ciclos
hielo-deshielo el envejecimiento de la mezcla asfaacuteltica en caliente cerca de la
superficie (nivel de vaciacuteos de aire) y la contraccioacuten de la losa PCC-sobrecarpeta
asfaacuteltica y de las capas de base tratadas con cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
10
23 TIPOS DE FATIGA POR REFLEXIOacuteN
Existen dos tipos de fatiga por reflexioacuten fatiga simple y fatiga doble El tipo de
fatiga depende de la magnitud del movimiento horizontal de la junta o fisura y de
la magnitud de la deformacioacuten vertical a traveacutes de la discontinuidad y es inducida
por las cargas del traacutensito y los efectos ambientales (cambios de temperatura y
humedad) como se puede observar en la Figura 5
La fisura simple se genera directamente sobre la junta o fisura subyacente
mientras que la doble se genera a poca distancia a lado y lado de la
discontinuidad siendo esta uacuteltima menos frecuente que la primera (Gaarkeuken
1996 Marchand 1982 Zhou 2002)
Figura 5 Tipos de fatiga por reflexioacuten Fuente Nynas (2010)
De acuerdo con Zhou y Scullion (2005) basados en los resultados de un anaacutelisis
en elementos finitos en tres dimensiones de capas delgadas de concreto asfaacuteltico
sobre losas de concreto riacutegido apoyadas sobre subrasantes blandas se encontroacute
que la fatiga doble ocurre solamente sobre las juntas o fisuras cuando el
movimiento vertical entre los dos bloques es significativamente grande
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
11
La fatiga por reflexioacuten simple es causada principalmente por las variaciones diarias
de temperatura las cuales inducen movimientos horizontales en la superficie de la
capa inferior donde se forma la fisura Si la capa superior (concreto asfaacuteltico) se
encuentra fuertemente ligada a la capa inferior (capa fracturada) se generan
esfuerzos de tensioacuten en la capa asfaacuteltica y directamente sobre la junta o la fisura
Los esfuerzos de tensioacuten inducidos son directamente proporcionales a las
propiedades de relajacioacuten de la mezcla asfaacuteltica y el movimiento se genera en la
junta o fisura el cual resulta proporcional a la longitud del bloque a la variacioacuten
de temperatura y al coeficiente de expansioacuten teacutermica del material de la capa
inferior Cuando la esfuerzo de tensioacuten inducido supera la resistencia a tensioacuten de
la mezcla asfaacuteltica la fisura por reflexioacuten se genera en la capa asfaacuteltica
exactamente sobre la fisura existente en la capa riacutegida inferior la cual se
propagaraacute hasta la superficie de la capa asfaacuteltica por accioacuten de las cargas
repetitivas del traacutensito yo por los ciclos de variacioacuten de la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
12
3 MARCO DE ANTECEDENTES
31 MEacuteTODOS DE ENSAYO PARA FATIGA POR REFLEXIOacuteN
El estado del arte contempla investigaciones enfocadas en ensayos de laboratorio
y de campo que se han utilizado para evaluar la resistencia de las mezclas
asfaacutelticas en caliente y pavimentos al efecto de fatiga por reflexioacuten Los ensayos de
laboratorio evaluacutean la resistencia de las mezclas asfaacutelticas durante la etapa de
disentildeo mientras que los ensayos de campo evaluacutean el desempentildeo de la teacutecnica de
rehabilitacioacuten seleccionada para minimizar la fatiga por reflexioacuten en pavimentos
existentes A continuacioacuten se listan las instituciones maacutes importantes que han
realizado investigaciones en este campo y se detallan las caracteriacutesticas de los
ensayos asiacute como los resultados que se obtuvieron en cada una de ellas
bull Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
Grzybowska et al (1993) de la Universidad Tecnoloacutegica de Cracow Polonia
evaluaron la efectividad de los geosinteacuteticos en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente para prevenir la fatiga por reflexioacuten Las caracteriacutesticas del
ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
13
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x3x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga estaacutetica de flexioacuten tasa de carga de 047 pulgmin
Carga repetida sinusoidal de flexioacuten 5 Hz
Corte estaacutetico tasa de carga de 004 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Flexioacuten estaacutetica Tiempo de falla fuerza maacutexima y esfuerzo de flexioacuten
Flexioacuten dinaacutemica Nuacutemero de repeticiones
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados para el ensayo de flexioacuten bajo carga repetida indicaron que las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente reforzadas con geotextiles
presentan una mayor resistencia al desarrollo de la fisuracioacuten Los ensayos de
corte demostraron que la presencia de un geotextil disminuye maacutes de dos veces la
adherencia entre las capas asfaacutelticas siendo este fenoacutemeno ventajoso para la
prevencioacuten del reflejo de fisuras debido a que el geotextil absorbe parte de la
energiacutea de fisuracioacuten de la capa inferior y no la transfiere hacia arriba
bull Instituto Tecnoloacutegico Technion-Israel Haifa Israel
Livneh et al (1993) usaron un dispositivo de rueda para predecir el
comportamiento de los geotextiles pre-revestidos con asfalto en el retardo de la
fatiga por reflexioacuten El dispositivo de rueda consistiacutea en una rueda cargada que
viaja de ida y vuelta sobre la parte superior de una viga de mezcla asfaacuteltica en
caliente colocada sobre una base elaacutestica simulando el modo I de fractura Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
14
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 28x4x4 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda para la falla
Longitud de fisuracioacuten versus nuacutemero de repeticiones y tiempo de ensayo
Se evaluaron tres tipos de tejidos (3M 3250 y 4180) insertados en las mezclas
asfaacutelticas en caliente obtenieacutendose que el geotextil tipo 3250 presentoacute una
resistencia a la fatiga por reflexioacuten cuatro veces superior a los otros tratamientos
Los investigadores concluyeron que este dispositivo puede servir como un meacutetodo
fiable para diagnosticar la eficiencia de los distintos tratamientos para el retraso de
la fatiga por reflexioacuten
bull Laboratorio de Geo-materiales ENTPE Francia
Di Benedetto et al (1993) del Laboratorio de Geo-materiales de Francia
condujeron una investigacioacuten para estudiar la fatiga por reflexioacuten en un pavimento
flexible compuesto por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente sobre
una losa tratada con cemento El equipo prototipo se llamoacute ldquoFisuroacutemetrordquo y fue
propuesto para simular el fenoacutemeno de la fatiga por reflexioacuten en el laboratorio Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Losas
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de 005 a 022 pulgh
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
15
Uniaxial ciacuteclica
minus Salidas del ensayo
Medida de la energiacutea transmitida por un tren de ondas ultrasoacutenicas
La comparacioacuten entre los resultados del fisuroacutemetro y los de campo para
diferentes teacutecnicas de mitigacioacuten de fisuras mostroacute que el fisuroacutemetro clasificoacute los
tratamientos en orden inverso a los resultados de campo esta diferencia podriacutea
deberse a que el fisuroacutemetro soacutelo simula la contraccioacuten teacutermica sin considerar el
efecto del traacutefico
bull Universidad Teacutecnica de Viena Austria
Tschegg et al (1993) de la Universidad Teacutecnica de Viena Austria desarrollaron un
nuevo dispositivo de ensayo llamado ldquoCuntildea de separacioacutenrdquo para caracterizar el
modo I de la fractura en las mezclas asfaacutelticas en caliente El dispositivo mide la
curva carga-desplazamiento de una muestra asfaacuteltica cuacutebica o ciliacutendrica y provee
informacioacuten para caracterizar el comportamiento a fractura de los especiacutemenes
ensayados Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Separacioacuten
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Cuacutebica o prismaacutetica
minus Tipo de carga
Estaacutetica tasa de carga de 005 pulgmin
minus Salidas del ensayo
Fuerza horizontal versus desplazamiento
Maacutexima fuerza vertical versus temperatura
Energiacutea de fisuracioacuten versus temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
16
Los investigadores concluyeron que la fuerza maacutexima de separacioacuten no es un
paraacutemetro adecuado para diferenciar las mezclas asfaacutelticas en caliente dado que
dos mezclas diferentes pueden tener la misma fuerza maacutexima de separacioacuten y el
comportamiento a fisuracioacuten diferentes Por otro lado se recomendoacute la energiacutea
especiacutefica de fractura como un paraacutemetro de ensayo maacutes confiable para
diferenciar las mezclas asfaacutelticas diferentes
bull Laboratorio de Caminos Puacuteblicos de Autum Francia
Dumas y Vecoven (1993) resumieron los resultados y las conclusiones de 210
ensayos de contraccioacuten-flexioacuten realizados con diversos tipos de teacutecnicas para la
reduccioacuten de la fatiga por reflexioacuten El ensayo de contraccioacuten-flexioacuten utilizado fue
desarrollado en 1988 para evaluar la eficacia de los sistemas anti-fisuras y simula
al mismo tiempo la contraccioacuten teacutermica del pavimento y las cargas de traacutefico
pesado a una temperatura constante de 5degC Las caracteriacutesticas del ensayo se
muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 24x28x28 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica vertical 1 Hz
Carga estaacutetica horizontal 0024 pulgh
minus Salidas del ensayo
Tiempo de inicio de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de propagacioacuten de la fisuracioacuten y longitud
Tiempo de rotura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
17
Los resultados del ensayo contemplaron una sobrecarpeta AC 010 de 24
pulgadas ubicada sobre una capa intermedia de tejidos (geotextil) una mezcla
asfaacuteltica en caliente rica en asfalto y una membrana intermedia que absorbe
esfuerzos (SAMI) Estos concluyeron que los tejidos para pavimentacioacuten retrasan el
tiempo de inicio de la fisuracioacuten mientras que la mezcla rica en asfalto ralentiza la
propagacioacuten de la fisuracioacuten
bull Colegio Universitario de Dublin Irlanda
Gibney et al (2002) evaluaron la resistencia a la fatiga por reflexioacuten de una
variedad de mezclas asfaacutelticas en caliente que se usaron en Irlanda por medio un
ensayo acelerado de rueda capaz de simular de arriba hacia abajo y de abajo
hacia arriba la fisuracioacuten en la capa de mezcla asfaacuteltica en caliente ubicada sobre
losas de concreto Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Dispositivo ciacuteclico de rueda
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas
De abajo hacia arriba 55x11x20 pulg
De arriba hacia abajo 55x102x20 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda 21 ciclosmin
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones de carga por rueda versus longitud de fisura
Deformacioacuten de las losas sobre el centro en 8 pulgadas a lo largo del ensayo
No se realizaron ensayos por lo que no se presentan resultados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
18
bull Universidad de Illinois Estados Unidos
Dempsey (2002) desarrolloacute y evaluoacute una capa intermedia que absorbe esfuerzos
(ISAC) para mitigar la fatiga por reflexioacuten en las sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica
en caliente El sistema ISAC estuvo compuesto por un geotextil de baja rigidez
como capa inferior una membrana viscoelaacutestica como capa central y un geotextil
de muy alta rigidez para la capa superior La eficacia de la capa ISAC para el
control de la fatiga por reflexioacuten fue evaluada en laboratorio en una seccioacuten de
pavimento conformada por una sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
ubicada sobre una losa articulada PCC Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran
a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Tensioacuten uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Capa HMA sobre losa PCC de 6x90x27 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica uniaxial frec de 00016 pulgmin (triangular)
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten en la sobrecarpeta HMA en funcioacuten de los ciclos
Longitud del fisuracioacuten versus tiempo
Como resultado la capa intermedia que absorbe esfuerzos (ISAC) tuvo un
desempentildeo mucho mejor que otros productos comerciales cuando esta fue
evaluada con el dispositivo propuesto
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
19
bull Instituto Tecnoloacutegico Aeronaacuteutico (ATI) Brasil
Montestruque et al (2004) presentaron un meacutetodo de ensayo innovador para
estudiar el efecto de una capa intermedia con geomalla de polieacutester en el
desempentildeo de una capa con mezcla asfaacuteltica en caliente no fisurada sobre una
capa similar pero fisurada La evaluacioacuten en laboratorio se llevoacute a cabo utilizando
un ensayo de fatiga dinaacutemico realizado sobre vigas prismaacuteticas que descansan
sobre una base elaacutestica (placas de acero) Este sistema fue concebido para simular
un pavimento fisurado despueacutes de su rehabilitacioacuten
Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten o corte
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x3 pulg
minus Tipo de carga
Carga sinusoidal frecuencia de carga de 20 Hz
minus Salidas del ensayo
Deformacioacuten permanente versus nuacutemero de ciclos de carga
Esfuerzo de tensioacuten versus longitud de la fisuracioacuten
Corte estaacutetico Maacutexima fuerza de corte y esfuerzo
Los resultados indicaron que la sobrecarpeta con mezcla asfaacuteltica en caliente
reforzada con la geomalla de polieacutester tuvo una vida de hasta seis veces maacutes que
la misma sobrecarpeta sin refuerzo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
20
bull Universidad Atlaacutentica de Florida Estados Unidos
Sobhan et al (2004) evaluaron los efectos de reforzar una sobrecarpeta (mezcla
asfaacuteltica en caliente) con geomallas riacutegidas como medida para mitigar la fatiga por
reflexioacuten cuando esta es colocada sobre las juntas de losas PCC Los objetivos
fueron la evaluacioacuten de la propagacioacuten de fisuras bajo cargas ciacuteclicas y la
evaluacioacuten de los efectos de la ubicacioacuten de la geomalla en la sobrecarpeta sobre
la propagacioacuten de las fisuras Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a
continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Flexioacuten (punto uacutenico de carga)
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras Vigas 18x6x75 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica
Carga ciacuteclica (sinusoidal) 2 Hz
minus Salidas del ensayo
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la primera fisura reflectada
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
mitad de la sobrecarpeta
Valor de carga o nuacutemero de repeticiones para la propagacioacuten de la fisura a la
superficie de la sobrecarpeta
Se encontroacute que con la misma relacioacuten de carga las losas con geomallas
incrustadas en la parte inferior tuvieron una mejor resistencia a la fatiga por
reflexioacuten que las losas con geomallas adheridas en la parte inferior mediante un
riego de liga Ademaacutes se comproboacute que la geomalla incorporada a media altura
fue maacutes efectiva que la geomalla ubicada en la parte inferior de la sobrecarpeta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
21
bull Universidad Politeacutecnica de Madrid Espantildea
Gallego y Prieto (2006) presentaron un dispositivo de rueda para simular la fatiga
por reflexioacuten (WRC) con la finalidad de caracterizar la resistencia de las
sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente ante este fenoacutemeno Las
caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 12x12x24 pulg
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica por rueda
Fuerza de traccioacuten estaacutetica 0001 a 50 umh
minus Salidas del ensayo
Longitud vertical de la fisura con tiempo
Desplazamiento vertical con tiempo
Movimiento relativo entre los bordes de las fisuras
Se estudiaron tres tratamientos sobrecarpetas con mezcla asfaacuteltica en caliente sin
geotextil y sobrecarpetas reforzadas con dos diferentes tipos de geotextil Como
resultado se tuvo que la sobrecarpeta sin refuerzo evidencioacute el peor desempentildeo
bull Laboratorio Regional de Puentes y Calzadas Francia
Tamagny et al (2004) evaluaron la capacidad y efectividad del dispositivo Mefisto
designado para determinar el comportamiento anti-fisuras por reflexioacuten de varios
materiales simulando la fisuracioacuten por fatiga en las sobrecarpetas con mezcla
asfaacuteltica en caliente Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
22
minus Tipo de ensayo Biaxial
minus Modo de falla I y II
minus Geometriacutea de muestras Vigas 2x2x26 pulg
minus Tipo de carga
Estaacutetica (carga horizontal)
Ciacuteclica (carga vertical) sinusoidal 10 Hz
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus fuerza vertical o energiacutea disipada
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
No se realizaron ensayos todaviacutea por lo que no se cuenta con resultados
bull Instituto de Transporte de Texas Estados Unidos
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) mejoraron el equipo
TTI Overlay Tester que habiacutea sido ampliamente utilizado para evaluar la eficacia de
diferentes materiales geosinteacuteticos desde que fue disentildeado por Lytton et al
(1979) Las caracteriacutesticas del ensayo se muestran a continuacioacuten
minus Tipo de ensayo Uniaxial
minus Modo de falla I
minus Geometriacutea de muestras
Nuacutecleos diaacutemetro de 6 pulg
Vigas 6x3x2 pulg
minus Temperatura 0 - 35 degC
minus Desplazamiento de apertura 0 - 2 mm
minus Tasa de carga
24 horas (o maacutes) por ciclo ndash 10 segundos por ciclo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
23
minus Tipo de carga
Carga ciacuteclica triangular con magnitud constante
minus Salidas del ensayo
Nuacutemero de repeticiones versus longitud de la fisuracioacuten
Nuacutemero de repeticiones versus tiempo de ensayo
Los principales resultados del trabajo experimental intensivo indicaron una muy
buena repetibilidad para el equipo Se demostroacute su sensibilidad a la temperatura
de ensayo a la apertura del desplazamiento al contenido y tipo de asfalto y a los
vaciacuteos de aire Tambieacuten demostroacute consistencia entre los resultados de los ensayos
a las mezclas asfaacutelticas y su correspondiente desempentildeo en campo El criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos a 77
degF (25 degC) y 0025 pulg (064 mm) de desplazamiento de apertura Si se utiliza
una capa inferior rica en asfalto la vida en la sobrecarpeta para la fatiga por
reflexioacuten debe ser por lo menos de 750 ciclos
32 MEacuteTODO DE ENSAYO CON EL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou el al (2003) mejoraron el TTI Overlay Tester para ser controlado plenamente
por un sistema computarizado con programas especiales Los datos del ensayo
incluyendo el tiempo el desplazamiento y la fuerza son registrados
automaacuteticamente y guardados como archivo de Excel El tamantildeo de la muestra del
Overlay Tester mejorado se redujo a 150 mm de largo por 75 mm de ancho y por
38 a 50 mm de alto haciendo del Overlay Tester un ensayo maacutes praacutectico y maacutes
faacutecil para manejar muestras fabricadas con el compactador giratorio Superpave
(SGC) o nuacutecleos extraiacutedos de campo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
24
El sistema mejorado puede ser conducido en el modo de desplazamiento
