evaluacion del comportamiento a la fatiga de mezclas asfalticas convencional y modificado con...

EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO A LA

FATIGA DE MEZCLAS ASFALTICAS

CONVENCIONAL Y MODIFICADO CON POLIMERO SBS.

Autores:

Jorge Rodolfo Escalante Zegarra

José Leomar Fernandes Junior

OBJETIVOS

Establecer los ligantes asfálticos indicados para uso en la pavimentación asfáltica en las diferentes regiones del Perú (mapa de PG) y establecer el grado de desempeño (PG) de los ligantes asfálticos peruanos convencional PEN 60/70 y modificado con polímero SBS.

Evaluar el comportamiento a la fatiga de mezclas asfálticas realizadas con

CAP Convencional PEN 60/70 AMP-SBS (Betutec)AMP-SBS (PG 76 -22)

sin envejecimiento y con envejecimiento a corto plazo.

PROGRAMA EXPERIMENTAL

1) Determinación del grado de desempeño PG para las diferentes regiones del Perú y determinacion del ligante asfaltico adecuado para atender las condiciones de clima y transito de Perú;

2) Modificación del ligante asfáltico con polímero SBS y determinación de las propiedades de los asfaltos utilizados por el método convencional y Superpave;

3) Determinación de las propiedades del agregado utilizado;

4) Determinación del comportamiento a la fatiga de las mezclas asfálticas producidas.

Determinación del grado de desempeño de ligantes asfálticos para el Perú

120 estaciones meteorológicas (25 años) – Senamhi-Peru

TEMPERATURAS MÁXIMAS (Txx) - Tres modelos (SHRP original, LTPP Bind y FHWA)

TEMPERATURAS MÍNIMAS (Tyy) - Cuatro modelos (SHRP original, C-SHRP, LTPPBind y FHWA)

El país presenta 28 tipos de clima, de los 32 establecidos por Thornthwaite, constituyéndose en un país mega-climático.

Region de la Sierra: necesita de un ligante asfáltico con PG 58 -22

Región de la Costa y Selva: necesita de un ligante asfáltico con PG 70 -10

Sin considerar la velocidad y el volumen de transito

Por recomendación del C-SHRP el PG mas critico para las condiciones climaticas y de transito del Perú fue determinado como PG 76 -22

Con base en el PG calculado fue producido el AMP PG 76 -22


Agregados

Fueron determinados sus propiedades de origen y conceso.

Ligantes asfálticos

Cemento Asfáltico de Petróleo convencional PEN 60/70, proveniente de la Refinería Conchan – Lima – Perú;

Cemento Asfáltico de Petróleo modificado con polímero SBS (Betutec), proveniente de la empresa Tecnología de Materiales (TDM-Asfaltos) – Perú;

Cemento Asfáltico de Petróleo modificado con polímero SBS (PG 76 -22) producido en esta investigación, teniendo como materia prima el cemento asfáltico de petróleo peruano PEN 60/70 y el polímero SBS.


CARACTERÍSTICAS UNIDAD

LIGANTE ASFÁLTICO MÉTODOS

PEN 60 / 70AMP

BETUTECAMP

PG 76 -22ABNT ASTM

Penetración (100 g, 5s, 25ºC) 0,1mm 60 49 56 NBR 6576 D 5

Punto de ablandamiento ºC 51 66 68 NBR 6560 D 36

Viscosidad Brookfield cP

a 135ºC, splinde 21, 20 rpm, 455 1383 1089 NBR 15184 D 4402

a 155ºC, spindle 21, 20 rpm 178 485 581 NBR 15184 D 4402

a 175 ºC, spindle 21, 20 rpm 81 222 278 NBR 15184 D 4402

Temperatura de Corte Dinamico ºC 64 76 76 P 246

G* kPa 1,975 1,445 1,017 P 246

δ ° 81,16° 64,75° 64,09° P 246

Corte Dinámico G*/senδ ≥ 1 KPa kPa 1,999 1,598 1,130 P 246

Despues envejecimiento RTFOT

Perdida de masa % massa -0,518 -0,312 -0,304 D 2872

Temperatura de Corte Dinámico ºC 70 76 76 P 246

G* kPa 3,248 3,523 3,254 P 246

δ ° 76,28° 59,13° 59,05° P 246

Corte Dinámico G*/senδ ≥ 2,2 KPa kPa 3,343 4,104 3,794 P 246

Despues envejecimiento RTFOT / PAV

T° de Corte dinámico G* senδ ≤ 5000 KPa °C 22 19 19 P 246

Rigidez a la fluéncia BBR S≤ 300MPa e m ≥0,3 °C-22 -22 -22

D 6648


Mezclas Asfálticas

20% de piedra de 3/4”, 20% de piedra de 3/8” y 60% de arena chancada.


