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Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación mediante la

viscosidad a corte cero

Ponente

Ing. Israel Sandoval Navarro

3° Congreso Salvadoreño del Asfalto


viscosidad a corte cero.

Índice

• Introducción.

• Hipótesis.

• Parte experimental.

• Resultados.

• Conclusiones.

Introducción

• El proceso constructivo es un paso fundamental en la calidad deuna carpeta asfáltica, de nada sirve tener los mejores materiales ytener un diseño de alto desempeño si el proceso constructivo no sehace de manera adecuada.

• Las temperaturas de mezclado y compactación tienen unaimportancia fundamental en la calidad y desempeño de la mezclaasfáltica, en mayor medida la temperatura de compactación, si estano es la correcta se puede disminuir la durabilidadconsiderablemente.

Introducción

• Existen métodos para determinar estas temperaturas para diseños enlaboratorio las cuales pueden servir como referencia para campo, uno delos mas usados es el recomendado por el “Asphalt Institute”.

• En este método se recomienda hacer una grafica viscosidad vstemperatura “tradicional” y determinar las temperaturas de trabajomediante los rangos de viscosidad establecidos, 0.17 ± 0.02 Pa·s paratemperatura de Mezclado y 0.28 ± 0.03 Pa·s para temperatura decompactación.

• Se puede emplear un viscosímetro rotacional.

The asphalt handbook MS-4, 7th Edition

Curva Viscosidad vs temperatura “tradicional”

The asphalt Handbook

En el manual se hacen algunas aclaraciones sobre como se puede usar lainformación obtenida bajo este método.

• “Estos rangos de viscosidad NO son validos para asfaltos modificados”.

• “El diseñador debe considerar las recomendaciones del productor delasfalto modificado para establecer las temperaturas de mezclado ycompactación”

• “Prácticamente la temperatura de mezclado no debe exceder 165°C yla temperatura de compactación no debe ser menor de 115°C”.

Además hay que tener en cuenta que:

• Estas temperaturas son para fabricación de especímenes

en el diseño.

• No necesariamente pueden usarse directamente en obra,

es necesario considerar las condiciones del sitio,

maquinaria, tipo de mezcla, etc.

• Esto se ha convertido en un problema para dependencias,productores de asfaltos modificados y mezclas asfálticas,constructores y supervisores.

• En obra uno de los requisitos establecidos por las dependenciases contar con el rango de temperaturas de mezclado ycompactación obtenidas de la curva “tradicional”.

Temperaturas de trabajo, método “tradicional”

nl.depositphotos.comes.123rf.com

Curva de viscosidad “tradicional” para un asfalto PG 76-22 modificado

Temperatura de mezclado : 197 a 211°CTemperatura de compactación : 163 a 172°C

• El viscosímetro rotacional aplica esfuerzos bajos y velocidades relativamente altas.

• El asfalto virgen presenta un comportamiento Newtoniano y su comportamiento no depende de la velocidad de corte.

• El asfalto modificado presenta comportamiento No-Newtoniano y su comportamiento depende de la velocidad de corte.

• La combinación de velocidades relativamente altas, esfuerzos bajos y el comportamiento de los asfaltos modificados resulta en temperaturas de mezclado y compactación muy elevadas.

• Esta comprobado que en campo no se requieren temperaturas tan elevadas para mezclar y compactar adecuadamente con asfaltos modificados.

Porque no funciona la curva de viscosidad “tradicional” para asfaltos modificados



Índice

• Introducción.

• Hipótesis.


• Resultados.

• Conclusiones.

Hipótesis

La Viscosidad a Corte Cero puede usarse para determinar lastemperaturas de mezclado y compactación, evitando con esteparámetro la dependencia a la velocidad de corte.

1 10 100

2x105

4x105

6x105

8x105

106

Barrido de frecuencia

0

Eta'

Viscosidad

(P)

, (rad/s)

flujo

Cantidad de energía disipadaconstante a través de las capas del material.

Viscosidad a Corte Cero VCC

Hipótesis

Viscosidad Rotacional (VR)Viscosidad a Corte Cero (VCC), DSR

Asfalto virgen (Newtoniano)VCC = X a Tm y VCC = Y a Tc

Asfalto virgen (Newtoniano)VR = 0.17 a Tm y VR = 0.28 a Tc

Asfalto modificado (Newtoniano)

VCC = XTemperatura mezclado

VCC = YTemperatura compactación

Asfalto modificado (No Newtoniano)VR = 0.17 a Tm y VR = 0.28 a Tc

Temperaturas muy altas

Tm= Temperatura de mezcladoTc= Temperatura de compactación



Índice

• Introducción.

• Hipótesis.


• Resultados.

