SUPERPAVE

SUPERPAVEUNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL ARQUITECTURA Y URBANISMOTECNOLOGIA DEL ASFALTOGENERALIDADESLos mtodos y especificaciones utilizadas actualmente en nuestro pas para el desarrollo de mezclas asflticas en caliente, y aun cuando en general cumplen su funcin adecuadamente, tienen una serie de limitaciones las cuales no nos permiten predecir con la precisin suficiente el comportamiento del pavimento durante su perodo de servicio.

Es por esto que Estados Unidos, que antes utilizaba sistemas similares al nuestro, financi una investigacin realizada a travs del Programa Estratgico de Investigacin en Carreteras SHRP (Strategic Highway Research Program), efectuada entre 1987 y 1993 con un costo aproximado de USD 50.000.000, a fin establecer un nuevo sistema que ayudara a predecir mejor el desempeo de los pavimentos a lo largo de su vida til.

El resultado final del SHRP fue el desarrollo de SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavements), un sistema que incluye nuevas especificaciones para los materiales (asfaltos y agregados), como as tambin nuevos ensayes de laboratorio y un renovado mtodo de diseo para las mezclas asflticas en caliente.SISTEMA SUPERPAVELos asfaltos, SUPERPAVE establece nuevos ensayos orientados a medir las propiedades reolgicas de stos y de relacionarlas con el desempeo que tienen frente a los tres tipos de fallas ms clsicas que ocurren en los pavimentos durante su vida til:

AhuellamientoAgrietamiento por fatigaAgrietamiento trmico

Adems, SUPERPAVE define para los cementos asflticos tradicionales una nueva clasificacin por Grado de Desempeo, tambin denominada Clasificacin PG (Performing Grading).

Con las especificaciones SUPERPAVE, los ensayes a los ligantes se realizan a distintas temperaturas, lo que permite identificar la temperatura crtica en la que cada ensaye alcanza su valor lmite especificado.

Es as como la clasificacin de los Cementos Asflticos por Grado de Desempeo (PG) establecida por SUPERPAVE se d la siguiente forma generalizada:

PG XX YY

Donde: PG: Nomenclatura utilizada para la clasificacin por Grado de Desempeo.XX: Temperatura mxima de diseo del pavimento (C)YY: Temperatura mnima de diseo del pavimento (C)

Por ejemplo, un asfalto PG 5828 se puede utilizar en un proyecto donde la temperatura mxima de diseo del pavimento sea de 58C y la mnima de -28C. Las temperaturas de diseo del pavimento para un proyecto en particular (temperatura mxima y mnima) se calculan mediante un algoritmo definido por SUPERPAVE y que usa los datos climatolgicos de la zona donde se ubica el proyecto.TIPOS DE ASFALTOLos asfaltos comnmente usados en la construccin de pavimentos flexiblespueden dividirse en tres tipos:

Cemento asflticoAsfalto emulsificadoAsfalto cutback

Cemento AsflticoA temperatura ambiente el cemento asfltico es negro, pegajoso, semislido, y altamente viscoso. Es un cemento fuerte y durable con excelentes caractersticas adhesivas e impermeables. Tambin es muy resistente a la accin de muchos cidos, lcalis y sales.Los grados del cemento asfltico, basados en su consistencia, son disponibles comercialmente. Para clasificar o definir la gradacin del cemento asfltico se usan tres mtodos basados en:La penetracin, ViscosidadPerformance.Asfalto Emulsificado

El asfalto emulsificado es una mezcla de cemento asfltico con agua y un agente emulsificador. El cemento asfltico no se disuelve en agua. El cemento asfltico caliente y agua con contenido de agente emulsificador son sometidos a presin a travs de un molino coloidal para producir glbulos o gotas de cemento asfltico extremadamente pequeos (menos que 5-10 micrones) que son suspendidas en agua. El agente emulsificante reparte una carga elctrica en la superficie de la gota que causa su repulsin uno a otro, y as los glbulos son impedidos de cohesionarse. Una vez mezclado la emulsin con el agregado se produce el rompimiento de la emulsin cohesionndose las partculas de asfalto y liberando el agua. Los asfaltos emulsificados se categorizan como asfaltos lquidos porque, a diferencia de los cementos asflticos, ellos son lquidos a temperatura ambiente.Asfalto Cutback