controlado bajo las caracteriacutesticas de ensayo mostradas anteriormente siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la rotura total de la
muestra Los investigadores encontraron que este valor es un buen indicador de la
resistencia a la fisuracioacuten por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas y que tiene una
buena correlacioacuten con el cambio de la carga
Seguacuten Zhou y Scullion (2005) la observacioacuten de los resultados de varios ensayos
con el Overlay Tester demostroacute que la relacioacuten entre la carga y el nuacutemero de ciclos
tiene tres fases distintas para la propagacioacuten de la grieta
minus Fase I Inicio de la fisura y propagacioacuten constante
minus Fase II Propagacioacuten avanzada de la fisura
minus Fase III Falla o rotura de la muestra
Con base en la discusioacuten anterior la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las
mezclas asfaacutelticas puede ser definida por el nuacutemero de ciclos correspondientes
con el inicio de la Fase II o la Fase III Desde el punto de vista conservador se
utiliza el inicio de la Fase II para definir la vida por fatiga por reflexioacuten Utilizando
el esquema de evaluacioacuten descrito anteriormente la vida debido a la fatiga por
reflexioacuten de la muestra se determinoacute para cuatro ciclos (10 segciclo)
321 Variabilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) analizaron la variabilidad del ensayo con el Overaly Tester El
primer paso para evaluar el equipo especialmente con el tamantildeo de muestra
pequentildeo recomendado (nuacutecleos obtenidos con el Compactador Giratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
25
Superpave en lugar de placas con mezcla asfaacuteltica en caliente) fue determinar la
repetibilidad del ensayo En general cuanta maacutes pequentildea fue la muestra la
variabilidad de los resultados del ensayo aumentoacute Desde que el Overlay Tester
mejorado fue usado con una muestra pequentildea hubo preocupacioacuten sobre su
capacidad de repeticioacuten Por ello se seleccionaron dos tipos de mezclas del
Instituto de Transporte de Texas (tipo D y CMHB-C con un asfalto PG64-22) para
fabricar seis ejemplares ideacutenticos (6 pulg [150 mm] de diaacutemetro por 225 pulg [57
mm] de altura) utilizando el Compactador Giratorio Superpave Luego las
muestras fueron cortadas a 15 pulg (38 mm) de altura con una hoja de doble
sierra y despueacutes a 15 pulg (38 mm) de cada lado de las muestras El contenido de
aire de cada muestra se controloacute en el 7 plusmn 05 por ciento despueacutes de recortar las
muestras Por uacuteltimo seis muestras para cada mezcla se pegaron a las placas del
Overlay Tester El ensayo prueba se llevoacute a cabo a temperatura ambiente (77 degF
[25 degC]) y el desplazamiento de apertura se establecioacute en 0025 pulg (063 mm)
La Figura 6 mostroacute la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las seis muestras
ideacutenticas Tipo D Se encontroacute un promedio de vida de 140 ciclos con una
desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 117 y 83 por ciento
respectivamente En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas
asfaacutelticas es de 10 a 25 por ciento Estos resultados indican claramente que los
ensayos en el Overlay son repetibles
Por otra parte la mezcla CMHB-C mostroacute una escasa resistencia a fatiga por
reflexioacuten en el Overlay Tester con cada una de las muestras falladas despueacutes de
dos ciclos Por lo tanto se excluyoacute esta mezcla anaacutelisis de repetibilidad
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
26
Figura 6 Repetibilidad del Overlay Tester para la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
Los resultados del ensayo para la mezcla tipo D se utilizaron para proporcionar una
estimacioacuten del nuacutemero miacutenimo de repeticiones necesarias para realizar el ensayo
La Figura 7 muestra la relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia
especificada Se puede observar que el promedio de vida de dos ejemplares debido
a fatiga por reflexioacuten estaraacute dentro de plusmn 12 por ciento de la verdadera vida de la
mezcla asfaacuteltica con una confiabilidad del 95 por ciento
Figura 7 Relacioacuten entre el nuacutemero de muestras y la tolerancia especifica para la vida
debido a fatiga por reflexioacuten de la mezcla tipo D del TxDOT
Fuente Zhou et al (2003)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Nuacutemero de muestra
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nuacute
me
ro d
e m
ue
str
as
Tolerancia especiacutefica ()
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
27
Basaacutendose en los resultados de este anaacutelisis se recomendoacute el uso de al menos
tres reacuteplicas de la mezcla asfaacuteltica en caliente para un error de menos del 10 por
ciento
322 Sensibilidad del ensayo con el Overlay Tester mejorado
Zhou et al (2003) investigaron la sensibilidad del Overlay mejorado con las
propiedades del material y condiciones de ensayo Los paraacutemetros analizados
fueron la temperatura de ensayo el desplazamiento de apertura los vaciacuteos de
aire el grado de desempentildeo del asfalto y el contenido de asfalto Para esta
investigacioacuten se utilizoacute la mezcla tipo D del Instituto de Transporte de Texas
(TxDOT) con un contenido oacuteptimo de asfalto de 51 por ciento Cabe sentildealar que
soacutelo un paraacutemetro fue variable en este ensayo de sensibilidad y los otros se
mantuvieron constantes Los resultados obtenidos se presentan a continuacioacuten
bull Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) y a 50 degF (10 degC) para un desplazamiento
de apertura igual a 0025 pulg (063 mm) y se utilizaron tres repeticiones para
cada temperatura
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 8 la
cual mostroacute la influencia significativa de la temperatura en la vida de las mezclas
asfaacutelticas en caliente por lo que se concluyoacute que los ensayos con el Overlay Tester
son sensibles a la temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
28
Figura 8 Influencia de la temperatura en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG76-22 modificado con SBS para moldear seis muestras
ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para dos desplazamientos de apertura de
0025 pulg (063 mm) y de 0035 pulg (089 mm) y se utilizaron tres repeticiones
para cada desplazamiento
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se evidencioacute en la Figura 9 la
cual indicoacute que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuyoacute con el
aumento del desplazamiento por lo que se concluyoacute que los resultados de los
ensayos con el Overlay Tester son sensibles al desplazamiento de apertura
33
1
0
5
10
15
20
25
30
35
77 50
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Temperatura (degF)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
29
Figura 9 Influencia del desplazamiento de apertura en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Se utilizoacute un asfalto PG64-22 para moldear tres muestras iguales con cada uno de
los tres contenidos de asfalto 42 51 (oacuteptimo) y 61 por ciento El ensayo con el
Overlay Tester se realizoacute a 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de
0025 pulg (063 mm)
El promedio de vida debido a la fatiga por reflexioacuten se presentoacute en la Figura 10 y
mostroacute el aumento significativo en la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente con
el incremento del contenido de asfalto Los resultados fueron consistentes con los
resultados de los ensayos tradicionales de fatiga en la viga de flexioacuten
33
9
0
5
10
15
20
25
30
35
0025 0035
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Desplazamiento de apertura (pulg)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
30
Figura 10 Influencia del contenido de asfalto en la vida de la fatiga por reflexioacuten Fuente Zhou et al (2003)
bull Influencia del Grado de Desempentildeo del asfalto en la vida de la fatiga por
reflexioacuten
Los datos de la Figura 9 y Figura 10 mostraron que el aumento del PG de 64 a 76
dio lugar a una disminucioacuten en la vida de la fatiga por reflexioacuten de 90 a 33
indicando una pobre resistencia por parte de los asfaltos riacutegidos
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
La Figura 11 mostroacute la influencia del contenido de vaciacuteos de aire sobre la vida de la
fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con vaciacuteos de aire
mayores Los investigadores relacionan este comportamiento con la mayor
posibilidad de generacioacuten de muestras maacutes densas y maacutes fuertes cuando se reduce
los vaciacuteos de aire de 74 a 42 por ciento por lo que las muestras con contenidos
de vaciacuteos de aire menores tienen tambieacuten una mayor rigidez y mayor resistencia
Sin embargo la fatiga por reflexioacuten (de origen teacutermico) simulada por el Overlay
Tester es un escenario diferente ya que si se baja la temperatura y se mantiene
35
90
247
0
50
100
150
200
250
300
42 51 (Optimum) 61
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(No
d
e c
iclo
s)
Contenido de asfalto (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
31
constante la mezcla maacutes densa y con mayor moacutedulo sufre un mayor esfuerzo
teacutermico Contrariamente si su resistencia es menor el esfuerzo teacutermico inducido
en la muestra con mayor contenido de aire es maacutes bajo Cuando el esfuerzo
teacutermico inducido en una muestra es superior a su resistencia se produce la
fisuracioacuten Si una muestra con menor contenido de vaciacuteos aire es o no resistente a
la fatiga por reflexioacuten teacutermica depende tanto de su rigidez como de su resistencia
Figura 11 Influencia de los vaciacuteos de aire en la vida de la fatiga por reflexioacuten
Fuente Zhou et al (2003)
33 VALIDACIOacuteN DEL OVERLAY TESTER MEJORADO
Zhou et al (2003) llevaron a cabo la validacioacuten del Overlay Tester mejorado en
tres pasos En primer lugar se discutioacute la eficacia del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten
Luego para evaluar esta resistencia con el Overlay Tester se utilizaron nuacutecleos de
campo con desempentildeo a fatiga por reflexioacuten conocido Por uacuteltimo se ensayaron
nuacutecleos extraiacutedos del MnRoad para comprobar el potencial del Overlay Tester en la
caracterizacioacuten de la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fisuracioacuten por bajas
temperaturas
96
171
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
42 74
Vid
a a
fa
tig
a p
or
refl
ex
ioacuten
(N
o
de
cic
los)
Vaciacuteos de aire (Porcentaje)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
32
La validacioacuten del TTI Overlay Tester se realizoacute con base en la ejecucioacuten de diversos
proyectos en todo Texas Desde el antildeo 2000 el equipo pequentildeo fue empleado con
eacutexito para caracterizar la resistencia de diferentes mezclas asfaacutelticas a su fatiga por
reflexioacuten con desempentildeos de fatiga por reflexioacuten conocidos de campo
Las fisuras por reflexioacuten aparecieron raacutepidamente en las nuevas sobrecarpetas
colocadas en todo el estado y se extrajeron nuacutecleos de estos pavimentos con bajo
desempentildeo para ser evaluados con el Overlay Tester y los resultados se
compararon con los de los nuacutecleos de los Estudios Especiales del Pavimento 5
(SPS5) cerca de Dallas pertenecientes a una sobrecarpeta ubicada sobre una base
estabilizada sin presencia de fisuras por reflexioacuten despueacutes de 10 antildeos de servicio
Todos estos nuacutecleos con desempentildeos buenos y malos se utilizaron para validar el
TTI Overlay Tester Las mezclas asfaacutelticas en caliente ensayadas con el Overlay
Tester cubrieron mezclas tipo C del TxDOT con caucho de neumaacutetico PG 76-22
mezclas tipo D con PG 64-22 y mezclas tipo D con 30 y 75 por ciento de concreto
asfaacuteltico reciclado Varios nuacutecleos fueron extraiacutedos de los diferentes proyectos y
ensayados con el Overlay Tester asimismo se llevoacute a cabo una inspeccioacuten
detallada de la condicioacuten del pavimento Por lo tanto la capa fue sometida a fatiga
por reflexioacuten para identificar los mecanismos de falla y el buen desempentildeo de la
mezcla con la finalidad de validar las capacidades del Overlay en el desempentildeo de
las sobrecarpetas a fatiga por reflexioacuten
En resumen los resultados de los ensayos con el Overlay Tester fueron
compatibles con el desempentildeo en campo diferenciaacutendose las fisuras de las
mezclas con pobre resistencia de las mezclas con buena resistencia Los estudios
de los casos evaluados tambieacuten confirmaron que el Overlay Tester es una
herramienta raacutepida en funcioacuten de su desempentildeo para evaluar la resistencia de las
mezclas asfaacutelticas a fatiga por reflexioacuten Los resultados con el Overlay Tester de
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
33
los nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido extraiacutedos de las distintas
carreteras mostraron un muy buen comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
cuando la vida debido a fatiga por reflexioacuten (desde el Overlay Tester) fue mayor
que 300 Por lo tanto los investigadores propusieron el criterio de falla preliminar
para la resistencia a fatiga por reflexioacuten de 300 ciclos a 77 degF (25 degC) y 0025 pulg
(064 mm) de desplazamieto de apertura de igual manera para el uso de una
capa inferior rica en asfalto se propuso una vida debido a fatiga por reflexioacuten de al
menos 750 ciclos
El TTI Overlay Tester tambieacuten fue validado utilizando los nuacutecleos del MnRoad para
evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a su fisuracioacuten por baja
temperatura Se seleccionaron tres nuacutecleos de ensayo representativos (15 18 y
20) del MnRoad mostraacutendose en la Tabla 1 su desempentildeo en campo A pesar de
los nuacutecleos estaban compuestos por diferentes capas soacutelo se ensayoacute en el Overlay
Tester la capa superior de mezcla asfaacuteltica en caliente ya que es la capa criacutetica
para la fisuracioacuten por baja temperatura El Overlay Tester se ensayoacute a una
temperatura de 77 degF (25 degC) para un desplazamiento de apertura de 0025 pulg
y sus resultados (Tabla 1) fueron compatibles con el desempentildeo a fisuracioacuten de las
mezclas asfaacutelticas observado en campo Los resultados tambieacuten indicaron que
tanto el contenido de asfalto (nuacutecleos 15 y 18) como el grado de desempentildeo del
asfalto (nuacutecleos 15 18 y 20) tuvieron una influencia en la resistencia a fisuracioacuten
lo cual fue consistente con los resultados del estudio de sensibilidad realizado
Tabla 1 Ensayo de nuacutecleos del MnRoad Mezcla asfaacuteltica y desempentildeo por fisuracioacuten
Nuacutecleo de
Ensayo
Tipo de
Asfalto
Disentildeo de Mezcla
(Marshall)
Pies Lineales de Fisuracioacuten en
Campo
Resultados Overlay
Tester
15 PG 64-22 75 golpes 475 91 18 PG 64-22 50 golpes 315 153
20 PG 58-28 35 golpes 100 500
Fuente Zhou et al (2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
34
4 METODOLOGIacuteA
41 DESARROLLO DE UN NUEVO EQUIPO DE REFLEXIOacuteN
Actualmente la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio
que permiten realizar la caracterizacioacuten dinaacutemica de briquetas asfaacutelticas a traveacutes
de ensayos de rigidez fatiga y ahuellamiento Sin embargo los equipos como el
Nottinghan Aspahlt Tester (NAT) y el Banco Franceacutes que simulan la fatiga de los
materiales asfaacutelticos por flexioacuten no son capaces de reproducir el efecto del reflejo
de fisuras por traccioacuten directa en las muestras asfaacutelticas de sobrecarpetas
causadas por cambios bruscos en la temperatura del ambiente por esta razoacuten en
el presente trabajo se desarrolloacute un Equipo de Reflexioacuten por traccioacuten directa que
permita caracterizar las mezclas por su resistencia a la fatiga por reflexioacuten
Debido a los requerimientos buscados en el ensayo de fatiga se disentildeoacute y
construyoacute un Equipo de Reflexioacuten basado en el Overlay Tester del Instituto de
Transporte de Texas si bien es cierto se disponen de muchos equipos que
permiten realizar esta caracterizacioacuten este equipo permite generar repeticiones de
apertura y oclusioacuten de manera ciacuteclica simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accioacuten del gradiente teacutermico Asimismo
permite ensayar con muestras asfaacutelticas elaboradas en laboratorio con el
Compactador Giratorio Superpave asiacute como nuacutecleos de pavimentos existentes
extraiacutedos con diamantina
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
35
411 Instrumentacioacuten mecaacutenica
La Figura 12 muestra el Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
el cual funciona con un sistema mecaacutenico compuesto por un motor a pasos que
aplica cargas repetidas de tensioacuten directa a los especiacutemenes Este motor es capaz
de realizar 1000 pasos por revolucioacuten y posee un torque 641 n-cm
Asimismo la maacutequina cuenta con dos bloques uno fijo y otro que se desplaza
horizontalmente midiendo a su vez automaacuteticamente y registrando la carga el
desplazamiento y la temperatura cada 01 seg
El bloque desplazado aplica tensioacuten con una onda ciacuteclica de forma triangular para
un desplazamiento maacuteximo constante de 02 cm (008 pulg) siendo el valor
maacuteximo recomendado de 0063 cm (0025 pulg) El bloque desplazado alcanza el
desplazamiento maacuteximo y luego retorna a su posicioacuten inicial en 10 seg (1 ciclo)
Figura 12 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Adicionalmente el Equipo de Reflexioacuten para mezclas asfaacutelticas estaacute constituido por
otros elementos mecaacutenicos cuyas caracteriacutesticas se describen a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
36
Se utilizoacute un motoreductor como elemento encargado de amplificar la potencia
mecaacutenica suministrada por el motor a pasos al sistema de desplazamiento La
Figura 13 muestra este componente
Figura 13 Motoreductor mecaacutenico
Para el desplazamiento del bloque se utilizoacute un sistema de desplazamiento lineal
basado en tornillo El desplazamiento tiene una velocidad de 2 mm por cada
revolucioacuten y convierte el torque del motoreductor en potencia de desplazamiento
lineal La Figura 14 presenta el tornillo que guiacutea el movimiento de los bloques
Figura 14 Base de los bloques deslizantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
37
De igual manera el equipo estaacute compuesto de flanches de fijacioacuten de muestras
que permiten sostener y fijar los especiacutemenes asfaacutelticos a los bloques fijos que
ejercen el desplazamiento de las muestras La Figura 15 muestra las placas
Figura 15 Flanches de fijacioacuten de muestras
Complementariamente el equipo contempla una estructura soporte construida en
su totalidad en aluminio extruido de excelentes prestaciones mecaacutenicas y
presentacioacuten visual En la Figura 16 se observa la estructura de soporte del equipo
Figura 16 Estructura de soporte del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
38
412 Instrumentacioacuten eleacutectrica y electroacutenica
Con la finalidad de poder cuantificar las cargas y deformaciones en las muestras
asfaacutelticas ensayadas se disentildeoacute y desarrolloacute un sistema de medicioacuten adecuado que
permitioacute controlar las condiciones de ensayo y medir la respuesta en deformacioacuten
y carga de acuerdo al nuacutemero de ciclos aplicados
Para medir el desplazamiento lineal del tornillo se instaloacute un transductor LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) con un recorrido igual a plusmn50 mm En la
Figura 17 se puede observar el deformiacutemetro