• Conclusiones.

• Cono y plato

Reómetro de corte dinámico DSR

• Cono

• 40mm

• 1°

• Trunc. 27 micro m

Materiales

Parte experimental

ASFALTOS CONVENCIONALES

Identificación País de Procedencia Clasificación

Ekbe Salamanca Mx México PG 64-22

AC20 Salina Cruz Mx México AC-20

USA 1 Estados Unidos PG 64-22

AC30 Nicaragua Nicaragua AC-30

USA 2 Estados Unidos PG 64-22

AC20 Tula Mx México AC-20

60/70 Colombia Colombia Penetración 60 - 70

Ekbe Cadereyta Mx México PG 64-22

ASFALTOS MODIFICADOS

Identificación Clasificación

MOD 1 PG 76-16

MOD 2 PG 82-22

MOD 3 PG 70-22

MOD 4 PG 88-16

MOD 5 PG 76-22

MOD 6 PG 76-16

Pruebas empíricas, asfaltos convencionales

PRUEBA EkbeSalamanca Mx

AC20 Salina Cruz Mx

USA 1 AC30 Nicaragua

USA 2 AC20 Tula Mx

60/70 Colombia

EkbeCadereyta Mx

ASFALTO ORIGINAL

PENETRACIÓN 25°C, (1/10 mm)

69 71 66 51 60 48 63 63

PUNTO DE REBLANDECIMIENTO, (°C)

51 50 51 58 52 55 49 52

VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP)

403.5 401.0 433.6 517.4 456.7 487.0 351.0 459.0

ASFALTO ENVEJECIDO POR RTFO

PÉRDIDA DE MASA (%)

0.45 0.86 0.36 0.15 0.21 0.35 0.25 0.23

PENETRACIÓN 25°C (1/10 mm)

37 35 40 35 42 39 39 38

VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP)

624.0 685.5 732.4 826.0 635.9 621.0 548.0 674.3

Parte experimental

Grado PG, asfaltos convencionales (1)PRUEBA Ekbe

Salamanca Mx

AC20 Salina Cruz Mx

USA 1 AC30 Nicaragua

ASFALTO ORIGINAL

PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND, (°C) > 300 >300 >300 >300

VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm, (cP) 403.5 401.0 433.6 517.4

MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO 64°C [G*/senδ], (KPa) 1.335 1.393 1.492 2.118

ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C, (°) 83.51 83.50 85.76 85.84


PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163°C, (%) 0.45 0.86 0.36 0.15


ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C (°) 77.35 75.24 80.80 76.14

ASFALTO ENVEJECIDO POR PAV

MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO A 25°C [G*senδ], (KPa) 2558 2813 632 2549

RIGIDEZ EN CREEP A -12°C, 60s S(t), (MPa) 112.69 162.45 142.65 180.32

VALOR m(t) A -12°C, 60s S(t), (adimensional) 0.293 0.290 0.304 0.291

GRADO DE DESEMPEÑO PG 64-16 PG64-16 PG 64-22 PG70-16

Grado PG, asfaltos convencionales (2)PRUEBA USA 2 AC20 Tula

Mx60/70 Colombia

EkbeCadereyta Mx

ASFALTO ORIGINAL

PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND, (°C) >300 >300 >300 >300

VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm, (cP) 456.7 487.0 351 459


ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C, (°) 86.79 82.98 86.95 83.15


PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163°C, (%) 0.21 0.35 0.25 0.23


ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C (°) 82.58 83.12 83.46 85.59


MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO A 25°C [G*senδ], (KPa) 872 2179 2180 2061

RIGIDEZ EN CREEP A -12°C, 60s S(t), (MPa) 146.331 175.695 142.475 152.03

VALOR m(t) A -12°C, 60s S(t), (adimensional) 0.321 0.280 0.332 0.308

GRADO DE DESEMPEÑO PG 64-22 PG 64-16 PG 58-22 PG 64-22

Pruebas empíricas, asfaltos modificados

PRUEBA / Asfalto Modificado MOD 1PG 76-22

MOD 2PG 82-22

MOD 3PG 70-22

MOD 4PG 88-16

MOD 5PG 76-22

MOD 6 PG 76-16

ASFALTO ORIGINAL

PENETRACIÓN 25°C, (1/10 mm) 49 50 58 40 64 62

PUNTO DE REBLANDECIMIENTO, (°C) 64 66 60 70 62 61

REC. ELÁSTICA X TORSION 25°C, (%) 51 54 38 44 61 13

VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP) 1627 2655 1047 3258 936 1146