Temperaturas de mezcla y compactaciónCAP - ASTM D 2493 (T. M. 170 ± 20 cP, T. C. 280 ± 30 cP)AMP - Fajas de viscosidad recomendada por el fabricante

Ensayo marshallDosificación controlada de agregados para cada cuerpo de prueba

Los contenidos de diseño de ligante asfáltico fueron obtenidos en dos condiciones: sin envejecimiento y con envejecimiento a corto plazo

Moldado de los cuerpos de pruebafueron moldados con el contenido óptimo de diseño calculado para cada condición de envejecimiento y tipo de ligante asfáltico


Ensayo de Fatiga por compresión diametral

24 horas a la temperatura de ensayo (25°C)Carga de ensayo: 20%, 30%, 40% y 45% de la RTCritério de falla: Ruptura

Desplazamiento vertical ≥ 6 mmRéplica para cada condición experimental (Total 72 CP)

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Distribución del grado de desempeño de ligantes asfálticos para el Perú

Para las regiones de costa, selva y parte de los valles interandinos, los ligantes asfálticos indicados por las condiciones climatologicas son el PG 64-10 y PG 70-10.

Para la región de la Sierra, con relevo natural muy accidentado por la cordillera de los Andes, con climas variados, temperaturas que dependen de la altitud del local, los ligantes asfálticos indicados son: PG 58-10, PG 58-16, PG 58-22, PG 52-10, PG 52-16, PG 52-22. Siendo que por las condiciones geográficas y climatologicas de la sierra es recomendable utilizar un asfalto con PG 58 -22.

Por recomendación del C-SHRP el PG mas critico para las condiciones climaticas y de transito del Perú fue determinado como PG 76 -22


Grado de desempeño PG de ligantes asfálticos estudiados

PG 64 -22PG 64 -22 PG 76 -22PG 76 -22 PG 76 -22PG 76 -22

Clasificación Superpave de los Ligantes Asfálticos

64

76 7670

76 76

22 19 19

-22 -22 -22-40

-20

0

20

40

60

80

100

PEN 60/70 Betutec PG 76 -22

Ligante Asfáltico

Tem

per

atu

ra (

ºC)

G*/senδ virgen G*/senδ despues RTFOT G*.senδ despues RTFOT/PAV BBR


Ensayo de vida a la fatiga

Modelo de Fatiga sin envejecimiento

100

1000

10000

100000

0,10 1,00 10,00

Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)Nu

me

ro d

e a

plic

ac

ion

es

d

e c

arg

a (

N)

Asfalto PEN 60/70 Betutec

AMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60/70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)

Modelo de Fatiga sin envejecimiento

100

1000

10000

100000

1,000E-05 1,000E-04 1,000E-03

Deformación resiliente εiNú

me

ro d

e a

plic

ac

ion

es

d

e c

arg

a (

N)

Asfalto PEN 60/70 Betutec AMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60/70)Potencial (Betutec ) Potencial (AMP PG 76 -22)


Modelo de Fatiga con 2 h de envejecimiento

100

1000

10000

100000

1,00 10,00Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)N

um

ero

de

ap

lica

cio

ne

s

de

ca

rga

(N

)

Asfalto PEN 60/70 BetutecAMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60/70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)


100

1000

10000

100000

1,000E-05 1,000E-04 1,000E-03

Deformación resiliente εiNu

me

ro d

e a

plic

ac

ion

es

d

e c

arg

a (

N)

Asfalto PEN 60-70 BetutecAMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60-70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)



100

1000

10000

100000

1,00 10,00Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)Nu

me

ro d

e a

plic

ac

ion

es

d

e c

arg

a (

N)



100

1000

10000

100000

1,000E-05 1,000E-04 1,000E-03

Deformación resiliente εi

Nu

me

ro d

e a

plic

ac

ion

es

d

e c

arg

a (

N)


Los modelos de Fatiga obtenidos presentaron excelentes valores de R² (> 0.97)


Asfalto Sin envejecimientoCon 2 horas de envejecimiento

Con 4 horas de envejecimiento

PEN 60/70N=3490,8(1/Δσ)4,2683 N=26600(1/Δσ)4,1743 N=82292(1/Δσ)4,8964

N=6,0x10-14(1/εi)4,2683 N=5,0x10-14(1/εi)4,1743 N=4,0x10-17(1/εi)4,8964

AMP BetutecN=12779(1/Δσ)4,6417 N=158831(1/Δσ)5,2113 N=458010(1/Δσ)5,9932

N=5,0x10-15(1/εi)4,6417 N=5,0x10-18(1/εi)5,2113 N=2,0x10-21(1/εi)5,9932

AMP PG 76 -22N=16924(1/Δσ)4,0476 N=395175(1/Δσ)4,9262 N=116237(1/Δσ)4,4286

N=4,0x10-13(1/εi)4,0476 N=7,0x10-17(1/εi)4,9262 N=7,0x10-15(1/εi)4,4286

Los modelos generados de fatiga calculada para los tres asfaltos utilizados y para todas las condiciones de envejecimiento fueron utilizados para el cálculo de vida a la fatiga através de un analisis mecanístico.