Figura 17 Transductor diferencial lineal variable (LVDT)
La fuerza ejercida para el movimiento del bloque deslizante se midioacute con un sensor
de fuerza tipo celda de carga basada en strain gauge (galgas extensomeacutetricas) en
conexioacuten puente de wiston cuya capacidad de carga es del orden de 5000 libras
La Figura 18 presenta una imagen de la ubicacioacuten de la celda de carga en el
Equipo de Reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
39
Figura 18 Sensor de fuerza tipo celda
El equipo cuenta con un PLC que es un controlador loacutegico programable que tiene
la funcioacuten principal de generar los pulsos requeridos por el sistema de
desplazamiento para la rotacioacuten del motor a pasos mostrado en la Figura 19 Un
computador procesa los pasos por segundo requeridos para el desplazamiento y el
PLC recibe mediante un protocolo de comunicacioacuten estaacutendar el dato procesado
Figura 19 Motor mecaacutenico a pasos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
40
Luego de recibir los pulsos en el PLC fue necesario implementar un driver
electroacutenico de potencia como el mostrado en la Figura 20 que recepcione y
convierta dichos pulsos en potencia eleacutectrica inyectando 18 amperios por paso
Figura 20 Driver electroacutenico de potencia
Para suministrar de energiacutea eleacutectrica al PLC se utilizoacute una fuente electroacutenica de
alimentacioacuten De igual manera para controlar la temperatura en la caacutemara de
ensayos se dispuso del controlador electroacutenico mostrado en la Figura 21
Figura 21 Control digital de temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
41
En lo referido a la temperatura de ensayo se utilizoacute una resistencia que suministra
la energiacutea requerida para calentar la caacutemara a la temperatura definida por el
usuario El sistema posee ventilacioacuten forzada de aire para recirculacioacuten y
homogenizacioacuten interna de la temperatura La Figura 22 presenta la resistencia de
calentamiento que se conecta con el controlador por un contacto electroacutenico
Figura 22 Resistencia para calentamiento de la caacutemara
Finalmente se dispone de un computador de escritorio para asignar las variables
de control de velocidad y frecuencia requerida por el usuario La Figura 23 muestra
el PC utilizado
Figura 23 Computador de escritorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
42
413 Sistema de adquisicioacuten de datos y control
La adquisicioacuten de datos se realizoacute por medio de una tarjeta de marca National
Instruments donde la captura de la informacioacuten fue proporcionada por los
transductores de desplazamiento y carga La lectura de las galgas extensomeacutetricas
se registroacute con el moacutedulo de alta precisioacuten NI9237 que digitaliza las lecturas de
fuerza y deformacioacuten La Figura 24 presenta el moacutedulo mencionado
Figura 24 Tarjeta de adquisicioacuten de datos
414 Software de control
El software para el Equipo de Reflexioacuten fue desarrollado utilizando la herramienta
para control automaacutetico LabView desarrollado por National Instruments Las
variables de entrada para el control del ensayo son el porcentaje de disminucioacuten
de la carga maacutexima la amplitud y el periacuteodo de la onda el nuacutemero de ciclos o
repeticiones y la temperatura de ensayo Como paraacutemetros de salida el software
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
43
ofrece el tiempo de falla de las muestras el nuacutemero de ciclos aplicados la carga
maacutexima inicial y la carga actual la temperatura de ensayo y el porcentaje de
reduccioacuten de fuerza A su vez la Figura 25 muestra una vista del software donde
la graacutefica superior representa la variacioacuten de la carga aplicada en funcioacuten del
tiempo y la graacutefica inferior corresponde a la sentildeal de las deformaciones obtenidas
durante el tiempo de ensayo conformando las ondas de forma triangular
Figura 25 Software de control
Asimismo en la interfaz graacutefica se muestran botones de control para adquisicioacuten
de datos asignacioacuten de la velocidad y frecuencia de desplazamiento y el botoacuten de
comunicacioacuten con el PLC
415 Resultados de la implementacioacuten
Para la implementacioacuten en laboratorio del Equipo de Reflexioacuten se moldearon
ciliacutendricamente tres briquetas asfaacutelticas con el Compactador Giratorio Superpave
de diaacutemetro de 150 mm y altura de 115 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
44
Seguidamente se colocoacute la plantilla de corte sobre la superficie superior de los
especiacutemenes moldeados y se trazoacute la ubicacioacuten de los dos primeros cortes para
retirar los bordes cortando perpendicularmente sobre la superficie superior
siguiendo las liacuteneas trazadas Luego se retiroacute equitativamente la parte superior e
inferior del espeacutecimen para obtener una muestra con una altura de 38 mm
Se colocaron y aseguraron las placas base en el dispositivo de montaje se cubrioacute
con epoacutexico la parte inferior de los especiacutemenes cortados y se pegaron sobre las
placas base Luego se colocoacute un peso de 45 kg sobre la parte superior del
espeacutecimen pegado para asegurar el contacto completo del espeacutecimen cortado con
las placas base
Se colocoacute la muestra de ensayo ensamblada dentro de la caacutemara de temperatura
del Equipo de Reflexioacuten a 25 degC durante una hora antes del ensayo se ingresaron
los paraacutemetros de amplitud y periacuteodo en el software desarrollado y realizoacute el
ensayo midiendo el desplazamiento en funcioacuten del tiempo y la reduccioacuten de la
fuerza con el nuacutemero de ciclos aplicados
En el Anexo A se presenta de manera detallada el procedimiento de ensayo para la
determinacioacuten de la resistencia a la fatiga de mezclas asfaacutelticas
A continuacioacuten en la Figura 26 y la Figura 27 se muestran los especiacutemenes
asfaacutelticos antes y despueacutes del ensayo en este uacuteltimo caso se observa la fatiga del
material bituminoso debido al reflejo de la discontinuidad existente entre las placas
base como consecuencia de los ciclos de apertura y oclusioacuten del equipo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
45
Figura 26 Montaje de muestras en el equipo
Figura 27 Fatiga en briqueta asfaacuteltica
En general las primeras pruebas realizadas permitieron evaluar el nivel de
deformacioacuten constante en el ensayo y comprobar el comportamiento decreciente
de la carga maacutexima en el tiempo de igual manera el cumplimiento de la
frecuencia y temperatura ingresadas asiacute como la evolucioacuten de la fatiga por
reflexioacuten causada por el reflejo de las discontinuidades inferiores
En el Anexo B se presenta el respectivo manual de usuario del Equipo de Reflexioacuten
que detalla paso a paso su procedimiento de operacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
46
42 ENSAYOS PARA CARACTERIZACIOacuteN DE AGREGADOS
En sentido general los agregados tambieacuten llamados aacuteridos son aquellos
materiales inertes de forma granular naturales o artificiales que mezclados con el
cemento asfaacuteltico conforman un todo compacto conocido como mezcla asfaacuteltica
Para fines de disentildeo se clasifica en agregado grueso a la porcioacuten del agregado
retenida en el tamiz No 4 agregado fino a la porcioacuten comprendida entre los
tamices No 4 y No 200 y llenante mineral la que pase el tamiz No 4
421 Especificaciones del agregado
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40021 de Agregados y Llenante Mineral se
exponen las especificaciones para los agregados mencionadas a continuacioacuten
Los agregados peacutetreos no deben desprenderse de la capa de material asfaacuteltico
debido a la accioacuten del agua y del traacutensito Asimismo el agregado grueso debe
proceder de la trituracioacuten de roca o de grava y sus fragmentos deben ser limpios
resistentes y durables A su vez el agregado fino debe estar constituido por arena
de trituracioacuten o una mezcla de ella con arena natural y los granos deben ser duros
limpios y de superficie rugosa y angular De igual manera el llenante mineral debe
provenir de procesos de trituracioacuten o puede usarse cal hidratada o cemento
La mezcla de los agregados grueso y fino y el llenante mineral deberaacute satisfacer
los requisitos baacutesicos de calidad indicados en la Tabla 4001rdquo Esta tabla se
presenta en la Figura 28 de este documento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
47
Figura 28 Requisitos de los agregados para tratamientos y mezclas bituminosas
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4001
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
48
422 Agregado peacutetreo utilizado
Se caracterizaron los agregados provenientes de una cantera representativa de la
ciudad de Villavicencio Estos agregados fueron de la mejor calidad posible dentro
de los tipos normalmente utilizados para pavimentos asfaacutelticos en la ciudad de
Bogotaacute
La mezcla de agregados grueso y fino y del llenante mineral se ajustoacute a las
exigencias de la especificacioacuten INVIAS para una granulometriacutea de mezcla asfaacuteltica
densa en caliente tipo MDC-2
423 Ensayos realizados al agregado
Se realizaron los ensayos de caracterizacioacuten a los agregados peacutetreos seguacuten las
normas teacutecnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de Materiales
para Carreteras - Tomo II asimismo se realizaron los ensayos de consenso y de
origen para agregados requeridos por la metodologiacutea de disentildeo de mezclas
SUPERPAVE
4231 Ensayos convencionales al agregado peacutetreo
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales y SUPERPAVE realizados al
agregado peacutetreo Los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
minus Equivalente de arena de suelos y agregados finos
minus Resistencia al desgaste de los agregados de tamantildeos menores de 375 mm
(1frac12rdquo) por medio de la maacutequina de Los Aacutengeles
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
49
minus Sanidad de los agregados frente a la accioacuten de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio
minus Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
minus Iacutendice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
minus Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales
minus Determinacioacuten de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasioacuten
utilizando el aparato Micro-Deval
minus Meacutetodo para determinar partiacuteculas planas alargadas o planas y alargadas en
agregados gruesos
4232 Ensayos adicionales al agregado peacutetreo
Para realizar el disentildeo volumeacutetrico de mezclas por la metodologiacutea SUPERPAVE fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especiacutefica en agregados gruesos
agregados finos y llenantes minerales
Para el caso del agregado grueso se buscoacute determinar las gravedades especiacuteficas
bulk bulk saturada y superficialmente seca y aparente asiacute como la absorcioacuten
despueacutes que los agregados con tamantildeo igual o mayor al tamiz No 4 estuvieron
sumergidos en agua durante 15 horas De igual manera para el agregado fino se
determinaron las gravedades especiacuteficas bulk y aparente a 23 degC despueacutes de 15
horas en agua asiacute como la absorcioacuten de agregados finos
En lo referido al llenante mineral se determinoacute la gravedad especiacutefica de los suelos
y del llenante mineral (filler) por medio del meacutetodo del picnoacutemetro para suelos
compuestos soacutelo de partiacuteculas menores que el tamiz No 200 El objetivo fue
conocer la relacioacuten entre la masa de un cierto volumen de soacutelidos a una
temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a
la misma temperatura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
50
Los equipos y los procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos
corresponden a las normas INVIAS
La Tabla 2 presenta la comparacioacuten entre los valores especificados en las normas
INVIAS y los resultados de los ensayos de caracterizacioacuten realizados al agregado
Tabla 2 Ensayos realizados sobre el agregado peacutetreo
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma
INV
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Gravedad especiacutefica del llenante
mineral - E-128-07 - - 273
Equivalente de arena E-133-07 50 - 58
Desgaste Los Aacutengeles E-218-07 - 25 286
Peacuterdidas en ensayo de solidez
Sulfato de magnesio E-220-07 - 18 41
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten
de agregado fino - E-222-07 - - 24817
Gravedad especiacutefica y absorcioacuten de agregados gruesos
- E-223-07 - - 25916
Partiacuteculas fracturadas mecaacutenicamente
E-227-07 85 - 877
Iacutendice de alargamiento y
aplanamiento E-230-07 - 35(1) 211
Valor de azul de metileno E-235-07 - 10(1) 48
Desgaste Micro-Deval E-238-07 - 20 104
Partiacuteculas planas y alargadas (Relacioacuten 51)
E-240-07 - 10 14
(1) Valores especificados para bases y subbases granulares
En el ANEXO C se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del agregado peacutetreo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
51
43 CARACTERIZACIOacuteN DEL ASFALTO ORIGINAL
El asfalto se define como un material de color oscuro que puede tener
consistencia liacutequida semisoacutelida o soacutelida compuesto principalmente de
hidrocarburos casi en su totalidad solubles en sulfuro de carbono Proceden de
yacimientos naturales o como residuo de la refinacioacuten de determinados crudos de
petroacuteleo y se emplean en el campo de la ingenieriacutea debido entre otras cosas a sus
buenas propiedades adhesivas o aglutinantes mecaacutenicas fiacutesicas y su elevada
inercia quiacutemica
431 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
De acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) en el
Artiacuteculo 400-96 ldquoDisposiciones generales para la ejecucioacuten de riegos de
imprimacioacuten y liga tratamientos superficiales sellos de arena asfalto lechadas
asfaacutelticas mezclas densas y abiertas en friacuteo y en caliente y reciclado de
pavimentos asfaacutelticosrdquo en la seccioacuten 40022 de Cemento Asfaacuteltico se exponen las
especificaciones para el cemento asfaacuteltico mencionadas a continuacioacuten
El cemento asfaacuteltico a emplear en las mezclas asfaacutelticas elaboradas en caliente
puede ser de penetracioacuten 60-70 u 80-100 seguacuten las caracteriacutesticas climaacuteticas de la
regioacuten y las condiciones de operacioacuten de la viacutea La Tabla 3 presenta estas
recomendaciones seguacuten la Tabla 4002 de la Normatividad INVIAS
Asimismo los requisitos de calidad del cemento asfaacuteltico se establecen en la Tabla
4003 de la norma y se exponen para cada tipo de asfalto en la Tabla 4
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
52
Tabla 3 Tipo de cemento asfaacuteltico por emplear en mezclas en caliente
Traacutensito de disentildeo
10⁶ ejes de 80 kN
Temperatura media anual de la regioacuten
24 degC + 15-24 degC 15 degC
5 + 60-70 60-70 80-100
05 a 5 60-70 60-70 u 80-100 80-100
05 - 60-70 60-70 u 80-100 80-100
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4002
Tabla 4 Especificaciones del cemento asfaacuteltico
Caracteriacutestica Unidad
Norma de
ensayo
INVIAS
Grado de penetracioacuten
60 - 70 80 - 100
Miacuten Maacutex Miacuten Maacutex
Penetracioacuten (25degC 100 g 5 s) 01 mm E-706-07 60 70 80 100
Iacutendice de penetracioacuten - E-724-07 -1 +1 -1 +1
Ductilidad (25degC 5 cmmin) cm E-702-07 100 - 100 -
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC E-709-07 230 - 230 -
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento
(163degC 75 minutos)
E-720-07 - 10 - 10
Penetracioacuten del residuo luego de la
peacuterdida por calentamiento (E-720) en de la penetracioacuten original
E-706-07 52 - 48 -
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida
por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento (E-720)
degC E-712-07 - 5 - 5
Fuente INVIAS (2007) Tabla 4003
De igual manera la norma contempla la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
mediante la adicioacuten de activantes rejuvenecedores poliacutemeros asfaltos naturales o
cualquier otro producto sancionado por la experiencia En tales casos las
especificaciones particulares establecen el tipo de adicioacuten y las especificaciones
que deben cumplir tanto el ligante modificado como las mezclas asfaacutelticas
resultantes
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
53
432 Cemento asfaacuteltico utilizado
Para el presente proyecto se utilizoacute el cemento asfaacuteltico de Barrancabermeja
clasificado por penetracioacuten como 80-100 el cual se caracterizoacute inicialmente para
conocer sus propiedades en estado original y luego en puntos posteriores se
modificoacute por proceso huacutemedo con el fin de estudiar las modificaciones que el
grano de caucho reciclado (GCR) produce en el mismo al ser combinados y en la
mezcla asfaacuteltica resultante
433 Ensayos realizados al cemento asfaacuteltico
Para evaluar la calidad del cemento asfaacuteltico y caracterizarlo existen diversos
ensayos de laboratorio que tratan de reproducir el comportamiento a escala real
del material A continuacioacuten se presentan los ensayos realizados al ligante y las
normas que los rigen
4331 Viscosidad rotacional Brookfield
Este ensayo de consistencia tiene por objeto medir la viscosidad aparente del
asfalto a elevadas temperaturas desde 60 degC a 200 degC usando un viscosiacutemetro
rotacional equipado con una caacutemara termostatizada de tipo Brookfield Termosel
El ensayo de viscosidad Brookfield es muy importante porque permite conocer el
comportamiento reoloacutegico del material asfaacuteltico a diferentes temperaturas
asimismo permite determinar las temperaturas de mezclado y compactacioacuten de la
mezcla asfaacuteltica en caliente para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028 plusmn 003
Pas respectivamente establecidos por SUPERPAVE y que se analizaraacuten a detalle
maacutes adelante
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
54
El procedimiento empleado para la ejecucioacuten de este ensayo se encuentra en la
Norma INV E-717-07 La Figura 29 representa la curva reoloacutegica obtenida para el
ligante la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Figura 29 Curva reoloacutegica para el ligante asfaacuteltico
4332 Ensayos convencionales al cemento asfaacuteltico
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante asfaacuteltico
tanto en su estado original como envejecido Los procedimientos con los cuales se
realizaron los ensayos corresponden a las normas INVIAS
minus Ductilidad de los materiales asfaacutelticos
minus Penetracioacuten de los materiales asfaacutelticos
minus Gravedad especiacutefica de materiales asfaacutelticos por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Punto de ignicioacuten y de llama mediante la copa abierta Cleveland
minus Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
55
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada en movimiento
minus Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento
minus Incremento en el punto de ablandamiento luego de la peacuterdida por
calentamiento
En la Tabla 5 se hace una comparacioacuten de los valores especificados para estos
paraacutemetros seguacuten la normatividad INVIAS y los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten realizados al asfalto 80-100
Tabla 5 Ensayos realizados sobre el cemento asfaacuteltico 80-100
Caracteriacutestica del ensayo Unidad Norma de
ensayo
Especificacioacuten
INVIAS Resultados
Miacuten Maacutex
Ductilidad (25 degC 5 cmmin) cm INV E-702-07 100 - gt 100
Penetracioacuten (25 degC 100 g 5 s) 01 mm INV E-706-07 80 100 832
Gravedad especiacutefica mediante