SEPARACIÓN ASFALTO MODIFICADO (°C) 0 0 0 0 34 0


PÉRDIDA DE MASA (%) 0.31 0.27 0.30 0.10 0.35 0.35

PENETRACIÓN 25°C (1/10 mm) 28 29 30 25 39 37

PUNTO DE REBLANDECIMIENTO, (°C) 74 75 70 81 72 70

REC. ELÁSTICA X DUCTILOMETRO 20cm, 5 min. Reposo 25°C, (%)

65 50 44 --- 83 23

VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP) 3461 4568 2417 4950 2026 2145

Parte experimental

Grado PG, asfaltos modificadosPRUEBA / Asfalto Modificado MOD 1 MOD 2 MOD 3 MOD 4 MOD 5 MOD 6

ASFALTO ORIGINAL

PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND, (°C) > 300 >300 >300 >300 >300 >300

VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm, (cP) 1627 2655 1047 5706 936 1146

MÓDULO REO. CORTE DINÁMICO A PG [G*/senδ], (KPa) 1.359 1.400 1.596 1.355 1.090 1.712

ÁNGULO DE FASE (δ) A PG, (°) 64.56 58.07 68.86 56.86 77.72 72.19


PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163°C, (%) 0.31 0.27 0.30 0.10 0.35 0.35

MÓDULO REO. CORTE DINÁMICO A PG [G*/senδ], (KPa) 4.060 3.419 5.116 2.718 2.361 6.665

ÁNGULO DE FASE (δ) A PG, (°) 57.24 51.70 61.61 51.89 67.33 60.17


MÓDULO REO. CORTE DINÁMICO A PG [G*senδ], (KPa) 1184 1001 1961 1586 988 1708

RIGIDEZ EN CREEP A PG, 60s S(t), (MPa) 138.56 120.82 146.60 185.17 89.64 130.44

VALOR m A PG, 60s, m(t), (adimensional) 0.305 0.323 0.304 0.310 0.316 0.312

GRADO DE DESEMPEÑO Temperaturas de prueba (°C): Alta, Media, baja

PG76-2276,31,-12

PG82-2282,34,-12

PG70-2270,31,-12

PG88-1688,34,-6

PG76-2276,31,-12

PG76-1676,31,-6

Parte experimental

• Paso 1. Determinar Temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos convencionales.

• Curva Viscosidad vs temperatura “tradicional”.

Asfalto Convencional PG Temperatura de

mezclado (˚C)

Temperatura de

compactación (˚C)

Ekbe Salamanca Mx 64-16 153 - 159 141 - 146

AC20 Salina Cruz Mx 64-16 154 - 160 142 – 147

USA 1 64-22 161 - 166 149 – 155

AC30 Nicaragua 64-16 152 - 158 140 – 145

USA 2 70-22 159 - 164 147 – 153

AC20 Tula Mx 64-16 156 - 162 144 – 149

60/70 Colombia 58-22 148 - 154 136 – 141

Ekbe Cadereyta Mx 64-22 154 - 160 142 - 147

Temperatura de MezcladoViscosidad Rotacional = 0.17 ± 0.02 Pa·s

Temperatura de CompactaciónViscosidad Rotacional = 0.28 ± 0.03 Pa·s


1 10 100

2x105

4x105

6x105

8x105

106


0

Eta'

Viscosidad

(P)

, (rad/s)

• Prueba oscilatoria.

• Deformación ó Esfuerzo constante.

• Cambia frecuencia o velocidad de corte

• Paso 2. Determinar Viscosidades a Corte Cero a las temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos convencionales.

Parte experimental


✓Paso 2a. Barridos de frecuencia en DSR.• Asfalto Original.

• 0.1 a 100 rad/s.

• 120 Pa.

• 90 a 170˚C.

Parte experimental


✓Paso 2b. Curva VCC vs Temperatura.• Una para cada asfalto.

• 120 Pa.

• 90 a 170˚C.

Parte experimental


✓Paso 2c. Valor de VCC a temperaturas de mezclado y compactación para cada uno de los asfaltos convencionales.

Temperatura de mezclado Temperatura de compactación

Log (η0) 0.144 ± 0.02 0.249 ± 0.03

Parte experimental

• Paso 3. Determinar Temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos modificados mediante Viscosidad a Corte Cero VCC.

✓Paso 3a. Barridos de frecuencia en DSR.• Asfalto Original.

• 0.1 a 100 rad/s.

• 120 Pa.

• 100 a 180˚C.

Parte experimental


✓Paso 3b. Curva VCC vs Temperatura.• Una para cada asfalto.

• 0.1 a 100 rad/s.

• 120 Pa.

• 100 a 180˚C.

Parte experimental

Curvas de Viscosidad a Corte Cero VCC vs Temperatura para los asfaltos modificados.