Los cutbacks son asfaltos lquidos a temperatura ambiente que se preparan incorporando (cutting back) solventes de petrleo (cutter stock o diluentes) al cemento asfltico. Esto se hace para reducir la viscosidad del asfalto para aplicaciones a inferiores temperaturas. Una vez mezclado con el agregado se produce la evaporacin del solvente, abandonando el residuo de cemento asfltico. En funcin de la rapidez de la evaporacin del solvente (proceso de curado), los asfaltos cutback se dividen en tres tipos: de curado rpido, curado medio y curado lento.GRADACION DE CEMENTOS ASFALTICOSGradacin por Penetracin

La gradacin por penetracin del cemento asfltico est especificada en ASTM D946 y es controlada por el ensayo de penetracin. El ensayo de penetracin consiste en medir la penetracin de una aguja estndar dentro de una muestra de cemento asfltico a una temperatura, tiempo y carga estndar. Obviamente, a mayor penetracin, el cemento asfltico es ms blando. Los grados de penetracin estndar son cinco: 40-50, 60-70, 85-100, 120-150, y 200-300.Gradacin por Viscocidad

El segundo mtodo de clasificacin del cemento asfltico es por viscosidad, especificado en ASTM D3381. Este sistema de gradacin se basa en la viscosidad del cemento asfltico original o en la viscosidad del cemento asfltico luego de ser envejecido por el ensayo del pelcula fina en horno rotatorio, RTFO. Ambas viscosidades se miden y se reportan en poises. La viscosidad del cemento asfltico original incluye AC-2.5, AC-5, AC-10, AC-20, AC-30, y AC-40. El valor numrico indica la consistencia a 140F (60C) en cientos de poises. La viscosidad basada en el residuo de asfalto (AR) del ensayo de RTFO incluye AR-1000, AR-2000, AR-4000, AR-8000, y AR-16000. El valor numrico indica la viscosidad a 140F (60C) en poises.

Gradacin por Comportamiento

El tercer mtodo de clasificacin del ligante asfltico es por comportamiento o performance basado y desarrollado por la Strategic Highway Research Program (SHRP) en el sistema SUPERPAVE.

LIGANTE SUPERPAVELas especificaciones del ligante Superpave adoptaron muchos de los conceptos de las especificaciones PBA (Especificaciones de Asfalto basado en su Performance).

El avance ms significativo fue probablemente cambiar ensayos empricos por ensayos donde el ligante puede ser caracterizado a variaciones de temperaturas controladas obtenidas de campo.

Los ensayos de Remetro de:Corte Dinmico (DSR).Remetro de Viga de Flexin (BBR).Ensayo de Tensin Directa (DTT).

Reemplazaron a los ensayos de viscosidad, penetracin y ductilidad, respectivamente.

Junto con el envejecimiento en planta (RTFO) se adopt el envejecimiento durante la vida de servicio (PAV).COMPORTAMIENTO DEL ASFALTO

COMPORTAMIENTO DE LA RIGIDEZ CON LA TEMPERATURA IDEAL

COMPORTAMIENTO REALEl comportamiento real del pavimento se ilustra en la figura, se observa que a temperaturas extremas, el asfalto es frgil para temperaturas bajas y dctil para temperaturas altas. El asfalto se comporta durante su vida de servicio a temperaturas intermedias no siendo completamente frgil o dctil. Anlogamente sucede con la aplicacin de las cargas.ENSAYOS EMPRICOS DEL LIGANTEEl cemento asfltico histricamente se evalu con dos ensayos empricos; penetracin y viscosidad. Estos ensayos se desarrollaron a travs del tiempo, usando la experiencia con pavimentos asflticos.

Los ensayos de penetracin y viscosidad se desarrollaron durante una poca en la que el trfico era menor y las cargas aplicadas significativamente inferiores.