meacutetodo del picnoacutemetro - INV E-707-07 - - 1007
Punto de ignicioacuten mediante copa
abierta de Cleveland degC INV E-709-07 230 - 358
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
degC INV E-712-07 - - 506
Iacutendice de penetracioacuten - INV E-724-07 -1 +1 026
Peacuterdida de masa por calentamiento
en peliacutecula delgada en movimiento (163 degC 75 minutos)
INV E-720-07 - 10 030
Penetracioacuten del residuo luego de la peacuterdida por calentamiento en
de la penetracioacuten original
INV E-706-07 48 - 608
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la peacuterdida por calentamiento en peliacutecula
delgada en movimiento
degC INV E-712-07 - 5 40
En el ANEXO D se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del cemento asfaacuteltico 80-100
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
56
44 CEMENTO ASFAacuteLTICO MODIFICADO CON CAUCHO
El objeto de modificar el ligante con Grano de Caucho Reciclado (GCR) es el de
aumentar el intervalo de temperatura de desempentildeo y resistencia al
envejecimiento del material obtener mejores propiedades elaacutesticas y mejorar la
resistencia a la fatiga de las mezclas elaboradas con el ligante modificado
La mezcla asfaacuteltica con cemento asfaacuteltico modificado con GCR se utilizoacute para poner
a prueba el equipo de fatiga por reflexioacuten construido y comparar los resultados
obtenidos con la mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) Se esperoacute por ser la
mezcla con GCR maacutes resistente a la fatiga la obtencioacuten de mayores ciclos de
deformacioacuten con respecto a la mezcla sin GCR
La modificacioacuten del ligante con GCR se llevoacute a cabo por viacutea huacutemeda siguiendo la
Especificacioacuten del Instituto de Desarrollo Urbano IDU para la aplicacioacuten del Grano
de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfaacutelticas en caliente
441 Granulometriacutea del caucho
El GCR utilizado en la modificacioacuten del ligante fue uniforme y estuvo libre de
contaminantes De acuerdo con la especificacioacuten del IDU todo el GCR tuvo un
tamantildeo inferior a 060 mm (pasante del tamiz No 30) En la Tabla 6 se presenta la
granulometriacutea utilizada para modificar el ligante de Barrancabermeja
Tabla 6 Granulometriacutea del GCR utilizada en la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico
Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno
595 um No 30 100
297 um No 50 75
74 um No 200 15
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
57
442 Cantidad oacuteptima de caucho
La cantidad oacuteptima de GCR es aquella que proporcione a la mezcla asfalto-caucho
una viscosidad Brookfield a 163degC entre 15 Pas y 30 Pas despueacutes de un
determinado tiempo y temperatura de mezclado Las especificaciones del IDU
recomiendan un porcentaje entre el diez (10) y veinte (20) por ciento de GCR
respecto al peso total del asfalto modificado
443 Procedimiento para modificar el ligante
Se trabajoacute con el cemento asfaacuteltico de clasificacioacuten 80-100 de Barrancabermeja y
un uacutenico porcentaje de adicioacuten de caucho con relacioacuten al peso total de la mezcla
asfalto-caucho seguacuten recomendacioacuten del estudio realizado por el Instituto de
Desarrollo Urbano (2002) Otras dos variables fueron el tiempo de reaccioacuten del
caucho con el asfalto y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho de las
cuales se comentaraacute maacutes adelante
Se utilizoacute un porcentaje del 15 para el ligante asfaacuteltico logrando la viscosidad
buscada La seleccioacuten de este porcentaje de caucho se basoacute en las experiencias
registradas para este proceso las cuales muestran que la cantidad requerida de
GCR para modificar el ligante se encuentra entre el 10 y 20
Las temperaturas de mezclado analizadas fueron de 160 degC y 170 degC ya que
seguacuten la literatura revisada el caucho reacciona con el cemento asfaacuteltico en un
intervalo de temperaturas entre los 150 degC y 205 degC Se escogieron temperaturas
bajas con el objeto de evitar el dantildeo del ligante por sobrecalentamiento Los
tiempos de reaccioacuten seleccionados fueron de 55 60 65 70 y 75 minutos puesto
que la experiencia ha demostrado que el caucho debe reaccionar con el cemento
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
58
asfaacuteltico un tiempo miacutenimo de 55 minutos hasta una o dos horas La energiacutea de
agitacioacuten la establecioacute el equipo modificador y fue de 500 rpm
Se elaboraron mezclas asfalto-caucho para cada temperatura de ensayo La
variable tiempo de reaccioacuten se controloacute tomando muestras durante el proceso de
mezclado en el tiempo requerido por el disentildeo Seguidamente se seleccionoacute la
mejor mezcla asfalto-caucho teniendo en cuenta el criterio de viscosidad Brookfield
a 163 degC el tiempo de reaccioacuten y la temperatura de mezclado
444 Ensayos realizados al ligante modificado
En similitud al ligante original se sometioacute el asfalto modificado a ensayos de
caracterizacioacuten detallados a continuacioacuten
4441 Viscosidad rotacional Brookfield
La medicioacuten de la viscosidad es requerida entre otros paraacutemetros para investigar
la capacidad de bombeo del ligante modificado con GCR Si la viscosidad es
demasiado baja pueden ocurrir inconvenientes de flujo de la mezcla asfalto-
caucho y si es demasiado alta no podraacute ser bombeada La adicioacuten de caucho al
cemento asfaacuteltico causa un aumento en la viscosidad del asfalto resultante por
consiguiente a cada una de las mezclas asfalto-caucho se les realizaron ensayos de
viscosidad rotacional Brookfield Seguacuten las especificaciones del IDU el paraacutemetro
de la viscosidad Brookfield a 163degC debe usarse para evaluar el ligante modificado
con GCR y su valor debe estar entre 15 Pas y 30 Pas
La Tabla 7 muestra los valores de viscosidad obtenidos en el intervalo de tiempo
buscado para la combinacioacuten de disentildeo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
59
Tabla 7 Resultados de viscosidad Brookfield con 15 de caucho a 170degC
Paraacutemetro Viscosidad Brookfield (Pas)
Coacutedigo B-15-170 1930 2021 2367 2233 1972
Tiempo (min) 55 60 65 70 75
Los valores de viscosidad expuestos en la Tabla 7 corresponden al promedio de
las tres uacuteltimas viscosidades tomadas despueacutes de diez minutos requeridos para
que la mezcla asfalto-caucho se estabilizara teacutermicamente Este ensayo se realizoacute
de acuerdo a la norma INV E-717-07
En la Figura 30 se puede observar que todos los tiempos de mezclado en el disentildeo
a 170 degC tuvieron un valor de viscosidad dentro del intervalo deseado
Figura 30 Variacioacuten de la viscosidad con el tiempo de reaccioacuten a 170degC
De acuerdo a los resultados anteriores se escogioacute el cemento asfaacuteltico de disentildeo B-
15-170-60 que corresponde a un ligante con 15 de caucho en el cual el
cemento asfaacuteltico reaccionoacute con el caucho a una temperatura de 170 degC durante
60 minutos
y = -00034x2 + 04457x - 12404 Rsup2 = 07756
00
10
20
30
40
50
50 55 60 65 70 75 80
Vis
cosi
dad
(P
as)
Tiempo (min)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
60
Este disentildeo se seleccionoacute porque presenta un valor de viscosidad entre 15 y 30
Pas y porque la variacioacuten de la viscosidad con los tiempos de reaccioacuten analizados
se mantiene dentro del intervalo especificado De igual manera dado que los
valores de viscosidad para la temperatura de 170 degC se encuentran en el intervalo
buscado se escogioacute el disentildeo B-15-170-60 por presentar un valor de viscosidad
aceptable en el menor tiempo
4442 Curva reoloacutegica del ligante modificado
Las viscosidades Brookfield del ligante modificado con GCR son mucho maacutes altas
que la del ligante sin modificar esto se debe a que el caucho cambia las
propiedades de la mezcla resultante tanto por la adicioacuten del mismo como por el
proceso de modificacioacuten al someter el ligante a altas temperaturas por largos
periacuteodos de tiempo
A una temperatura aproximada de 120 degC la tendencia de la curva que muestra la
variacioacuten de la viscosidad Brookfield con la temperatura cambia en el ligante con
GCR respecto a la tendencia que mostraba el ligante antes de ser modificado esto
puede deberse a que a bajas temperaturas la viscosidad medida es la de la mezcla
asfalto-caucho y a altas temperaturas es la de las partiacuteculas de caucho dispersas
en el ligante que presenta poca viscosidad
La Figura 31 representa la curva reoloacutegica obtenida para el ligante modificado con
GCR la cual muestra la variacioacuten de la viscosidad Brookfield en funcioacuten de la
temperatura de ensayo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
61
Figura 31 Curva reoloacutegica del cemento asfaacuteltico modificado con GCR
4443 Otros ensayos de caracterizacioacuten
A continuacioacuten se listan los ensayos convencionales realizados al ligante
modificado con GCR tanto en su estado original como envejecido Los
procedimientos con los cuales se realizaron los ensayos corresponden a las normas
INVIAS
minus Penetracioacuten del cemento asfaacuteltico
minus Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
minus Gravedad especiacutefica por el meacutetodo del picnoacutemetro
minus Viscosidad rotacional Brookfield a 163 degC curva reoloacutegica
minus Peacuterdida de masa por calentamiento en peliacutecula delgada
minus Penetracioacuten residual del cemento asfaacuteltico
minus Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
y = 2E+13x-5878 Rsup2 = 09823
010
100
1000
10000
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
62
La Tabla 8 presenta los resultados de los ensayos convencionales de
caracterizacioacuten comparados con los valores exigidos por las especificaciones IDU
Tabla 8 Ensayos realizados sobre el ligante asfaacuteltico modificado con GCR
Ensayo Unidad Norma de
ensayo Resultado
Especificacioacuten IDU
Miacutenimo Maacuteximo
Asfalto original ya modificado con GCR
Viscosidad a 163 degC con
viscosiacutemetro rotacional Pa-s INV E-717-07 2021 15 30
Penetracioacuten a 25 degC 110 mm INV E-706-07 703 40 70
Punto de ablandamiento degC INV E-712-07 553 - 55
Gravedad especiacutefica INV E-707-07 1023 - -
Residuo despueacutes de RTFOT
Peacuterdida de masa INV E-720-07 0373 - 1
Penetracioacuten ( de la
penetracioacuten original) INV E-706-07 714 65 -
Recuperacioacuten elaacutestica utilizando el ductiloacutemetro
INV E-742-07 590 50 -
En el ANEXO E se presenta detalladamente los resultados de laboratorio
correspondientes a los ensayos de caracterizacioacuten del asfalto modificado con GCR
445 Cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR
La cantidad requerida de cemento asfaacuteltico modificado con GCR para la mezcla
asfaacuteltica se determinoacute mediante la metodologiacutea SUPERPAVE Se compactaron
cuatro probetas en la maacutequina de compactacioacuten giratoria SGC y se evaluoacute el
porcentaje de vaciacuteos con aire para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante
modificado correspondiente al 40 Los criterios de aceptacioacuten recomendado por
SUPERPAVE para encontrar la cantidad oacuteptima de ligante modificado con GCR se
detallan en el siguiente capiacutetulo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
63
45 DISENtildeO DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
El disentildeo volumeacutetrico de la mezcla juega un rol importante en el disentildeo de mezclas
por la metodologiacutea SUPERPAVE La informacioacuten presente en el siguiente proceso
de ensayos y anaacutelisis de datos corresponde al nivel uno de disentildeo de mezclas y
engloba cuatro pasos baacutesicos en los ensayos y procesos de anaacutelisis
minus Seleccioacuten de los materiales (agregado y ligante)
minus Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
minus Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
minus Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad de la mezcla disentildeada
La seleccioacuten de los materiales consiste en la determinacioacuten del traacutensito y factores
ambientales para el proyecto A partir de ellos se selecciona el grado de
desempentildeo (PG) del ligante asfaacuteltico requerido para el pavimento Las exigencias a
cumplir por el agregado se determinan en funcioacuten del nivel de traacutensito y de la
posicioacuten del material en la estructura del pavimento Los materiales son
seleccionados con base en su capacidad para superar los criterios establecidos
La seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo es un proceso de prueba y
error Para este trabajo los agregados se mezclaron en porcentajes que satisfagan
la granulometriacutea tipo MDC-2 establecida por el Instituto de Viacuteas INVIAS La mezcla
de disentildeo propuesta es considerada aceptable si presenta propiedades
volumeacutetricas adecuadas para las condiciones de traacutensito y medio ambiente
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
64
La seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo consiste en la variacioacuten de
la cantidad del ligante asfaacuteltico a mezclarse con la estructura de agregado de
disentildeo para obtener sus propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten que
satisfagan los criterios de disentildeo de la mezcla Este paso permite observar la
sensibilidad de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten de la estructura
del agregado de disentildeo en relacioacuten con el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La evaluacioacuten de susceptibilidad o sensibilidad a la humedad consiste en ensayar la
mezcla de disentildeo seguacuten la norma INV E-725-07 para determinar si la mezcla es
susceptible a dantildeo por accioacuten del agua
A continuacioacuten se presenta el disentildeo de dos mezclas asfaacutelticas densas para
rodadura la primera de ellas referida a una mezcla convencional tipo MDC-2 seguacuten
la clasificacioacuten del INVIAS y la segunda a una mezcla con asfalto modificado con
grano de caucho reciclado (GCR) En el ANEXO F y el ANEXO G se presentan los
resultados de los ensayos de laboratorio realizados para el disentildeo de la mezcla
asfaacuteltica tipo MDC-2 y de la mezcla modificada con caucho respectivamente
451 Seleccioacuten de los materiales
Se definioacute el nuacutemero de ejes simples equivalentes para el carril de disentildeo
correspondiente a la categoriacutea de 30 a 100 millones Este nivel de traacutensito se
empleoacute para determinar los requerimientos de disentildeo tales como nuacutemero de giros
de disentildeo para la compactacioacuten propiedades fiacutesicas exigidas al agregado y
requerimientos volumeacutetricos de la mezcla El nivel que se seleccionoacute para el disentildeo
de la mezcla fue el Nivel 1 correspondiente a la determinacioacuten de sus propiedades
volumeacutetricas para la mezcla de agregados con tamantildeo maacuteximo nominal de 125
mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
65
4511 Seleccioacuten del ligante
Con base en los resultados del ensayo de viscosidad se determinaron las
temperaturas de mezclado y de compactacioacuten en laboratorio y se establecioacute el
intervalo de temperatura de mezclado entre 158 degC y 162 degC y el intervalo de
compactacioacuten entre 137 degC y 142 degC para los criterios de 017 plusmn 002 Pas y 028
plusmn 003 Pas respectivamente La Figura 32 presenta la curva reoloacutegica obtenida
para el cemento asfaacuteltico 80-100
Figura 32 Curva reoloacutegica para el cemento asfaacuteltico 80-100
4512 Seleccioacuten del agregado
La metodologiacutea SUPERPAVE requirioacute la realizacioacuten de ensayos concernientes a las
propiedades de consenso y de origen de los agregados Los ensayos exigidos
fueron partiacuteculas alargadas y aplanadas equivalente de arena desgaste en
maacutequina de Los Aacutengeles e intemperismo acelerado (resistencia al ataque de
sulfatos) Ademaacutes se realizaron otros ensayos de caracterizacioacuten importantes
sobre los agregados para el conocimiento de sus propiedades En la Tabla 9 se
indican los criterios exigidos para cada uno de los ensayos solicitados
y = 3E+14x-6969 Rsup2 = 09967
001
010
100
1000
10000
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Vis
cosi
dad
(P
as)
Temperatura (degC)
015-019 025-031
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
66
Tabla 9 Propiedades de consenso y de origen de los agregados peacutetreos
Propiedad Criterio
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex
Equivalente de arena 50 miacuten
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex
Intemperismo acelerado 10 maacutex
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se determinaron las gravedades especiacuteficas de los agregados gruesos y
finos para la determinacioacuten de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica
disentildeada
452 Seleccioacuten de la estructura de agregado de disentildeo
Para seleccionar la estructura de agregado de disentildeo se calculoacute la granulometriacutea
de la mezcla por medio de combinaciones matemaacuteticas de las granulometriacuteas
individuales de los materiales La granulometriacutea de la mezcla fue luego comparada
con los requerimientos de la especificacioacuten para los tamices correspondientes La
granulometriacutea de control se basoacute en cuatro tamices de control el maacuteximo el
maacuteximo nominal el de apertura igual a 236 mm (No 8) y el de apertura de 75
microm (No 200)
El tamiz maacuteximo nominal es un tamantildeo mayor que el primer tamiz que retiene maacutes
del 10 del agregado combinado La zona restringida es un aacuterea cuyos liacutemites
estaacuten a ambos lados de la liacutenea de maacutexima densidad Para una mezcla con tamantildeo
nominal de 125 mm esta inicia en el tamiz de 236 mm (No 8) y se extiende
hasta el tamiz de 300 microm (No 50)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
67
Al variar el tamantildeo maacuteximo nominal de la mezcla los valores miacutenimo y maacuteximo
requeridos para los tamices de control asiacute como tambieacuten la zona restringida
cambian La Tabla 10 indica los requerimientos granulomeacutetricos para la estructura
de agregado de disentildeo
Tabla 10 Criterio granulomeacutetrico para una mezcla nominal de 125 mm
Item de
control
Tamantildeo del tamiz
mm Miacutenimo Maacuteximo
Puntos de control
190 100 100
125 90 100
236 28 58
0075 2 10
Zona restringida
236 391 391
118 256 316
060 191 231
030 155 155
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Cualquier granulometriacutea propuesta para la mezcla debe pasar entre los puntos de
control establecidos sobre los cuatro tamices y por fuera del aacuterea restringida
Asimismo la granulometriacutea tambieacuten cumplioacute con el criterio del Instituto Nacional
de Viacuteas INVIAS para una mezcla asfaacuteltica tipo MDC-2 (Tabla 11) En la Figura 33 se
muestran los requerimientos granulomeacutetricos para una mezcla nominal de 125
mm
Las proporciones de la mezcla apuntan a lograr una gradacioacuten cerrada cerca de la
liacutenea de maacutexima densidad y distante de los liacutemites de los tamices de control o de
la zona restringida de igual manera tienden a ser el valor medio de los intervalos
INVIAS cumpliendo el requisito anterior La granulometriacutea final de disentildeo se
muestra en la Tabla 11
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
68
Tabla 11 Granulometriacutea de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Tamiz Apertura Zona
restringida Puntos de
control Especific
MDC-2 Pasante acumulado
Retenido
acumulado
Porcentaje retenido
Peso retenido
mm ^045 g
190 3762
100 100 1000 00 00 000
125 3116
90 - 100 80 - 95 930 70 70 13909
95 2754
70 - 88 790 210 140 27819
475 2016
49 - 65 570 430 220 43715
236 1472 391 - 391 28 - 58
200 1366
29 - 45 400 600 170 33780
118 1077 256 - 316