Parte experimental


✓Paso 3c. Determinar temperaturas de mezclado y compactación para cada uno de los asfaltos modificados.

Temperatura de mezclado Temperatura de compactación

Log (η0) 0.144 ± 0.02 0.249 ± 0.03



Índice

• Introducción.

• Hipótesis.


• Resultados.

• Conclusiones.

Resultados

En las siguientes tablas se muestran las temperaturas de mezclado ycompactación de los asfaltos modificados determinadas con la Viscosidada Corte Cero.

Columnas:

• Viscosidad Rotacional VR. Son las temperaturas de mezclado ycompactación determinadas con el viscosímetro rotacional mediante elmétodo tradicional.

• Experiencia. Son las temperaturas que regularmente se recomiendanpara este tipo de asfaltos, se han calculado con trabajos realizadosdurante 15 años y valores de módulo resiliente con los que se hadeterminado que a estas temperaturas se obtienen las mejorespropiedades mecánicas. Solo aplican para esos asfaltos modificados enespecífico.

• Viscosidad a Corte Cero VCC. Son las temperaturas de mezclado ycompactación calculadas con los valores obtenidos en el reómetro decorte dinámico empleando la Viscosidad a Corte Cero Log(ηo).

Resultados

Temperaturas de mezclado para asfaltos modificados.

Temperatura de mezclado (˚C)

determinada por

Asfalto PG δ

(˚)

Viscosidad

Rotacional VR

Experiencia Viscosidad a Corte

Cero VCC

Modificado 1 76-16 62.89 179 – 185 167 – 173 170 – 174

Modificado 2 82-16 57.71 184 – 190 172 – 178 171 – 175

Modificado 3 70-16 67.72 172 – 179 165 – 171 164 – 168

Modificado 4 88-16 51.81 190 – 194 No

disponible

172 – 176

Modificado 5 76-16 74.81 176 – 184 No

disponible

166 – 170

Modificado 6 76-16 74.26 168 – 174 No

disponible

162 – 166

Resultados

Temperaturas de compactación para asfaltos modificados.

Temperatura de compactación (˚C)

determinada por

Asfalto PG δ

(˚)

Viscosidad

Rotacional VR

Experiencia Viscosidad a Corte

Cero VCC

Modificado 1 76-16 62.89 169 – 173 157 – 163 162 – 166

Modificado 2 82-16 57.71 173 – 177 162 – 168 164 – 168

Modificado 3 70-16 67.72 162 – 165 155 – 161 156 – 160

Modificado 4 88-16 51.81 178 – 182 No

disponible

165 – 169

Modificado 5 76-16 74.81 163 – 167 No

disponible

158 – 162

Modificado 6 76-16 74.26 159 – 162 No

disponible

154 – 158



Índice

• Introducción.

• Hipótesis.


• Resultados.

• Conclusiones.

Conclusiones

• Debido a que el método constructivo tiene gran influencia en ladurabilidad de una mezcla asfáltica es de suma importanciacontar con un método de selección de temperaturas de trabajoque ofrezca mayor certeza cuando se trabaja con asfaltosmodificados.

• Como resultado del trabajo de investigación se desarrolló unmétodo y se establecieron valores de VCC para determinartemperaturas de mezclado y compactación, este procedimientoestima el comportamiento reológico de los asfaltos y no se velimitado por las condiciones de trabajo como por ejemplo lavelocidad de corte.

Conclusiones

• Las temperaturas de mezclado y compactación determinadasmediante la Viscosidad a Corte Cero son similares a las que sedeterminaron por experiencia demostrando que el métodopropuesto puede determinar temperaturas de trabajo confiablesen algunos minutos, algo que por experiencia ha tomado añosde trabajo.

• El método ha demostrado que a pesar de las diferencias entrelos asfaltos modificados como módulos reológicos yprincipalmente ángulos de fase, es capaz de determinar lastemperaturas de mezclado y compactación de manera confiable,lo que lo hace aplicable para cualquier tipo de asfalto virgen omodificado.

MUCHAS GRACIASIng. Israel Sandoval Navarro

[email protected]

Autor desconocido

RETOS Y OPORTUNIDADES EN EL MUNDO DEL ASFALTO

Guadalajara, Jalisco, México del 25 al 29 de Noviembre de 2019

xxcila.mx

Temática de Trabajos Técnicos

1. Materiales asfálticos.

2. Materiales pétreos.

3. Mezclas asfálticas en caliente.

4. Mezclas Asfálticas a baja temperatura.

5. Proyecto estructural de pavimentos.

6. Construcción y conservación de pavimentos.

7. Ecoeficiencia en la pavimentación.

8. Gestión de activos.

9. Formación de recursos humanos.

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