El peso de los camiones estuvo limitado a 72,000 lb y presin de llanta de 75 psi. En la actualidad, Los camiones exceden las 80,000 lb. y las presiones de llanta son de 125 psi. El incremento del 10% en el peso de los camiones puede no parecer significativo, pero resulta en un 40% de incremento en los esfuerzos aplicados al pavimento. Estos factores, junto con el incremento de la red vehicular somete a nuestros pavimentos asflticos a esfuerzos, resultando en deformaciones permanentes y fallas prematuras.ENSAYO DE PENETRACIN

El ensayo de penetracin mide la profundidad hasta la cual penetra una aguja normalizada de 100 g, a 25C durante 5 s en una muestra de asfalto.

La rigidez del asfalto se reporta en dcimas de milmetro. Este ensayo se realiza en asfaltos originales para determinar su grado de penetracin. Por ejemplo, si un asfalto es PEN 120-150 tendr un valor de penetracin en el asfalto original entre 120 y 150 dcimas de milmetro. En la figura se ilustra el procedimiento de ensayo.

Se tienen que realizar otros ensayos para complementar ste.

El ensayo del punto de inflamacinEnsayo de ductilidad Ensayo de pelcula fina en horno rotatorio.

Las ventajas del ensayo radican en que evala las propiedades del material a la temperatura promedio de servicio, bajo costo del equipo, poca dificultad y poco tiempo para obtener resultados.

Sin embargo, son muchas las desventajas asociadas al ensayo de penetracin, como el amplio rango de variacin de las propiedades de un PEN dado, a altas y bajas temperaturas, velocidad de corte variable y sobre todo que no es una medida fundamental necesaria para elaborar modelos mecansticos que predigan el comportamiento del pavimento entre otras.Son dos las viscosidades medidas: la viscosidad absoluta (60C) y viscosidad cinemtica (135 C). Ambas usan el principio de velocidad de flujo a travs de un rea conocida.

La viscosidad absoluta mide el tiempo que requiere el asfalto para fluir a travs de un tubo capilar calibrado a 60C, como el asfalto a esa temperatura es muy rgido, se requiere someter al vaco a la muestra para que el asfalto se mueva a travs del tubo en un tiempo razonable.

La viscosidad cinemtica se ensaya a 135C y mide el tiempo requerido para que un volumen fijo de lquido fluya, por capilaridad, a travs de un viscosmetro, a esa temperatura solo se requiere de la gravedad para que el asfalto fluya. La viscosidad cinemtica se calcula multiplicando el tiempo de flujo en segundos por el factor de calibracin del viscosmetro.

La viscosidad cinemtica es la relacin entre la viscosidad absoluta y la densidad de un lquido.

ENSAYO DE VISCOSIDADA diferencia de las especificaciones anteriores, la especificacin del ligante Superpave se basa directamente entre las propiedades fsicas bsicas del ligante y su comportamiento observado. El grado de comportamiento del ligante o performance graded (PG) se selecciona basado en las temperaturas extremas de servicio del ligante.

La diferencia entre los diferentes tipos de PG o grados del ligante vienen a ser las temperaturas mnima y mxima de servicio. Por ejemplo, un ligante clasificado como PG 58-34 se le evaluar fsicamente a 58C y 34C.

Se requiere mayor informacin para seleccionar el PG que debe tener el ligante en un lugar en particular. Se debe conocer el rea geogrfica, temperatura del pavimento y la temperatura del aire, variables que deben ser convertidas a la temperatura del pavimentoGRADO DE PERFORMANCE

TEMPERATURAS DEL PAVIMENTO

Los datos histricos medioambientales se convierten a temperaturas del pavimento.Los investigadores de la SHRP desarrollaron algoritmos para convertir temperaturas de aire altas y bajas a temperaturas de pavimento.La FHWA con el programa LTPP (Long Term Pavement Performance) desarroll un nuevo algoritmo basado en 30 estaciones medioambientales a lo largo de los EE.UU.