060 0795 191 - 231
0425 0680
14 -25 220 780 180 35767
030 0582 155 - 155
0180 0462
8 - 17 125 875 95 18877
0075 0312
2 - 10 4 - 8 60 940 65 12916
Fondo
00 1000 60 11922
1000 198705
Figura 33 Granulometriacutea de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00 05 10 15 20 25 30 35 40
P
asan
te A
cum
ula
do
Tamantildeo de tamiz ^ 045 (mm)
Liacutenea de Maacutexima Densidad
Granulometriacutea de disentildeo
Puntos de Control
Zona Restringida
Puntos de Control Inferior
Zona Restringida Inferior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
69
Para el disentildeo se seleccionoacute una mezcla que pasoacute por encima de la zona
restringida ya que SUPERPAVE no exige que las mezclas pasen por encima o
debajo de dicha zona
Con la seleccioacuten de la mezcla de disentildeo fue necesaria la determinacioacuten de las
propiedades de los agregados exigidas por SUPERPAVE La Tabla 12 muestra el
resumen de los valores obtenidos de los ensayos de caracterizacioacuten
Tabla 12 Propiedades de la mezcla de agregados peacutetreos
Propiedad Criterio Mezcla
Partiacuteculas alargadas y aplanadas 10 maacutex 14
Equivalente de arena 50 miacuten 580
Desgaste de Los Aacutengeles 35 maacutex 286
Intemperismo acelerado 10 maacutex 41
Gravedad especiacutefica Bulk ( ) --- 2538
Gravedad especiacutefica aparente ( ) --- 2647
Con base en los resultados anteriores se consideroacute la muestra aceptable y se
definioacute como la estructura de agregado de disentildeo El siguiente paso consistioacute en la
evaluacioacuten de la mezcla de disentildeo mediante la compactacioacuten de especiacutemenes y la
determinacioacuten de sus propiedades volumeacutetricas Se compactaron dos especiacutemenes
con el Compactador Giratorio SUPERPAVE (SGC) y se determinoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico para la mezcla estimando el peso especiacutefico efectivo de la mezcla
y empleando los caacutelculos que se muestran a continuacioacuten La gravedad especiacutefica
efectiva de la mezcla ( ) se estimoacute con
El volumen de ligante asfaacuteltico ( ) absorbido en el agregado se estimoacute con
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
70
Donde
Porcentaje de ligante (se ha supuesto 005)
Porcentaje de agregado (se ha supuesto 095)
Gravedad especiacutefica del ligante (1007 de laboratorio)
Volumen de vaciacuteos de aire (se fija un valor de 004 cm3cm3)
El volumen de ligante efectivo ( ) se determinoacute a partir de la ecuacioacuten
Donde es el tamantildeo del tamiz maacuteximo nominal del agregado (en pulgadas)
Finalmente el contenido de prueba inicial de ligante asfaacuteltico ( ) se calculoacute con
Donde es el peso del agregado en gramos y se definioacute con la ecuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
71
A continuacioacuten se compactoacute con el SGC dos especiacutemenes para la mezcla de disentildeo
mientras que un tercer espeacutecimen fue preparado para la determinacioacuten de la
gravedad especiacutefica maacutexima teoacuterica de la mezcla ( ) La norma que determinoacute
las cantidades miacutenimas del material de ensayo fue la AASHTO T209
Los especiacutemenes se mezclaron a temperatura apropiada es decir entre 148 degC y
152 degC para el ligante asfaacuteltico seguacuten la curva reoloacutegica obtenida Los
especiacutemenes se sometieron luego a un envejecimiento de corto plazo donde la
mezcla suelta sobre una bandeja plana fue colocada en un horno a 135 degC durante
4 horas Seguidamente se llevaron los especiacutemenes al intervalo de temperatura de
compactacioacuten (137 degC - 142 degC) ubicaacutendolos en otro horno durante un tiempo
corto generalmente menos de 30 minutos
Finalmente se compactaron los especiacutemenes o se dejaron enfriar en este caso
para la determinacioacuten de El nuacutemero de giros para la compactacioacuten se
determinoacute en funcioacuten de la temperatura promedio del aire para disentildeo (en el caso
de Bogotaacute 15 degC aproximadamente) y el nivel de traacutensito (penuacuteltimo intervalo) La
Tabla 13 indica el nuacutemero de giros requeridos
Tabla 13 Nuacutemero de giros del compactador giratorio SUPERPAVE
ESALs de disentildeo
Promedio de la maacutex temperatura del aire para el proyecto
lt 39 degC 39 degC ndash 40 degC 41 degC ndash 42 degC 43 degC ndash 44 degC
(en millones) Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex Nini Ndis Nmaacutex
lt 03 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127
03 - 1 7 76 117 7 83 129 7 88 138 8 93 146
1 - 3 7 86 134 8 95 150 8 100 158 8 105 167
3 - 10 8 96 152 8 106 169 8 113 181 9 119 192
10 - 30 8 109 174 9 121 195 9 128 208 9 135 220
30 - 100 9 126 204 9 139 228 9 146 240 10 153 253
gt 100 9 142 233 10 158 262 10 165 275 10 172 288
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
72
Cada espeacutecimen se compactoacute con el maacuteximo nuacutemero de giros registrando la altura
durante el proceso Como se conoce el peso de la muestra el diaacutemetro interno del
molde fijo de 100 mm y la medida de la altura para cualquier giro se estimoacute la
gravedad especiacutefica del espeacutecimen ( en la Tabla 14)
Al finalizar la compactacioacuten se desmoldoacute el espeacutecimen por extrusioacuten y se dejoacute
enfriar Luego se determinoacute la gravedad especiacutefica Bulk ( en la Tabla
14) del espeacutecimen utilizando la norma INV E-733-07 Se determinoacute tambieacuten la
de la mezcla ( en la Tabla 14) con la norma INV E-735-07
De la comparacioacuten de los valores de y de de los
especiacutemenes para el surgioacute una diferencia que se debe a que durante la
compactacioacuten para el caacutelculo de se consideroacute al espeacutecimen como un
cilindro liso lo cual obviamente no es real El volumen real del espeacutecimen es
ligeramente menor debido a la presencia de vaciacuteos superficiales alrededor del
periacutemetro asiacute la gravedad especiacutefica Bulk estimada del espeacutecimen para un
nuacutemero de giros cualquiera debe corregirse con un factor el cual es la relacioacuten
entre la gravedad especiacutefica Bulk medida y la gravedad especiacutefica Bulk estimada
para Este paso correctivo se indicoacute en la Tabla 14 en la columna
cada valor de la columna fue multiplicado por el factor de
correccioacuten para obtener el valor de la columna
En las mezclas de agregado maacutes grueso o en las mezclas pobres en ligante
asfaacuteltico las diferencias entre las gravedades especiacuteficas Bulk estimada y medida
tienden a ser maacutes grandes para En los agregados maacutes finos o en las
mezclas maacutes ricas en ligante asfaacuteltico se presentan diferencias pequentildeas entre
ambos valores Esto se debe a que las mezclas finas con alto contenido de asfalto
se aproximan maacutes a la idea del cilindro de paredes lisas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
73
El uacuteltimo paso fue calcular el para cada espeacutecimen para ello se dividioacute la
gravedad especiacutefica Bulk del espeacutecimen (corregida) por el valor medido de
Se registroacute tambieacuten el promedio de los para los especiacutemenes duplicados
Los puntos maacutes importantes del SGC ( para y ) se
resaltan en la Tabla 14
Tabla 14 Datos de la densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1 Espeacutecimen 2
H Gmb
(est)
Gmb
(corr) Gmm H Gmb
(est)
Gmb
(corr)
Gmm Gmm
promedio mm mm
5 1262 2092 2116 877 1229 2102 2127 882 880
9 1244 2121 2146 890 1212 2132 2158 895 892
15 1227 2150 2175 902 1196 2161 2187 907 904
20 1218 2166 2191 908 1186 2179 2206 914 911
30 1204 2192 2217 919 1173 2203 2229 924 922
40 1195 2209 2235 926 1163 2221 2247 932 929
50 1187 2223 2248 932 1157 2233 2260 937 935
60 1180 2236 2262 938 1150 2246 2273 942 940
80 1172 2251 2277 944 1141 2264 2291 950 947
100 1164 2267 2293 951 1137 2272 2299 953 952
126 1159 2277 2303 955 1129 2289 2317 960 958
150 1154 2287 2313 959 1123 2300 2328 965 962
175 1149 2297 2323 963 1120 2307 2335 968 966
204 1146 2303 2329 966 1117 2312 2340 970 968
Gmb
(medida) 2329
2340
Nota Gmm (medida) = 2412
El promedio de calculado para (9 giros) (126 giros) y
(204 giros) correspondioacute al 892 958 y 968 respectivamente La
Figura 34 ilustra la curva de compactacioacuten a partir de los datos de la tabla anterior
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
74
Figura 34 Curva de densificacioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 con 56 de asfalto
Los porcentajes de vaciacuteos de aire ( ) vaciacuteos del agregado mineral ( ) y
vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se determinaron para El porcentaje de
vaciacuteos de aire ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos del agregado mineral ( ) se calculoacute asiacute
El porcentaje de vaciacuteos llenos de asfalto ( ) se calculoacute asiacute
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
Espeacutecimen 1
Espeacutecimen 2
Promedio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
75
La Tabla 15 resume los valores de compactacioacuten y las propiedades volumeacutetricas
obtenidas para la mezcla de disentildeo
Tabla 15 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
MDC-2 con 56 de asfalto
de asfalto
Gmm N=9
Gmm N=126
Gmm N=204
vaciacuteos de aire
VMA VFA
56 892 958 968 42 141 699
La premisa principal del Nivel 1 de disentildeo de mezclas de SUPERPAVE es emplear
en la mezcla de disentildeo la cantidad de ligante asfaacuteltico que permita alcanzar para
exactamente el 96 de (4 de vaciacuteos de aire) Evidentemente esto
no sucedioacute para la mezcla inicial de disentildeo por lo que se calculoacute el contenido de
ligante asfaacuteltico estimado ( ) para alcanzar un 4 de vaciacuteos de aire
empleando la siguiente foacutermula empiacuterica
Las propiedades volumeacutetricas (VMA y VFA) y de compactacioacuten de la mezcla se
estimaron luego para este contenido de ligante asfaacuteltico con el fin de conocer estas
propiedades para el 4 de vaciacuteos de aire y analizar la aceptabilidad o rechazo de
la mezcla Para esto se utilizaron las siguientes ecuaciones
Para el
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
76
Para el
Para para
Para para
La Tabla 16 resume los valores estimados de las propiedades de compactacioacuten y
volumeacutetricas para la mezcla de disentildeo con 4 de vaciacuteos de aire para
Tabla 16 Resumen de las propiedades volumeacutetricas y de compactacioacuten para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 con 57 de asfalto
de
asfalto
Gmm
N=9
Gmm
N=126
Gmm
N=204
vaciacuteos
de aire VMA VFA
57 894 960 970 40 141 715
Las propiedades estimadas se compararon con los criterios para mezclas Para el
traacutensito de disentildeo y el tamantildeo maacuteximo nominal los criterios de densificacioacuten y
volumeacutetrico son los mostrados en la Tabla 17
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
77
Tabla 17 Criterios de densificacioacuten y volumeacutetrico para la mezcla asfaacuteltica
Propiedad de la mezcla Criterio
de vaciacuteos de aire 40
VMA 140 miacuten (TMN de 125 mm)
VFA 65 - 75 (30-100x106 ESALs)
Gmm Ninicial lt 89
Gmm Nmaacuteximo lt 98
Fuente Strategic Highway Research Program (1994)
Asimismo se controloacute el intervalo requerido para la proporcioacuten de llenante mineral
el cual es el mismo para todos los niveles de traacutensito Se determinoacute como el
porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de 75 microm (No 200) dividido por
el contenido de ligante asfaacuteltico efectivo (expresado como porcentaje en peso de
la mezcla) El contenido de ligante asfaacuteltico efectivo ( ) se calculoacute asiacute
La proporcioacuten de llenante mineral se calculoacute como sigue
La proporcioacuten de llenante mineral debe estar entre 06 y 12 por lo que el criterio
se cumplioacute Finalmente se analizaron todas las propiedades estimadas de la mezcla
La mezcla de disentildeo tuvo un VAM aceptable asimismo cumplioacute el criterio del VFA
proporcioacuten de llenante mineral y el criterio de densificacioacuten para Si bien
el porcentaje de densificacioacuten para fue mayor al requerido ello no
perjudicoacute la aceptabilidad de la mezcla y se explica en la pre-compactacioacuten con
varilla que sufrioacute el espeacutecimen antes de ser compactado con el SGC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
78
453 Seleccioacuten del contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Con la verificacioacuten de las propiedades volumeacutetricas y de la proporcioacuten de llenante
mineral para la estructura de agregado de disentildeo se compactaron especiacutemenes
con diferentes contenidos de ligantes asfaacutelticos Las propiedades de la mezcla se
evaluaron luego para determinar el contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
Se compactaron dos especiacutemenes para cada uno de los siguientes contenidos de
asfalto
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico - 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 05
minus Contenido estimado de ligante asfaacuteltico + 10
Para la mezcla de disentildeo los contenidos de ligante fueron 52 57 62 y
67 El nivel 1 de SUPERPAVE exige un miacutenimo de cuatro contenidos de ligante
Asimismo se preparoacute un espeacutecimen para determinar la gravedad especiacutefica
maacutexima teoacuterica para cada contenido de ligante Las propiedades de la mezcla son
evaluadas para cada contenido de ligante asfaacuteltico utilizando los valores de
densificacioacuten para (9 giros) (126 giros) y (204 giros)
El procedimiento utilizado fue igual al detallado en el punto anterior la finalidad
fue obtener los resultados del ensayo que permitieron ilustrar las curvas de
densificacioacuten correspondientes a cada contenido de ligante asfaacuteltico analizado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
79
La Figura 35 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico evaluado
Figura 35 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Utilizando el procedimiento ya descrito se calcularon los valores de compactacioacuten
y de las propiedades volumeacutetricas los cuales se muestran en la Tabla 18 y la Tabla
19 en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante asfaacuteltico utilizado
Tabla 18 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
52 877 939 948
57 896 959 970
62 904 972 981
67 920 983 989
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nta
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
520
570
620
670
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
80
Tabla 19 Resumen de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla asfaacuteltica MDC-2
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
52 61 141 570
57 41 142 716
62 28 139 800
67 17 139 876
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VMA y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico como se puede apreciar en la Figura 36 a la
Figura 38
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico de 57 correspondioacute al 4
de vaciacuteos de aire para el =126 giros Se verificoacute para este contenido de
disentildeo el cumplimiento de las propiedades volumeacutetricas de la mezcla Los valores
de disentildeo para la mezcla asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 20
Figura 36 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
y = -28621x + 20684 Rsup2 = 09764
00
10
20
30
40
50
60
70
80
47 52 57 62 67 72
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
81
Figura 37 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Figura 38 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla MDC-2
Tabla 20 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica con 57 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 142 140 miacuten
VFA 716 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 896 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 970 lt 98
y = -01748x + 15082 Rsup2 = 04549
110
115
120
125
130
135
140
145
150
47 52 57 62 67 72
d
e V
MA
de ligante asfaacuteltico
y = 20073x - 4539 Rsup2 = 09741
550
600
650
700
750
800
850
900
950
47 52 57 62 67 72
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
82
Para el caso de la mezcla modificada con grano de caucho reciclado (GCR) el
disentildeo se realizoacute siguiendo el mismo procedimiento ya descrito Los criterios de
seleccioacuten de materiales y la estructura de agregado de disentildeo fueron iguales para
ambos tipos de mezcla asfaacuteltica
Para la seleccioacuten del contenido de ligante de disentildeo se utilizaron los porcentajes de
57 62 67 y 72 Finalmente se verificaron las propiedades volumeacutetricas
y de densificacioacuten para cada contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo
La Figura 39 muestra el promedio de las curvas de densificacioacuten para cada
contenido de ligante asfaacuteltico modificado evaluado
Figura 39 Curvas de densificacioacuten promedio para la mezcla modificada con GCR
80
85
90
95
100
1 10 100 1000
Po
rce
nat
je d
e G
mm
(
)
Nuacutemero de giros
570
620
670
720
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
83
Las propiedades de la mezcla modificada fueron evaluadas para cada contenido de
ligante asfaacuteltico utilizando los valores de densificacioacuten para (9 giros)
(126 giros) y (204 giros)
En la Tabla 21 y la Tabla 22 se presentan los valores de compactacioacuten y las
propiedades volumeacutetricas en funcioacuten de los diferentes contenidos de ligante
asfaacuteltico modificado
Tabla 21 Resumen de los valores de compactacioacuten de la mezcla modificada de disentildeo
de asfalto Gmm N=9 Gmm N=126 Gmm N=204
57 884 945 954
62 897 961 971
67 909 975 984
72 927 982 991
Tabla 22 Resumen de los propiedades volumeacutetricas de la mezcla modificada con GCR
de asfalto de vaciacuteos de
aire VMA VFA
57 55 166 667
62 39 157 748
67 25 155 839
72 18 157 883
El contenido de ligante asfaacuteltico de disentildeo se fijoacute para lograr un 4 de vaciacuteos de
aire En este disentildeo el contenido de ligante asfaacuteltico modificado de 62
correspondioacute al 4 de vaciacuteos de aire para el =126 giros
Las propiedades volumeacutetricas se calcularon para el nuacutemero de giros de disentildeo
( ) y para cada contenido de ligante asfaacuteltico evaluado A partir de estos
datos se generaron graacuteficos de contenido de vaciacuteos de aire VAM y VFA en funcioacuten
del contenido de ligante asfaacuteltico modificado como se puede apreciar en la Figura
40 a la Figura 42
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
84
Figura 40 Vaciacuteos de aire versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con
GCR
Figura 41 VMA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
Figura 42 VFA versus contenido de ligante asfaacuteltico mezcla modificada con GCR
y = -2505x + 19604 Rsup2 = 0972
00
10
20
30
40
50
60
70
80
52 57 62 67 72 77
d
e v
aciacuteo
s d
e a
ire
de ligante asfaacuteltico
y = -05811x + 19599 Rsup2 = 05592
130
135
140
145
150
155
160
165
170
52 57 62 67 72 77
d
e V
AM
de ligante asfaacuteltico
y = 14784x - 16917 Rsup2 = 09828
550
600
650
700
750
800
850
900
950
52 57 62 67 72 77
d
e V
FA
de ligante asfaacuteltico
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
85
Se verificoacute para este contenido de disentildeo el cumplimiento de las propiedades
volumeacutetricas de la mezcla modificada Los valores de disentildeo para la mezcla
asfaacuteltica seleccionada se presentan en la Tabla 23
Tabla 23 Propiedades de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR con 62 de asfalto
Propiedad de la mezcla Resultado Criterio
de vaciacuteos de aire 40 40
VMA 157 140 miacuten
VFA 748 65 - 75
Proporcioacuten de llenante mineral 12 06 - 12
Gmm Ninicial 897 lt 89
Gmm Nmaacuteximo 971 lt 98
454 Evaluacioacuten de la susceptibilidad a la humedad
El paso final en el Nivel 1 del disentildeo de mezclas es la evaluacioacuten de la sensibilidad
a la humedad de las mezclas asfaacutelticas Este paso se realizoacute siguiendo la norma de