Análisis mecanística

Realizado con ayuda del programa computacional ELSYM5.Fueron asumidas dos estructuras de pavimento muy utilizadas en vias de

alto volumen de transito en el Perú



Resultados para carpeta con 10 cm de espesor.

Condición ModeloMR

(kgf/cm2)Δσ

(Mpa)N

Ligante Asfáltico: CAP PEN 60/70

Sin envejecimiento

Con 2 h. de envejecimientoCon 4 h. de envejecimiento

N=3490,8(1/Δσ)4,2683

N=26600(1/Δσ)4,1743

N=82292(1/Δσ)4,8964

213534422957502

0,83831,22881,3991

74111125515894

Ligante Asfáltico: AMP BETUTEC

Sin envejecimiento


N=12779(1/Δσ)4,6417

N=158831(1/Δσ)5,2113

N=458010(1/Δσ)5,9932

233485105861893

0,8801,32041,4491

231313731749588

Ligante Asfáltico: AMP PG 76 -22

Sin envejecimiento


N=16924(1/Δσ)4,0476

N=395175(1/Δσ)4,9262

N=116237(1/Δσ)4,4286

311946524955213

1,02731,48561,3719

151765623028655



Los resultados mostraron que los AMP presentaron mayor vida a la fatiga que el CAP convencional.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Vid

a a

la F

ati

ga

(N

)

CAP PEN 60/70 Betutec AMP PG 76 -22

Ligante Asfáltico

Vida de Fatiga de las mezclas estudiadas

Sin envejecimiento Con 2 h de envejecimiento Con 4 h de envejecimiento



Resultados para carpeta con 7,5 cm de espesor.

Condición ModeloMR

(kgf/cm2)Δσ

(Mpa)N

Ligante Asfáltico: CAP PEN 60/70

Sin envejecimiento


N=3490,8(1/Δσ)4,2683

N=26600(1/Δσ)4,1743

N=82292(1/Δσ)4,8964

213534422957502

0,94841,45271,6782

437755966523

Ligante Asfáltico: AMP BETUTEC

Sin envejecimiento


N=12779(1/Δσ)4,6417

N=158831(1/Δσ)5,2113

N=458010(1/Δσ)5,9932

233485105861893

1,00101,57331,7461

127201497216222

Ligante Asfáltico: AMP PG 76 -22

Sin envejecimiento


N=16924(1/Δσ)4,0476

N=395175(1/Δσ)4,9262

N=116237(1/Δσ)4,4286

311946524955213

1,18921,79581,6416

83932209312942



Los resultados mostraron que la reducción del espesor de la carpeta de 10 cm a 7,5 cm hizo que la vida a la fatiga se reduzca en aproximadamente 50%.

0

5000

10000

15000

20000

25000

Vid

a a

la F

ati

ga

(N

)

CAP PEN 60/70 Betutec AMP PG 76 -22

Ligante Asfáltico

Vida de Fatiga de las mezclas estudiadas

Sin envejecimiento Con 2 h de envejecimiento Con 4 h de envejecimiento

CONCLUSIONES

Fue establecido el mapa de distribución del PG del ligante asfáltico para las diferentes regiones del Peru;

Se concluyo que para la Region de la Sierra se necesita de un ligante asfáltico con PG 58 -22 y para las regiones de la Costa y Selva, de un ligante asfáltico con PG 70 -10. Sin considerar el volumen y velocidad de trafico.

Distribuición del Grado de Desempeño – PG

Ligante Asfaltico

Los ligantes asfálticos modificados por polímero presentaron mejor comportamiento que el ligante asfáltico convencional, presentando bajo índice de susceptibilidad térmica, mayor grado de desempeño PG y mayor resistencia al envejecimiento, asi como propiedades de elasticidad que incrementan la resistencia a la fatiga.

CONCLUSIONES

El control riguroso de la granulometria, utilizando todas las mallas especificadas por el Superpave, resulto en una buena repetibilidad en los resultados de los ensayos mecánicos.

Granulometria de la Mezcla

Vida a la Fatiga

Los resultados del análisis mecanístico mostraron que los AMP presentaron vidas a la fatiga mayores que el CAP PEN 60/70, para todas las condiciones de envejecimiento.

AGRADECIMIENTOS

GraciasGracias

Jorge Rodolfo Escalante ZegarraGrupo TDM - Universidade de Sao Paulo / EESC

Lima, Perú[email protected]@gmail.com

José Leomar Fernandes JuniorUniversidade de Sao Paulo /EESC

Sao Carlos - SP, [email protected]

mailto:[email protected]



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