ConfiabilidadLa confiabilidad es el factor de seguridad que se incorpora en el Sistema de Gradacin PG basado en la confiabilidad de la temperatura. El 50% de confiabilidad en la temperatura representa el promedio de los datos de la estacin. La confiabilidad del 98% de temperatura se determina en funcin de la desviacin estndar a bajas temperaturasEl nivel del trfico y la velocidad tambin se consideran en la seleccin del grado de performance (PG). La Tabla 2.1 muestra las consideraciones de eleccin del ligante en funcin de la velocidad y nivel de trfico. Los grados de performance varan cada 6C, la Tabla 2.2 muestra los PG Superpave

ENSAYOS SUPERPAVE DEL LIGANTE

Los ensayos Superpave miden las propiedades fsicas que se pueden relacionar directamente con el comportamiento en campo por principios ingenieriles. Los ensayos se realizan a la temperatura de servicio del pavimento. En la Tabla se listan los nuevos equipos y el propsito para los que se utilizan.Equipos para Ensayos Superpave

Ensayos de Laboratorio Superpave Relacionadoscon su ComportamientoENSAYOS DE ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTOENSAYO DE PELCULA FINA EN HORNO ROTATORIO, RTFO AASHTO T240 ASTM D 2872

El ensayo de RTFO tiene dos propsitos. Uno es determinar la cantidad de masa de voltiles perdidos durante el proceso y el segundo es envejecer el asfalto que ser usado en ensayos posteriores.

El ensayo de Pelcula Fina en Horno Rotatorio, RTFO simula el envejecimiento corto del ligante, producido durante el transporte, manipuleo y produccin. En la prueba, el ligante en forma de pelcula fina es sometido a calentamiento y un flujo de aire.

El procedimiento de ensayo requiere de un horno elctrico con base circular giratoria (Foto 2.1). La base circular sujeta envases de muestra que rotan alrededor de su centro. Se aplicar flujo de aire dentro de cada envase de muestra con una boquilla ubicada en la parte inferior de la base rotatoria. El horno RTFO debe ser precalentado a la temperatura de envejecimiento de 163C, por un perodo mnimo de 16 horas antes de ser usado.

Foto 2.1 Ensayo de Pelcula Fina en Horno Rotatorio

Foto 2.2 Envases para ensayo RTFOLa prdida de masa es el promedio de los dos envases envejecidos RTFO y se expresa en porcentaje, segn la siguiente ecuacin:

El ensayo de Presin Vessel, PAV simula el envejecimiento largo del ligante, para un perodo de servicio entre 7 a 10 aos. Como el ligante es sometido a un envejecimiento largo (durante vida de servicio) debe haber sufrido envejecimiento corto (durante la mezcla y construccin), por lo que la muestra que se envejece en el PAV ser aquella que fue previamente envejecida en el RTFO.

El equipo de presin de envejecimiento consiste de una cmara de presin Vessel y un horno con corriente de aire a presin. La presin Vessel es diseada para operar bajo las condiciones de presin y temperatura del ensayo (2070 kPa y 90C, 100C 110C). En el portamuestras se pueden acomodar hasta diez muestras. Foto 2.3.

Foto 2.3 Equipo para ensayo de Presin de Envejecimiento VesselPRESIN DE ENVEJECIMIENTO VESSEL, PAV. AASHTO PP1ENSAYOS REOLOGICOSVISCOSMETRO ROTACIONAL, RV. ASTM D4402

El ensayo en el viscosmetro rotacional o de Brookfield es usado para determinar las caractersticas de flujo del ligante asfltico asegurando que puede ser bombeado y manipulado para la mezcla en caliente.

Como se muestra en la Foto 2.4, el viscosmetro rotacional est compuesto por un contenedor trmico, un controlador de temperatura, eje de extensin, llaves de control y lector digital. El viscosmetro automticamente calcula la viscosidad a la temperatura de ensayo.

Foto 2.4 Viscosmetro RotacionalLa viscosidad rotacional se calcula midiendo el torque requerido para mantener una velocidad constante de rotacin del vstago mientras est dentro de la muestra de asfalto a temperatura constante, Figura 2.5. Este torque se relaciona directamente con la viscosidad del ligante, que se calcula automticamente por el viscosmetro.