ensayo INV E-725-07 a la mezcla de agregados de disentildeo con el contenido de
ligante de disentildeo para esto se compactaron seis especiacutemenes con un contenido
de vaciacuteos de aire de 7 plusmn 1 de ellos tres fueron considerados como especiacutemenes
de control y los otros tres fueron sometidos a una saturacioacuten por vaciacuteo previo ciclo
de inmersioacuten en agua durante 24 horas a 60 degC Todos los especiacutemenes fueron
ensayados para determinar su resistencia a la traccioacuten indirecta
La susceptibilidad a la humedad es el cociente entre la resistencia a la traccioacuten del
grupo sumergido entre la resistencia a la traccioacuten del grupo de control El valor
promedio miacutenimo para la relacioacuten de resistencias fue del 80 La Figura 43
muestra los valores del ensayo de sensibilidad a la humedad para la mezcla
asfaacuteltica MDC-2 en el cual se tiene una relacioacuten promedio de resistencia a la
traccioacuten de 8384 cumplimiento con el valor miacutenimo especificado
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
86
Figura 43 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla MDC-2
Para la evaluacioacuten de la sensibilidad a la humedad de la mezcla asfaacuteltica
modificada con grano de caucho reciclado (GCR) se siguioacute el mismo procedimiento
descrito en la norma de ensayo INV E-725-07 La Figura 44 muestra el resultado
del ensayo para la mezcla asfaacuteltica modificada cuya relacioacuten promedio de
resistencia a la traccioacuten es 9636 cumpliendo con el valor miacutenimo requerido
Figura 44 Susceptibilidad a la humedad para la mezcla modificada con GCR
0
100
200
300
400
500
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3
Re
sist
en
cia
a la
te
nsi
oacuten
(kP
a)
Condicioacuten seca Condicioacuten sumergida
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
87
46 ENSAYOS DINAacuteMICOS PARA LAS MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
461 Moacutedulos dinaacutemicos de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo dinaacutemico se define como el valor absoluto del moacutedulo complejo que
define las propiedades elaacutesticas de un material de viscosidad lineal sometido a una
carga sinusoidal a su vez que el moacutedulo complejo estaacute definido como un nuacutemero
complejo que define la relacioacuten entre el esfuerzo y la deformacioacuten para un material
viscoelaacutestico lineal
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo dinaacutemico es el de
compresioacuten axial que consiste en aplicar un esfuerzo de compresioacuten sinusoidal
(medio seno inverso) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas con un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga Se mide la
respuesta resultante recuperable de la deformacioacuten axial del espeacutecimen y se
emplea para calcular el moacutedulo dinaacutemico
Para el desarrollo de los moacutedulos por compresioacuten axial se utilizoacute el actuador
dinaacutemico de marca MTS mostrado en la Figura 45 equipo hidraacuteulico que cuenta
con un generador que produce una onda de medio seno inverso para calcular el
moacutedulo dinaacutemico Asimismo la prensa tiene la capacidad de aplicar cargas dentro
de un intervalo de frecuencias que van desde 01 Hz hasta 25 Hz y de
temperaturas entre 5degC y 60degC por medio de una caacutemara de control de
temperatura a la vez que se registra las deformaciones verticales producidas
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-754-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 5degC 25degC y 40degC y tres frecuencias 1 Hz
4 Hz y 16 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100
mm y altura de 200 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
88
Figura 45 Actuador dinaacutemico marca MTS
Se llevaron las probetas a las temperaturas de ensayo especificadas se aplicoacute el
esfuerzo de 35 psi durante 40 segundos y se midieron las deformaciones
resultantes para cada una de las frecuencias establecidas La Figura 46 y la Figura
47 muestran tanto el esfuerzo debido a la carga aplicada como la deformacioacuten
axial durante el ensayo
Las mezclas asfaacutelticas pueden tener un comportamiento elaacutestico lineal elaacutestico no
lineal o viscoso en funcioacuten de la temperatura y el tiempo de aplicacioacuten de la carga
A bajas temperaturas el comportamiento es fundamentalmente elaacutestico lineal y al
aumentar la temperatura se empieza a comportar como un material elaacutestico no
lineal apareciendo el comportamiento viscoso a medida que la temperatura
continuacutea aumentando
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
89
Figura 46 Registro de la fuerza aplicada contra el tiempo
Figura 47 Registro de la deformacioacuten medida contra el tiempo
Se mide la amplitud promedio de la carga y de la deformacioacuten durante los cuatro
uacuteltimos ciclos de carga para calcular el valor del moacutedulo dinaacutemico de la mezcla
asfaacuteltica La Figura 48 y la Figura 49 muestran los moacutedulos obtenidos por cada
00
04
08
12
16
20
35 36 37 38 39 40 41 42
Fue
rza
(kN
)
Tiempo (s)
225
230
235
240
245
250
35 36 37 38 39 40 41 42
De
form
acioacute
n (
mm
)
Tiempo (s)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
90
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga utilizada para la
mezcla convencional y la mezcla modificada respectivamente
Figura 48 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 49 Moacutedulos dinaacutemicos para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
100
1000
10000
100000
0 5 10 15 20
Moacute
du
lo D
inaacutem
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
5degC
25degC
40degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
91
462 Moacutedulo resiliente de mezclas asfaacutelticas
El moacutedulo resiliente define las propiedades elaacutesticas de un material viscoelaacutestico
lineal sometido a una carga sinusoidal y es una medida de la rigidez de las mezclas
asfaacutelticas Se puede considerar como la propiedad maacutes importante debido a que
suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas y hace
referencia a la relacioacuten entre la deformacioacuten del material bajo una carga aplicada y
el esfuerzo
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar el moacutedulo resiliente es el de tensioacuten
indirecta el cual es un meacutetodo no destructivo cuyo tiempo de ejecucioacuten es corto
Este meacutetodo consiste en aplicar una carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro
vertical de un cilindro el cual induce un esfuerzo indirecto de tensioacuten a lo largo del
diaacutemetro horizontal y una deformacioacuten a lo largo del mismo diaacutemetro
Para el desarrollo de los moacutedulos por tensioacuten indirecta se utilizoacute el Nottingham
Asphalt Tester (NAT) mostrado en la Figura 50 equipo que fue desarrollado por
Cooper Research Technology Esta prensa hidraacuteulica es un equipo servoneumaacutetico
que aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del diaacutemetro vertical de la
muestra a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas aplicando
tensiones y registrando deformaciones horizontales
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma colombiana INV E-749-07 y
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 20degC y 30degC y tres frecuencias 25
Hz 50 Hz y 10 Hz Se fabricaron un total de 3 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro
de 100 mm y altura de 70 mm para cada una de las mezclas asfaacutelticas analizadas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
92
Figura 50 Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
Las probetas se acondicionaron a la temperatura de ensayo antes de ser centradas
en la caacutemara luego se midioacute para cada muestra la maacutexima deformacioacuten horizontal
en el en el centro de la probeta a partir de la relacioacuten de Poisson de igual manera
se midioacute en el centro el maacuteximo esfuerzo por tensioacuten y el moacutedulo de rigidez
La Figura 51 y la Figura 52 muestran los valores de los moacutedulos resilientes
obtenidos por cada combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de
carga utilizada para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
Finalmente a partir de los resultados anteriores se obtuvieron las curvas maestras
que describen la variacioacuten del valor del moacutedulo resiliente con respecto al
paraacutemetro ldquoXrdquo que representa la combinacioacuten de temperatura y frecuencia
utilizada Este paraacutemetro se describe a continuacioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
93
Figura 51 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 52 Moacutedulos resilientes para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M1
10degC M2
10degC M3
20degC M1
20degC M2
20degC M3
30degC M1
30degC M2
30degC M3
100
1000
10000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
Frecuencia (Hz)
10degC M4
10degC M5
10degC M6
20degC M4
20degC M5
20degC M6
30degC M4
30degC M5
30degC M6
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
94
Donde T es el factor de modificacioacuten en funcioacuten de la temperatura f es la
frecuencia de ensayo en Hertz T es la temperatura absoluta de ensayo en Kelvin y
Ts es la temperatura absoluta de referencia expresada en Kelvin En la Figura 53 y
en la Figura 54 se aprecia el ajuste lineal de los moacutedulos obtenidos que dan origen
a la curva maestra para las mezclas convencional y modificada respectivamente
Figura 53 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 54 Curva maestra para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 67561e03498x Rsup2 = 09761
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
y = 51136e0313x Rsup2 = 09927
100
1000
10000
100000
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Moacute
du
lo R
esi
lien
te (
MP
a)
X
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
95
463 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en equipo NAT
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El estudio de la fatiga contempla la rotura producida bajo cargas en el periacuteodo
elaacutestico del comportamiento del material se produce una peacuterdida de resistencia en
funcioacuten del nuacutemero de ciclos que excede la resistencia maacutexima provocando un
problema de plasticidad y dantildeos secundarios
Para ejecutar los ensayos de fatiga se utilizoacute el Nottingham Asphalt Tester (NAT)
mostrado en la Figura 50 y en la Figura 55 desarrollado por Cooper Research
Technology Este equipo aplica un pulso de carga de compresioacuten a lo largo del
diaacutemetro vertical de una muestra ciliacutendrica a una temperatura y una frecuencia de
carga establecida Este modo de carga induce un esfuerzo de tensioacuten
perpendicular a la direccioacuten de aplicacioacuten de carga (tensioacuten indirecta)
relativamente uniforme que causa que la muestra falle por fisuramiento a lo largo
de la parte central del diaacutemetro vertical
La metodologiacutea del ensayo se desarrolloacute siguiendo la norma europea EN-12697-24
y se utilizoacute una frecuencia de 25 Hz con una temperatura de 20degC Se fabricaron
un total de 10 probetas ciliacutendricas con diaacutemetro de 100 mm y altura de 70 mm
para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
96
Figura 55 Fatiga en Equipo Notthingham Asphalt Tester (NAT)
El ensayo trata de simular la condicioacuten de una carpeta asfaacuteltica ubicada en un
lugar con temperatura media de 20degC y con una condicioacuten de traacutefico media El
esfuerzo empleado fluctuoacute entre 150 kPa y 500 kPa y permitioacute la elaboracioacuten de las
correspondientes leyes de fatiga
La Figura 56 representa la variacioacuten de la deformacioacuten vertical permanente seguacuten
el nuacutemero de ciclos aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a
esfuerzo constante de 300 kPa y ejemplifica el comportamiento de las mezclas
asfaacutelticas ensayadas en laboratorio
El nuacutemero de ciclos hasta la falla para cada nivel de esfuerzo maacuteximo aplicado fue
calculado por interpolacioacuten lineal de los datos obtenidos con el ensayo de fatiga a
traccioacuten indirecta siguiendo el criterio de falla por fatiga propuesto por la
Universidad de Notthingham 10 mm de deformacioacuten vertical en las probetas
ciliacutendricas motivo por el cual la graacutefica muestra una tendencia hacia arriba hasta
que se produce la fractura total del material
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
97
Figura 56 Variacioacuten de la deformacioacuten seguacuten las repeticiones aplicadas equipo NAT
La Figura 57 y la Figura 58 muestran los niveles de esfuerzos aplicados asiacute como la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas representando la
tendencia del material seguacuten su vida uacutetil por fatiga para la mezcla asfaacuteltica
convencional y la mezcla asfaacuteltica modificada respectivamente
De las graacuteficas obtenidas es importante resaltar dos paraacutemetros importantes que
constituyen el comportamiento a fatiga de las mezclas asfaacutelticas El primero de
ellos es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual es una medida de la vida esperada de la
mezcla por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de esfuerzo ldquoσ6rdquo
definido para un milloacuten de ciclos de carga
Para la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y σ6rdquo iguales a
-0235 y 97 MPa correspondientemente mientras que para la mezcla asfaacuteltica
modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y σ6rdquo fueron de -0176 y 135 MPa
respectivamente
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n V
ert
ical
(m
m)
Nuacutemero de Ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
98
Figura 57 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 58 Ley de fatiga en NAT para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 24934x-0235 Rsup2 = 09742
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
y = 15398x-0176 Rsup2 = 0929
10
100
1000
1000 10000 100000 1000000
Esfu
erz
o M
aacutexim
o (
kPa)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
99
464 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Banco de Fatiga
La fatiga de mezclas asfaacutelticas es un proceso de cambio estructural permanente y
progresivo que ocurre en un punto del material sujeto a esfuerzos y deformaciones
de amplitudes variables y tiene como resultado la aparicioacuten de fisuras que
conducen luego a una fractura total del material debido a la aplicacioacuten de un
nuacutemero determinado de repeticiones o ciclos
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la aparicioacuten del fenoacutemeno de fatiga
de las mezclas asfaacutelticas es el propuesto por el Laboratorio Central de Puentes y
Calzadas (LCPC) el cual aplica flexioacuten sinusoidal sobre probetas trapezoidales
apoyadas en sus extremos
Para el desarrollo del ensayo de fatiga en dos puntos se utilizoacute el Banco de Fatiga
mostrado en la Figura 59 Este equipo que fue construido por la Pontificia
Universidad Javeriana utiliza un mecanismo de flexioacuten por traccioacuten que consiste
en someter una probeta trapezoidal apoyada en sus extremos a un
desplazamiento que variacutea en el tiempo seguacuten una funcioacuten sinusoidal para asiacute
relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en el tercio medio de la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea del ensayo se basoacute en la norma francesa NFP 98-216-1 y se utilizoacute
una frecuencia de 10 Hz a temperatura ambiente (en promedio 19degC) Se
fabricaron un total de 12 probetas de forma trapezoidal con las siguientes
dimensiones Altura de 250 mm base mayor de 75 mm base menor de 25 mm y
espesor de 25 mm para cada tipo de mezcla asfaacuteltica analizada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
100
Figura 59 Bancos de Fatiga de la Pontificia Universidad Javeriana
Para la obtencioacuten de las probetas se utilizaron moldes con altura de 35 mm ancho
de 300 y largo de 500 mm luego estas muestras rectangulares fueron cortadas a
las dimensiones de los trapecios ya especificadas Las probetas se colocaron en el
Banco Franceacutes y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de deformaciones 90 μm
150 μm y 220 μm con la finalidad de obtener las leyes de fatiga para cada tipo de
mezcla evaluada
La Figura 60 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 220 μm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga de probetas trapezoidales se define cuando la respuesta
del material llega al 50 de la carga inicial sin embargo si esta se rompe antes
de llegar al 50 del registro inicial tambieacuten se considera fallada siempre y
cuando la falla se encuentre a frac34 de la base de lo contrario se descarta la
briqueta
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
101
Figura 60 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Banco de Fatiga
La Figura 61 y la Figura 62 presentan las leyes de fatiga en las que se aprecia la
cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas por cada nivel de
deformacioacuten establecido para la mezcla convencional y la mezcla modificada
respectivamente
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar dos
paraacutemetros importantes para el disentildeo racional de pavimentos El primero de ellos
es la pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la
mezcla asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga y el segundo es el valor de
deformacioacuten ldquoξ6rdquo definido para un milloacuten de repeticiones
Para el caso de la mezcla asfaacuteltica convencional se obtuvieron valores para ldquobrdquo y
ξ6rdquo iguales a -0258 y 181509 μm correspondientemente mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada los valores obtenidos para ldquobrdquo y ξ6rdquo fueron de -0220 y
22363 μm respectivamente
00
05
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de Ciclos N
ε=220 um
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
102
Figura 61 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 62 Ley de fatiga en Banco para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 64106x-0258 Rsup2 = 0942
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
y = 46723x-022 Rsup2 = 09682
10
100
1000
100000 1000000 10000000 100000000
De
form
acioacute
n (μ
m)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
103
465 Fatiga de mezclas asfaacutelticas en Equipo de Reflexioacuten
La fatiga por reflexioacuten es definida como las fisuras presentes en una sobrecarpeta
asfaacuteltica o capa de rodadura que son el resultado del reflejo de las fisuras o patroacuten
de juntas en la capa subyacente producto de la accioacuten del medio ambiente o del
traacutefico inducido
El meacutetodo de ensayo utilizado para determinar la fatiga por reflexioacuten es el de
traccioacuten directa que consiste en aplicar esfuerzos de traccioacuten (en ondas
triangulares) a especiacutemenes de mezclas asfaacutelticas El ensayo considera un amplio
intervalo tanto de temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero
de ciclos necesarios para lograr la fatiga del material
Para el desarrollo del ensayo de fatiga por reflexioacuten se utilizoacute el Equipo de
Reflexioacuten mostrado en la Figura 63 Este equipo que pertenece a la Pontificia
Universidad Javeriana fue construido durante el desarrollo del presente trabajo y
utiliza un mecanismo de traccioacuten directa que consiste en someter una probeta
ciliacutendrica acondicionada apoyada y pegada en su base inferior a unos
desplazamientos de apertura y oclusioacuten que variacutean en el tiempo seguacuten una funcioacuten
triangular para asiacute relacionar las deformaciones maacuteximas iniciales producidas en la
probeta con el nuacutemero de ciclos necesarios para obtener las leyes de fatiga
correspondientes
La metodologiacutea se basoacute en el procedimiento de ensayo americano TEX-248-F y se
contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y 40degC para un periacuteodo de 10
s y una amplitud variable de hasta 2 mm Se fabricaron un total de 30 probetas
acondicionadas para los tipos de mezcla asfaacuteltica analizados
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
104
Figura 63 Equipo de Reflexioacuten de la Pontificia Universidad Javeriana
Se utilizoacute el molde del compactador giratorio Superpave para la obtencioacuten de
probetas ciliacutendricas de 150 mm de diaacutemetro y 115 mm de altura Seguidamente
se cortaron perpendicularmente los bordes sobre la superficie superior de los
especiacutemenes y luego se cortaron las partes superior e inferior del espeacutecimen para
obtener una muestra con una altura de 38 mm Finalmente se colocaron las
probetas en el Equipo de Reflexioacuten y el ensayo se desarrolloacute con tres niveles de
deformacioacuten 043 mm 086 mm y 130 mm con la finalidad de obtener las leyes
de fatiga para cada tipo de mezcla evaluada
La Figura 64 representa la variacioacuten de la fuerza seguacuten el nuacutemero de ciclos
aplicados a la mezcla convencional para el ensayo realizado a deformacioacuten
constante de 086 mm y ejemplifica el comportamiento de las mezclas asfaacutelticas
ensayadas en laboratorio La graacutefica muestra una tendencia hacia abajo ya que el
criterio de falla por fatiga se define cuando una reduccioacuten del 93 o maacutes de la
carga inicial medida en el primer ciclo es registrada sin embargo si esta se rompe
antes de llegar al 93 del registro inicial tambieacuten se considera la muestra fallada
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
105
Complementariamente si no se alcanza el 93 de la reduccioacuten de carga durante
los primeros 800 ciclos el ensayo se ejecuta a 1200 ciclos y se registra el
porcentaje de disminucioacuten de carga
Figura 64 Variacioacuten de la fuerza seguacuten las repeticiones aplicadas Equipo de Reflexioacuten
Como ya se indicoacute se realizaron ensayos variando los paraacutemetros de deformacioacuten
y temperatura asimismo se realizaron ensayos para evaluar la repetibilidad del
equipo Los resultados se presentan maacutes adelante sin embargo como ejemplo se
presentan en la Figura 65 y la Figura 66 las leyes de fatiga obtenidas para las
mezclas convencional y modificada a 25degC y con una deformacioacuten de 086 mm
De las graacuteficas obtenidas para las leyes de fatiga es importante resaltar la
pendiente de fatiga ldquobrdquo la cual indica una medida de la vida esperada de la mezcla
asfaacuteltica por su resistencia a la fatiga Para el caso de la mezcla asfaacuteltica
convencional se obtuvo un valor para ldquobrdquo igual a -0236 mientras que para la
mezcla asfaacuteltica modificada el valor para ldquobrdquo fue de -0188
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Fue
rza
Ap
licad
a (k
g)
Nuacutemero de ciclos N
GCR 086 mmMDC 086 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
106
Figura 65 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 66 Ley de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para la mezcla modificada con GCR
En el ANEXO H y el ANEXO I se presentan todos los resultados de los ensayos de
caracterizacioacuten dinaacutemica realizados a la mezcla asfaacuteltica convencional MDC-2 y a la
mezcla asfaacuteltica modificada con caucho respectivamente
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 19546x-0188 Rsup2 = 09834
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
107
4651 Repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Para evaluar la repetibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten construido se
seleccionaron dos tipos de mezcla asfaacuteltica de la normatividad colombiana (mezcla
MDC-2 tipo INVIAS y mezcla modificada con GCR tipo IDU) para fabricar nueve
especiacutemenes ideacutenticos (150 mm de diaacutemetro por 38 mm de altura) utilizando el
Compactador Giratorio Superpave El contenido de aire de cada muestra se
controloacute en el 4 por ciento despueacutes de recortar las muestras Por uacuteltimo se
pegaron nueve muestras para cada tipo de mezcla a las placas del Equipo de
Reflexioacuten El ensayo se realizoacute a la temperatura de 25 ordmC el desplazamiento de
apertura se establecioacute en los valores de 043 mm 086 mm y 130 mm y se
ensayaron tres probetas para cada nivel de desplazamiento
La Figura 67 presenta la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de las nueve muestras
con mezcla asfaacuteltica convencional (MDC-2) y la Figura 68 de las muestras con
mezcla asfaacuteltica modificada (GCR)
Figura 67 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
y = 17764x-0236 Rsup2 = 09696
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
108
Figura 68 Ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Para un nivel de deformacioacuten de 043 mm en la mezcla convencional se encontroacute
un promedio de vida de 354 ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de
variacioacuten de 321 y 91 por ciento respectivamente En el caso de la mezcla
modificada el promedio fue de 2260 ciclos y la desviacioacuten estaacutendar y coeficiente de
variacioacuten tuvieron valores de 2790 y 123 respectivamente
Asimismo para un nivel de deformacioacuten de 086 mm se obtuvo un promedio de 34
ciclos con una desviacioacuten estaacutendar y un coeficiente de variacioacuten de 65 y 191 por
ciento para la mezcla convencional y un promedio de 117 ciclos con una desviacioacuten
estaacutendar y coeficiente de variacioacuten de 48 y 41 por ciento para la mezcla
modificada Los resultados obtenidos para 130 mm de deformacioacuten fueron
descartados debido al bajo nuacutemero de ciclos necesarios para la falla del material
En teacuterminos generales el coeficiente de variacioacuten de las mezclas asfaacutelticas es
menor a 20 por ciento indicaacutendose claramente que los ensayos son repetibles
y = 19288x-0189 Rsup2 = 09798
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Ensayo 1 25degC
Ensayo 2 25degC
Ensayo 3 25degC
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
109
La Figura 69 y la Figura 70 muestran los indicadores estadiacutesticos obtenidos en el
ensayo de repetibilidad del equipo construido para la mezcla convencional y
modificada respectivamente
Figura 69 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Figura 70 Resultados del ensayo de repetibilidad para la mezcla asfaacuteltica modificada
con GCR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=191
Cov=544
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Re
sist
en
cia
a la
fat
iga(
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s)
Nuacutemero de muestras
Cov=124
Cov=41
Cov=269
Cov=91
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
110
4652 Sensibilidad del ensayo con el Equipo de Reflexioacuten
Se realizoacute un anaacutelisis de sensibilidad de las principales variables que intervienen en
el ensayo de fatiga con el Equipo de Reflexioacuten Los paraacutemetros de ensayo
desplazamiento de apertura temperatura de ensayo y porcentaje de vaciacuteos de aire
se evaluaron tanto para la mezcla asfaacuteltica convencional como para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho con el fin de determinar la incidencia del tipo de
mezcla asfaacuteltica utilizada
Cabe sentildealar que para cada ensayo soacutelo un paraacutemetro fue variable de sensibilidad
y los otros se mantuvieron constantes Los resultados obtenidos del anaacutelisis se
presentan a continuacioacuten
bull Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla con asfalto clasificado por penetracioacuten como 80-100 y
nueve muestras para la mezcla con asfalto 80-100 modificado con caucho (GCR)
El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a 25degC para tres desplazamientos
de apertura 046 mm 083 mm y 130 mm y se utilizaron tres repeticiones para
cada desplazamiento con la finalidad de obtener la ley de fatiga para cada mezcla
asfaacuteltica evaluada
La Figura 71 y la Figura 72 muestran el promedio de vida a la fatiga por reflexioacuten
para la mezcla convencional y modificada respectivamente Estas graacuteficas indican
que la vida de las mezclas asfaacutelticas en caliente disminuye con el aumento de los
niveles de desplazamiento concluyeacutendose que los resultados de los ensayos con el
Equipo de Reflexioacuten son sensibles al desplazamiento de apertura
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
111
Figura 71 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica convencional
Figura 72 Influencia del desplazamiento de apertura en la fatiga por de la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
y = 17376x-0234 Rsup2 = 09913
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
y = 17431x-0173 Rsup2 = 09697
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
112
bull Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten
Se evaluaron nueve muestras ideacutenticas con un contenido de vaciacuteos de aire del 4
por ciento para la mezcla asfaacuteltica con ligante asfaacuteltico 80-100 El ensayo con el
Equipo de Reflexioacuten se realizoacute a las temperaturas de 10degC 25ordmC y 40degC para tres
niveles de desplazamiento 030 063 y 089 mm (leyes de fatiga)
La Figura 73 presenta el comportamiento del material que variacutea de acuerdo a la
temperatura de ensayo aplicada La graacutefica muestra la influencia significativa de la
temperatura en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en caliente
concluyeacutendose que los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son sensibles a la
temperatura
De la misma manera se realizoacute el anaacutelisis de sensibilidad a la temperatura para la
mezcla modificada con caucho La Figura 74 presenta la tendencia de las muestras
ensayadas verificaacutendose la influencia de este paraacutemetro en su vida a fatiga
Figura 73 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
convencional
01
10
100
1 10 100 1000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
113
Figura 74 Influencia de la temperatura en la fatiga por reflexioacuten de la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
bull Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
Para determinar la influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la vida a fatiga por
reflexioacuten se utilizaron dos mezclas asfaacutelticas elaboradas con asfalto clasificado
como 80-100 y asfalto 80-100 modificado con grano de caucho reciclado
La Figura 75 muestra la superposicioacuten de las graacuteficas anteriores y representa el
aumento significativo en la vida a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas en
caliente modificadas con caucho con respecto a las convencionales para cada uno
de los niveles de deformacioacuten utilizados Asimismo para las leyes de fatiga
obtenidas en estos ensayos la pendiente de las muestras asfaacutelticas modificadas
fue menor a las calculadas para las muestras con ligante asfaacuteltico convencional
concluyeacutendose el buen desempentildeo del caucho en el comportamiento a fatiga de
los materiales y que los resultados de los ensayos con el Equipo de Reflexioacuten son
sensibles al tipo de mezcla evaluada
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
10degC
25degC
40degC
Potencial (10degC)
Potencial (25degC)
Potencial (40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
114
Figura 75 Influencia del tipo de mezcla asfaacuteltica en la fatiga por reflexioacuten
bull Influencia de los vaciacuteos de aire en la fatiga por reflexioacuten
Se moldearon nueve muestras con porcentajes de vaciacuteos de aire de hasta 4plusmn5 por
ciento para la mezcla asfaacuteltica convencional y nueve muestras para la mezcla
asfaacuteltica modificada con caucho (GCR) El ensayo con el Equipo de Reflexioacuten se
realizoacute a 25degC para tres niveles de desplazamiento de apertura 046 mm 083
mm y 130 mm con el fin de obtener las leyes de fatiga correspondientes
La Figura 76 y la Figura 77 presentan la influencia del contenido de vaciacuteos de aire
sobre la vida a fatiga por reflexioacuten obtenieacutendose una mejor resistencia con las
muestras que presentan menor rigidez y mayores porcentajes de vaciacuteos de aire
Vale la pena resaltar que para obtener una tendencia clara de la variacioacuten de la
vida a fatiga de los materiales de acuerdo a su porcentaje de densificacioacuten deben
realizarse ensayos adicionales con niveles de vaciacuteos de aire ideacutenticos para todas las
pruebas y que estos porcentajes deben diferir significativamente entre ellos
01
10
100
1 10 100 1000 10000
De
form
acioacute
n (
mm
)
Nuacutemero de ciclos
MDC2-10degC
MDC2-25degC
MDC2-40degC
GCR-10degC
GCR-25degC
GCR-40degC
Potencial (MDC2-10degC)
Potencial (MDC2-25degC)
Potencial (MDC2-40degC)
Potencial (GCR-10degC)
Potencial (GCR-25degC)
Potencial (GCR-40degC)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
115
Figura 76 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
MDC-2
Figura 77 Variacioacuten de la fatiga por reflexioacuten seguacuten la densidad para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
1
10
100
1000
10000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
1
10
100
1000
90 92 94 96 98 100
Nuacute
me
ro d
e c
iclo
s
Densidad Gmm
043 mm
086 mm
130 mm
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
116
5 ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
51 ENSAYOS DE RIGIDEZ DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para medir la rigidez de las muestras asfaacutelticas analizadas tanto para la mezcla
MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos de moacutedulo dinaacutemico
en el equipo MTS y de moacutedulo resiliente en el equipo NAT Es importante destacar
que el moacutedulo de un material es uno de los paraacutemetros maacutes importantes debido a
que suministra informacioacuten sobre el comportamiento dinaacutemico de las mezclas
La Tabla 24 muestra el resumen de los moacutedulos dinaacutemicos obtenidos tanto para la
mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 24 Resultados de los moacutedulos dinaacutemicos para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
5 1 7640 42 5893 105
5 4 10779 26 8299 108
5 16 14398 40 11537 83
25 1 1571 93 1156 181
25 4 2666 86 1804 192
25 16 4427 27 2750 194
40 1 505 145 501 96
40 4 683 178 657 154
40 16 1010 204 810 172
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
117
Asimismo la Tabla 25 presenta los moacutedulos resilientes obtenidos por cada
combinacioacuten de temperatura y frecuencia de aplicacioacuten de carga tanto para la
mezcla MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Tabla 25 Resultados de los moacutedulos resilientes para las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla modificada con GCR
(degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
Moacutedulo
(MPa)
Coeficiente
variacioacuten ()
10 250 092 9710 48 6843 67
10 500 161 10916 22 8400 78
10 1000 230 12825 15 9713 82
20 250 -212 3582 64 2686 17
20 500 -143 4934 63 3460 57
20 1000 -073 5960 36 4393 16
30 250 -496 1011 108 999 07
30 500 -426 1398 94 1299 43
30 1000 -357 2033 94 1768 34
De los resultados obtenidos para ambos ensayos se aprecia que el comportamiento
de las muestras estaacute relacionado con la temperatura y la velocidad a la que se
aplica el esfuerzo maacutes concretamente a altas temperaturas y tiempos de
aplicacioacuten largos el moacutedulo es bajo mientras que a bajas temperaturas y tiempos
cortos de aplicacioacuten de la carga el moacutedulo fue alto
Al comparar los valores de moacutedulo dinaacutemico obtenidos para ambas mezclas
asfaacutelticas se observa una reduccioacuten en los resultados de la mezcla con caucho
Esta reduccioacuten disminuye notablemente a la temperatura de 40degC demostrando la
baja susceptibilidad a la temperatura del asfalto con caucho El porcentaje
promedio para las temperaturas de 5degC y 25degC fue del 73 mientras que para
40degC se registroacute el 92 El promedio de reduccioacuten de la rigidez de la mezcla con
GCR con respecto a la mezcla MDC-2 fue del 80 como se aprecia en la Tabla 26
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
118
Tabla 26 Comparacioacuten de los moacutedulos dinaacutemicos entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
5 1 7640 5893 77
5 4 10779 8299 77
5 16 14398 11537 80
25 1 1571 1156 74
25 4 2666 1804 68
25 16 4427 2750 62
40 1 505 501 99
40 4 683 657 96
40 16 1010 810 80
De igual manera para el ensayo de moacutedulo resiliente se obtuvieron valores
menores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las briquetas con
mezcla MDC-2 El porcentaje de disminucioacuten para las temperaturas de 10degC y 20deg
fueron similares con un promedio de 74 mientras que el promedio para la
temperatura de 40degC se registroacute en el 93 demostrando la poca susceptibilidad a
las temperaturas elevadas por parte de las mezclas modificadas con GCR La Tabla
27 presenta los resultados expuestos
Tabla 27 Comparacioacuten de los moacutedulos resilientes entre las mezclas asfaacutelticas MDC-2 y
modificada con GCR
Temperatura Frecuencia
X
Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Porcentaje
de reduccioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) Moacutedulo
(MPa)
Moacutedulo
(MPa)
10 250 092 9710 6843 70
10 500 161 10916 8400 77
10 1000 230 12825 9713 76
20 250 -212 3582 2686 75
20 500 -143 4934 3460 70
20 1000 -073 5960 4393 74
30 250 -496 1011 999 99
30 500 -426 1398 1299 93
30 1000 -357 2033 1768 87
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
119
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo los porcentajes de reduccioacuten de la rigidez para las
mezclas modificadas tiene valores praacutecticamente iguales Con respecto a los
valores registrados en ambos ensayos al disponer de curvas maestras para el
ensayo en el equipo NAT se calcularon los valores de moacutedulos resilientes con las
frecuencias y temperaturas utilizadas en el actuador dinaacutemico MTS para ser
comparados como se muestra en la Tabla 28
Tabla 28 Comparacioacuten entre los moacutedulos dinaacutemicos y moacutedulos resilientes para las
mezclas asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
ResDin ()
(degC) (Hz) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa) M Dinaacutemico
(MPa) M Resiliente
(MPa)
5 1 7640 (1) 5893 (1) -
5 4 10779 (1) 8299 (1) -
5 16 14398 (1) 11537 (1) -
25 1 1571 1712 1156 1283 110
25 4 2666 2879 1804 2093 112
25 16 4427 4825 2750 3273 114
40 1 505 535 501 592 112
40 4 683 717 657 808 114
40 16 1010 1050 810 907 108
(1) No se consideran representativos los valores extrapolados de moacutedulos resilientes a partir de
las curvas maestras para bajas temperaturas
Con el porcentaje promedio de ambos tipos de mezclas se obtuvo una relacioacuten
igual al 112 para los moacutedulos resilientes con respecto a los moacutedulos dinaacutemicos
El mayor porcentaje de los moacutedulos resilientes puede explicarse a los tiempos de
descanso que experimenta el material durante el ensayo mientras que en el caso
del moacutedulo dinaacutemico los ciclos de carga y descarga son constantes sin considerar
periacuteodos de reposo
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
120
52 ENSAYOS DE FATIGA DE MEZCLAS ASFAacuteLTICAS
Para determinar la resistencia a la fatiga de las muestras asfaacutelticas analizadas
tanto para la mezcla MDC2 como la modificada con GCR se realizaron los ensayos
de fatiga en el equipo NAT y en el Banco de Fatiga El deterioro causado por la
fatiga es uno de los maacutes frecuentes que se presenta cuando los materiales son
sometidos a repeticiones de carga causando la aparicioacuten de fisuras
La Tabla 29 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por esfuerzo