Esta viscosidad del ligante se usa para asegurar que el asfalto es lo suficientemente fluido durante el bombeo y mezcla con el agregado.

El ensayo se realiza en ligante original, y consiste en calentar aproximadamente 30 g de ligante en un horno a una temperatura no mayor de 150C hasta fluir.

Figura 2.5 Operacin del Viscosmetro RotacionalRemetro de Corte Dinmico, DSR. AASHTO TP5

El Remetro de Corte Dinmico, DSR determina el comportamiento elsticoviscoso del ligante a travs del Mdulo de Corte Complejo, G* y el ngulo de fase, para temperaturas altas e intermedias.

El ensayo consiste en colocar la muestra de asfalto entre dos platos paralelos, uno que es fijo y el otro oscilante, Figura 2.6.

El movimiento del plato oscilante es de A a B; de B a C pasando por A; y de C a A. Esta oscilacin es un ciclo y se repite constantemente durante la operacin de DSR. Todos los ensayos en ligante Superpave se hacen a una frecuencia de 10 rad/s que es aproximadamente igual a 1.59 Hz (ciclos por segundo).

Figura 2.6 Operacin del Remetro de Corte DinmicoLas frmulas usadas por el software del remetro para calcular mx y mx son:

Fig. 2.8 Comportamiento Esfuerzo-Deformacin de materialviscoelstico: 0 < < 90Donde:T torque mximo aplicador radio del espcimen (cualquiera de los dos 12.5 4 mm) ngulo de rotacin, yh altura del espcimen (cualquiera de los dos 1 2 mm)

REMETRO DE VIGA DE FLEXIN, BBR. AASHTO TP1

El Remetro de Viga de Flexin, BBR determina la propiedad del ligante a bajas temperaturas. El BBR se usa para medir cmo el ligante se deflecta o fluye bajo carga y temperatura constante.

Las temperaturas de ensayo en el BBR se relacionan a las temperaturas de servicio mnimas del pavimento, cuando el asfalto acta mas como un slido elstico. De esa manera, el ensayo se realiza sobre ligante doblemente envejecido en RTFO y PAV.

Figura 2.9 Ensamblaje del espcimen de ensayoLas partes del equipo son: un marco de carga, bao de temperatura controlada, y el sistema de control de computadora y adquisicin de datos.

El espcimen tiene las dimensiones mostradas en la Figura 2.9. Antes de verter la muestra en el molde debe ser calentado hasta fluir (usualmente alrededor de 135C, pero no debe exceder los 163C). Luego de un perodo de enfriamiento entre 45 a 60 minutos, el exceso de asfalto es cortado. El espcimen de asfalto permanece en el molde por un perodo no mayor de 2 horas. Desmoldar el espcimen y acondicionarlo por 60 minutos a la temperatura de ensayo dentro de un bao. Luego del perodo de acondicionamiento la viga se ensaya.

Figura 2.10 Ensayo de Viga de Flexin, BBR

Superpave especifica que la rigidez del ligante sea menor a 300 MPa. En caso que la rigidez se ubica entre 300 y 600 MPa, comportamiento poco dctil del ligante a baja temperatura, deber realizarse el ensayo de Tensin Directa, DTT a la temperatura mnima incrementado en 10C con el ligante envejecido, PAV.ENSAYO DE TENSIN DIRECTA, DTT. AASHTO TP3

Numerosos estudios del comportamiento del ligante a bajas temperaturas muestran que existe una fuerte relacin entre la rigidez del ligante asfltico y la cantidad de elongamiento que el ligante puede sufrir antes de romperse.

Los asfaltos que experimentan considerables elongamientos antes de la falla son llamados dctiles; y los que se rompen a poca distancia se llaman frgiles.

Es importante que el ligante asfltico sea capaz de elongarse una cantidad mnima El equipo que mide la cantidad de deformacin del ligante antes de la falla a temperaturas muy bajas es el ensayo de tensin directa, DTT.

El ensayo se realiza a un rango de temperatura entre 0C a 36C. El ligante debe ser doblemente envejecido por RTFO y PAV.