controlado en el equipo NAT La tabla presenta los niveles de esfuerzos aplicados
asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para
la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica modificada con GCR
Tabla 29 Resultados de los ensayos de fatiga en equipo NAT para las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz)
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Esfuerzo Nuacutemero de ciclos
hasta la falla (kPa) (kPa)
20 25 250 28055 400 1513
20 25 500 1090 400 1557
20 25 350 4038 500 1039
20 25 400 3021 200 58510
20 25 450 1514 250 11008
20 25 300 6504 300 9526
20 25 250 13042 150 967044
20 25 150 191536 350 9531
20 25 150 113039 500 1035
Asimismo la Tabla 30 presenta los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por
deformacioacuten controlada en el Banco de Fatiga La tabla muestra la cantidad de
ciclos requeridos hasta la falla de las briquetas tanto para la mezcla convencional
MDC-2 como para la mezcla modificada con GCR
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
121
Tabla 30 Resultados de los ensayos de fatiga en Banco de Fatiga para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR
(degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279
19 10 90 11564289 44566207
19 10 90 10674329 48804550
19 10 90 12545765 50100774
19 10 150 3765876 9719306
19 10 150 2956432 7992498
19 10 150 2476349 9686402
19 10 150 3257689 8490826
19 10 220 508943 752795
19 10 220 294056 1025227
19 10 220 423535 931673
19 10 220 456294 882375
De los resultados de fatiga obtenidos con ambos equipos se aprecia que el
comportamiento de las muestras estaacute relacionado directamente con el nivel de
esfuerzo constante o deformacioacuten constante aplicados A mayor nivel de esfuerzo
la resistencia a la fatiga disminuye asimismo a mayor nivel de deformacioacuten
utilizado la vida a fatiga decrece
Para comparar la resistencia a la fatiga obtenida para ambas mezclas asfaacutelticas en
el equipo NAT se listaron los nuacutemeros de ciclos o repeticiones de acuerdo al
mismo nivel de esfuerzo aplicado De los resultados se observa un aumento en los
valores correspondientes a las briquetas con mezcla asfaacuteltica modificada con
caucho Esta diferencia incrementa notablemente la vida a fatiga de las mezclas
modificadas con GCR con relacioacuten a las mezclas MDC-2 en un porcentaje promedio
de 220
La Tabla 31 presenta la relacioacuten entre la vida a fatiga de la mezcla modificada con
caucho y la mezcla asfaacuteltica MDC-2
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
122
Tabla 31 Comparacioacuten de la vida a fatiga en equipo NAT entre las mezclas asfaacutelticas
MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Esfuerzo Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (kPa) Nuacutemero de ciclos
hasta la Falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
20 25 150 113039 - -
20 25 150 191536 967044 505
20 25 250 13042 - -
20 25 250 28055 58510 209
20 25 300 6504 9526 146
20 25 350 4038 9531 236
20 25 400 3021 - -
20 25 450 1514 1557 103
20 25 500 1090 1039 95
De igual manera para el ensayo de fatiga en Banco de Fatiga se obtuvieron
valores mayores para las briquetas con asfalto modificado con respecto a las
briquetas con mezcla MDC-2 La relacioacuten entre ambas mezclas muestra un valor
promedio de 320 demostrando claramente la mayor vida por fatiga por parte
de las mezclas con caucho La Tabla 27 presenta los resultados expuestos
Tabla 32 Comparacioacuten de la vida a fatiga en Banco de Fatiga entre las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Deformacioacuten Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (Hz) (10-6 m) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
19 10 90 11234534 47518279 423
19 10 90 11564289 44566207 385
19 10 90 10674329 48804550 457
19 10 90 12545765 50100774 399
19 10 150 3765876 9719306 258
19 10 150 2956432 7992498 270
19 10 150 2476349 9686402 391
19 10 150 3257689 8490826 261
19 10 220 508943 752795 148
19 10 220 294056 1025227 349
19 10 220 423535 931673 220
19 10 220 456294 882375 193
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
123
Como se aprecia en las tablas anteriores el comportamiento de los materiales en
ambos ensayos es el mismo se cuenta con mayores porcentajes de resistencia a
fatiga para las mezclas modificadas con GCR
No se puede realizar una comparacioacuten directa de repeticiones medidas hasta la
falla debido a que los ensayos son a esfuerzo y deformacioacuten controlados de igual
manera las frecuencias de ensayo utilizadas fueron diferentes Sin embargo se
compararon los paraacutemetros de pendientes de fatiga calculados que brindan una
tendencia clara de la vida a fatiga para cada mezcla analizada seguacuten el equipo de
laboratorio utilizado
La Tabla 33 presenta el resumen de las pendientes de fatiga obtenidas en ambos
equipos para los dos tipos de mezcla ensayados
Tabla 33 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
()
(degC) (Hz) Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
Fatiga NAT
σ6 - ε6
Fatiga Banco
b
20 25 97 -0235 135 -0176 75
19 10 181 -0258 224 -0220 85
Como se aprecia en las pendientes de fatiga las mezclas modificadas con GCR
presentan valores menores que las mezclas MDC-2 indicando la mayor resistencia
a la fatiga por parte de las mezclas con caucho Este comportamiento se presentoacute
para los ensayos realizados con ambos equipos siendo el promedio de reduccioacuten
igual al 80 Si bien no se comparoacute la relacioacuten entre las pendientes de un mismo
tipo de mezcla se observa claramente una proporcioacuten entre los valores obtenidos
con cada uno de los equipos de fatiga
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
124
Complementariamente para los ensayos de fatiga se consideroacute un tercer equipo
que aplica ciclos de apertura y oclusioacuten por traccioacuten directa La Tabla 34 muestra
los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten controlada en el
Equipo de Reflexioacuten La tabla presenta las temperaturas y los niveles de
deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la falla de
las briquetas tanto para la mezcla asfaacuteltica MDC-2 como para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR
Tabla 34 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Periacuteodo Amplitud Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de relacioacuten
GCRMDC-2 () (degC) (s) (mm) Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
Nuacutemero de ciclos
hasta la falla
10 10 043 87 430 494
10 10 086 9 25 278
10 10 130 1 2 200
25 10 043 354 2227 629
25 10 086 34 117 345
25 10 130 3 6 211
40 10 043 517 3650 706
40 10 086 82 207 252
40 10 130 5 18 360
Se observa en la tabla que la mezcla modificada con caucho presenta un
comportamiento maacutes resistente a la fatiga traducido en valores mayores de
repeticiones antes de la falla Asimismo se aprecia que esta diferencia es mayor
para los niveles de deformacioacuten bajos siendo la relacioacuten entre ambas mezclas del
orden de 1 a 4 aproximadamente
La Tabla 35 presenta la comparacioacuten de las leyes de fatiga entre la mezcla asfaacuteltica
MDC-2 y la mezcla modificada con GCR obtenidas con los tres equipos de
laboratorio
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
125
Tabla 35 Comparacioacuten entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfaacutelticas MDC-2 y modificada con GCR
Temperatura Frecuencia Mezcla MDC-2 Mezcla con GCR Promedio
de reduccioacuten
() (degC) (Hz) Fatiga Banco
b
Fatiga Banco
b
20 25 -0235 -0176 75
19 10 -0258 -0220 85
25 01 -0236 -0188 80
Como se observa en la tabla los valores de las pendientes de fatiga para los tres
equipos utilizados presentan valores menores en las mezclas modificadas con
caucho en comparacioacuten con mezclas MDC-2 indicando una mayor medida de la
vida esperada de la mezcla asfaacuteltica modificada por su resistencia a la fatiga El
porcentaje promedio de reduccioacuten para las pendientes de fatiga de las mezclas
MDC-2 se registroacute en el 80
Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia que
las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten presentan
valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste entre ambos equipos Si bien
es cierto que tanto el Banco de Fatiga como el Equipo de Reflexioacuten operan con
deformacioacuten controlada y tres niveles de desplazamiento seleccionados los
resultados de las pendientes de fatiga difieren en magnitud sin embargo es
importante continuar con una investigacioacuten delimitada a la correlacioacuten de los
resultados de fatiga entre estos equipos en la cual los paraacutemetros de entrada
como temperaturas frecuencias y criterios de falla sean los mismos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
126
6 DISCUSIOacuteN
Zhou et al (2003) del Instituto de Trasporte de Texas (TTI) utilizaron el equipo
Overlay Tester que habiacutea sido mejorado de su versioacuten inicial disentildeada por Lytton
et al (1979) para evaluar la resistencia de las mezclas asfaacutelticas a fatiga por
reflexioacuten Dentro de los paraacutemetros de ensayo maacutes importantes se incluyen el
periacuteodo la amplitud y la fuerza aplicada
El equipo mejorado se ensayoacute en el modo de desplazamiento controlado siendo su
principal resultado la vida debido a la fatiga por reflexioacuten de una mezcla asfaacuteltica
en caliente traducida en el nuacutemero de ciclos para lograr la falla o rotura total de la
muestra La Tabla 36 muestra las caracteriacutesticas que rigen el ensayo
Tabla 36 Caracteriacutesticas de ensayo con el Overlay Tester
Paraacutemetro Unidad Valor
Temperatura degC 25
Desplazamiento mm 063
Periacuteodo s 10
Fuente Zhou et al (2003)
De los resultados de los ensayos ciacuteclicos realizados se establecioacute que el criterio de
falla para determinar la resistencia a la fatiga por reflexioacuten fue de 300 ciclos bajo
las caracteriacutesticas descritas en la tabla anterior y para las mezclas asfaacutelticas densas
en caliente o de gradacioacuten continua (Zhou et al 2003)
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
127
El presente proyecto considera para los ensayos un amplio intervalo tanto de
temperatura como de frecuencias de carga y se mide el nuacutemero de ciclos
necesarios para lograr la fatiga del material
La metodologiacutea de ensayoacute se basoacute en el procedimiento americano utilizado para el
equipo Overlay Tester pero contemploacute el uso de tres temperaturas 10degC 25degC y
40degC para un periacuteodo de 10 s con tres niveles de deformacioacuten 043 mm 086 mm
y 130 mm con la finalidad de obtener inicialmente las leyes de fatiga para la cada
tipo de mezcla evaluada y luego establecer un criterio de falla para una condicioacuten
de ensayo en particular
La Tabla 37 muestra los resultados obtenidos del ensayo de fatiga por deformacioacuten
controlada en el Equipo de Reflexioacuten asimismo presenta las temperaturas y los
niveles de deformacioacuten aplicados asiacute como la cantidad de ciclos requeridos hasta la
falla de las briquetas demostrando la influencia del desplazamiento de apertura y
de la temperatura de ensayo en la vida uacutetil a fatiga por reflexioacuten de los materiales
asfaacutelticos
Tabla 37 Resultados de los ensayos de fatiga en Equipo de Reflexioacuten
Temperatura Periacuteodo Amplitud Nuacutemero de ciclos
(degC) (s) (mm) hasta la falla
10 10 043 87
10 10 086 9
10 10 130 1
25 10 043 354
25 10 086 34
25 10 130 3
40 10 043 517
40 10 086 82
40 10 130 5
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
128
Por lo anterior al no tener calibrados los valores de los paraacutemetros de ensayo
como la amplitud y el periacuteodo que representen las condiciones reales que
experimentan las losas de concreto en la ciudad de Bogotaacute con el objetivo de
poder establecer un criterio de falla (nuacutemero de ciclos) que debe cumplir la mezcla
para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de servicio como sobrecarpeta
asfaacuteltica el presente proyecto presenta como alternativa la caracterizacioacuten de
mezclas debido a su resistencia a la fatiga por reflexioacuten para cualquier combinacioacuten
de temperaturas y amplitudes de desplazamiento
La finalidad es establecer una curva ldquomaestrardquo para el ensayo de fatiga por
reflexioacuten combinando las amplitudes utilizadas los periacuteodos ingresados y los
niveles de deformacioacuten contemplados para una gran cantidad de briquetas
ensayadas con condiciones distintas que reflejen el comportamiento de los
pavimentos riacutegidos rehabilitados con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica Para lograr
este objetivo es necesario implementar un sistema de instrumentacioacuten en las losas
de pavimento riacutegidos para calcular los paraacutemetros de apertura y oclusioacuten
(amplitud y periacuteodo) producidos por el gradiente teacutermico que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas flexibles
permitiraacute determinar unos paraacutemetros objetivos de ensayo para establecer un
criterio de falla que garantice una adecuada correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos
de vida por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero
de antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo garantizando de esta manera
la resistencia de las mezclas asfaacutelticas al efecto de la fatiga por reflexioacuten
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
129
7 CONCLUSIONES
bull Se implementoacute en laboratorio un equipo capaz de caracterizar las mezclas
asfaacutelticas respecto a su resistencia al efecto de fatiga por reflexioacuten
permitiendo el estudio de nuevos materiales que absorban esfuerzos efectivos
refuercen las capas asfaacutelticas y resistan la formacioacuten y propagacioacuten de fisuras
bull Los procedimientos para el ensayo de reflexioacuten fueron propuestos y
registrados De igual manera el manual de operacioacuten del software
especificaciones teacutecnicas del equipo y manual para preparacioacuten de muestras
fueron documentados en el presente proyecto
bull Se verificoacute la repetibilidad de los ensayos en el Equipo de Reflexioacuten para los
valores de deformacioacuten de 086 mm y 13 mm obtenieacutendose coeficientes de
variacioacuten menores al 25 Asimismo se demostroacute la sensibilidad de la vida a
fatiga por reflexioacuten con respecto a las variables de nivel de deformacioacuten
temperatura y tipo de mezcla asfaacuteltica
bull Para el disentildeo de las mezclas asfaacutelticas se utilizoacute el protocolo Superpave Nivel
1 De los resultados volumeacutetricos obtenidos se tiene un mayor porcentaje de
vaciacuteos de aire y en el agregado mineral para la mezcla modificada con GCR
bull El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de las llantas usadas puede ser
utilizado confiablemente para mejorar las propiedades de las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
130
en lo concerniente a la disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica del ligante
mejor comportamiento ante la accioacuten del agua mitigacioacuten del ahuellamiento
del pavimento a altas temperaturas y mejoras en la resistencia al fisuramiento
por fatiga aumentando la vida uacutetil de la estructura
bull La resistencia a la fatiga por reflexioacuten obtenida para la mezcla asfaacuteltica
modificada con GCR tuvo mejores resultados que la MDC-2 soportando mayor
nuacutemero de repeticiones antes de la fatiga del material Para el nivel de
deformacioacuten maacutes bajo (043 mm) se obtuvo desde un 278 hasta un 706
de mejoras en la vida a fatiga para niveles superiores (086 y 130 mm) los
resultados evidenciaron un promedio de 275 de aumento en los ciclos
aplicados
bull Con respecto a la relacioacuten entre los ensayos de fatiga realizados a las mezclas
asfaacutelticas la tendencia obtenida para los tres equipos es similar
demostraacutendose el mejor comportamiento a fatiga por parte de la mezcla
modificada con caucho que en todos los casos presentoacute valores menores para
las pendientes de fatiga
bull Al analizar los resultados de fatiga obtenidos con los tres equipos se aprecia
que las pendientes de fatiga entre el equipo NAT y el Equipo de Reflexioacuten
presentan valores muy similares infirieacutendose un mejor ajuste inicial entre
ambos equipos sin embargo es importante continuar con una investigacioacuten
delimitada a la correlacioacuten de los resultados de fatiga entre estos equipos
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
131
8 RECOMENDACIONES
bull Debido a la baja resistencia de las mezclas asfaacutelticas densas para rodadura se
recomienda evaluar el desempentildeo a fatiga por reflexioacuten de mezclas con
mayores porcentajes de vaciacuteos y mezclas con granulometriacuteas discontinuas
bull Con el objetivo de estudiar nuevos materiales que disipen los esfuerzos por
traccioacuten directa producidos en la fibra inferior de las sobrecarpetas asfaacutelticas
es necesario evaluar mezclas con porcentajes de asfalto mayores al calculado
en el presente proyecto asimismo se recomienda evaluar el uso de
geomallas geotextiles sistemas SAMI mallas de polieacutester y de acero para
cuantificar de manera objetiva los beneficios que estas brindan en la
resistencia a fatiga por reflexioacuten de las mezclas asfaacutelticas
bull Se recomienda implementar un sistema de refrigeracioacuten al equipo de reflexioacuten
con la finalidad de evaluar el comportamiento de fatiga de mezclas asfaacutelticas a
bajas temperaturas es decir temperaturas menores a la ambiente
bull Si se desea establecer la curva maestra para la fatiga por reflexioacuten es
necesario continuar especiacuteficamente con los ensayos de fatiga por reflexioacuten
con el nuacutemero necesario de ensayos que permitan combinar las amplitudes
utilizadas los periacuteodos ingresados y los niveles de deformacioacuten contemplados
Se sugiere inicialmente utilizar un ajuste lineal para la obtencioacuten de la curva
maestra
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
132
bull Se sugiere implementar un sistema de instrumentacioacuten en losas de pavimento
riacutegidos rehabilitadas con sobrecarpetas de mezcla asfaacuteltica para calcular los
paraacutemetros de apertura y oclusioacuten (amplitud y periacuteodo) que caracteriza a los
pavimentos de Bogotaacute
bull La adecuada instrumentacioacuten de pavimentos riacutegidos con sobrecarpetas
flexibles permitiraacute establecer una correlacioacuten entre el nuacutemero de ciclos de vida
por fatiga obtenido en el Equipo de Reflexioacuten del laboratorio y el nuacutemero de
antildeos de vida esperada por la fatiga en el campo Complementariamente se
recomienda extraer nuacutecleos de pavimento de diferentes edades para obtener
sus densidades y evaluar su resistencia a fatiga por reflexioacuten
bull El estudio progresivo de la caracterizacioacuten de mezclas debido a su resistencia a
la fatiga por reflexioacuten permitiraacute establecer para cualquier combinacioacuten de
frecuencias y temperaturas un criterio de falla (nuacutemero ciclos)que debe
cumplir la mezcla para considerarse oacuteptima durante su periacuteodo de disentildeo a
partir de la validacioacuten con nuacutecleos de campo con desempentildeo conocido
bull Se recomienda realizar mayor cantidad de ensayos en el equipo NAT con el
propoacutesito de evaluar una correlacioacuten entre la fatiga por traccioacuten indirecta y la
fatiga por reflexioacuten
bull Debido al constante cambio en la calidad de los asfaltos se recomienda
efectuar los ensayos de laboratorio sugeridos en la presente metodologiacutea y
cuando cambien las propiedades de los materiales se debe procurar disentildear
nuevamente las mezclas asfaacutelticas
Caracterizacioacuten de Mezclas Asfaacutelticas por su Resistencia a Fatiga por Reflexioacuten
133
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