El ensayo DTT consiste en jalar un espcimen de asfalto hasta que falle. La Elongacin a la que falla, se usa para calcular la deformacin de falla, que es un ndice que despeja la duda de cmo se comportara el ligante (frgil o dctil) a bajas temperaturas de ensayo. La Fig. 2.12 ilustra el procedimiento de ensayo.Figura 2.12 Ensayo de Tensin Directa, DTT

Figura 2.13 Curva Esfuerzo-DeformacinSe ensayan cuatro muestras para cada ensayo. El espcimen tiene aproximadamente 3 gramos y 100 mm de largo, incluyendo los extremos de soporte. El equipo consta de una mquina universal de ensayo para aplicar carga, un sistema de medida de elongacin, y un sistema de control medioambiental. La mquina universal debe ser capaz de aplicar por lo menos 500 N a razn de 1.0 mm/minuto.El esfuerzo en falla (f) es la carga en falla dividido entre el rea de su seccin transversal del espcimen, A, (36 mm2). Las especificaciones requieren que la deformacin en falla debe ser por lo menos 1% de la falla.EJEMPLO DE APLICACIN:El ligante del proyecto elegido es PG 58-22, los resultados de ensayos en laboratorio y especificaciones se muestran en la Tabla 2.4.

En la Tabla 2.5 se muestran las especificaciones Superpave para los diferentes grados de performance (PG).ESPECIFICACIONES SUPERPAVE

Tabla 2.5 Especificaciones del Ligante Superpave

GRANULOMETRIA PARA SUPERPAVEGRADACIN PARA MEZCLA SUPERPAVE

En las Tablas 423-04 y 423-05 del manual EG-2013 del Ministerio de Trasporte se especifican las caractersticas que deben cumplir las mezclas de agregados para tamao nominal mximo del agregado de 19 y 25 mm respectivamente.

La curva granulomtrica del agregado debe quedar dentro de los puntos de control y principalmente fuera de la zona restrictiva. Se recomienda que la curva pase por debajo de esta zona restrictiva.

El tipo de asfalto a utilizar en estas mezclas, debe ser segn clasificacin superpaveSHRP, AASHTO (MP-320, MP-1); as mismo la calidad de los agregados deber regirse a lo establecido por la metodologa SHRP.

TABLA 423-04GRADUACIN SUPERPAVE PARA AGREGADO DE TAMAO NOMINAL MXIMO DE 19 MM.

TABLA 423-05GRADUACIN SUPERPAVE PARA AGREGADO DE TAMAO NOMINAL MXIMO 25 MMMEZCLAS DE AGREGADOSLas caractersticas de calidad de la mezcla asfltica, debern estar de acuerdo con las exigencias para mezclas de concreto bituminoso, segn corresponda al tipo de mezcla que se produzca, de acuerdo al diseo del proyecto.

Para zonas de alturas mayores a 3000 msnm. zonas hmedas y lluviosas; la efectividad, compatibilidad y alto rendimiento del aditivo entre el par asfalto agregado en cada uno de los diseos de mezcla, ser evaluado segn con la norma ASTM D-1075 y/o ASTM D-4867 (Lottman Modificado), debe obtener valores mnimos de ochenta por ciento (80%).

Para el caso de mezclas tipo superpave nivel 1, debern tenerse en cuenta los requerimientos de la Tabla 423-08, as como los solicitados en las Tablas 423-9 a 423-10 del manual EG-2013 del ministerio de Trasportes y comunicaciones.

TABLA 423-08VACOS MNIMOS EN EL AGREGADO MINERAL (VMA)Nota: Los valores de esta tabla sern seleccionados de acuerdo al tamao mximo de las mezclas que se dan en la Subseccin 423.02(c). Las tolerancias sern definidas puntualmente en funcin de las propiedades de los agregados.

TABLA 423-09MEZCLA ASFLTICA TIPO SUPERPAVEREQUERIMIENTOS GENERALES

TABLA 423-10MEZCLA ASFLTICA TIPO SUPERPAVEVACOS LLENOS CON ASFALTO (VFA)

TABLA 423-11MEZCLA ASFLTICA SUPERPAVEGIROS DE COMPACTACINGRACIAS