evoluciÓn del grado pg en la caracterizaciÓn de … · pavimentos de alto desempeño. ... este...

EVOLUCIÓN DEL GRADO PG EN LA CARACTERIZACIÓN DE ASFALTOS.

Ing. Israel Sandoval Navarro LASFALTO S. de R.L. de C.V.

Ing. Ignacio Cremades Ibáñez Lic. Fernando Mazin Cristo

SURFAX S.A. de C.V.

Ing. Edgar Ruiz Téc. Ramón Reynoso Téc. Ignacio Ramírez Téc. Miguel Alvarado

Téc. Daniela Alcántara LASFALTO S. de R.L. de C.V.

Sandoval / Cremades

3

EVOLUCIÓN DEL GRADO PG EN LA CARACTERIZACIÓN DE ASFALTOS. RESUMEN

Las metodologías para la caracterización de asfaltos para pavimentos, han intentado predecir, mediante diversos parámetros, el desempeño que éste tendrá en campo. Para no ir muy atrás en el tiempo, se comenzó con las pruebas empíricas como penetración, reblandecimiento, recuperación elástica por torsión o ductilómetro, entre otras. Posteriormente se implementaron pruebas y equipos más sofisticados como viscosímetros rotacionales y reómetros de corte dinámico, mediante los cuales se evalúan las propiedades reológicas del asfalto (propiedades fundamentales de los materiales), que predicen de manera más exacta, obteniendo resultados más confiables en cuanto al desempeño que éste tendrá en la mezcla y como consecuencia, en su comportamiento en el pavimento (como estructura íntegra).

Actualmente en México, el parámetro sen

G*

es empleado para medir la resistencia de los

asfaltos a la deformación permanente. Éste parámetro es parte de la clasificación de grado PG (Perfomance Grade), desarrollada en Estados Unidos por la FHWA (Federal Highway Administration) bajo el programa SHARP (Strategic Highway Research Program).

senG*

ha evolucionado a un nuevo parámetro: "Jnr " (Non Recoverable Creep Compliance),

que a su vez deriva de una prueba de MSCR (Multi Stress Creep and Recovery), la cual simula de mejor manera las condiciones de trabajo a las que el asfalto será sometido en el pavimento, haciendo énfasis en la resistencia a la deformación permanente. Esta metodología simula mejor el mecanismo de falla, siendo ciega a la naturaleza del asfalto, es decir, que un asfalto podrá ser aceptado siempre y cuando cumpla con las exigencias que han sido definidas para fines de garantizar la vida útil del proyecto. Adicionalmente se propone una clasificación por niveles de tráfico, así, un asfalto será seleccionado dependiendo de las condiciones del clima y del número de ejes equivalentes considerados en el proyecto.

En el presente trabajo se evalúan diferentes asfaltos mediante sen

G*

y Jnr, se determina su

clasificación bajo estos dos métodos y las condiciones de tráfico para las cuales podrían trabajar adecuadamente en el pavimento.

Evolución del grado PG en la caracterización de asfaltos

4

INTRODUCCIÓN La clasificación de asfaltos por grado PG ha tomado gran importancia en México en los últimos años, además de ser parte del protocolo AMAAC, procedimiento de diseño de pavimentos de alto desempeño. Es bien sabido que la metodología para clasificación de asfaltos por grado PG presenta algunas debilidades, ya que no permite discernir entre asfaltos que, aunque cumplen con el grado PG, no tendrán un buen desempeño en el pavimento en términos de su vida útil. Los asfaltos pueden ser endurecidos con productos que les permiten pasar el grado PG, pero que no por ello mejoran sus propiedades para un buen desempeño en el pavimento y peor aún, pueden generar asfaltos frágiles propensos al agrietamiento prematuro. En Estados Unidos, país en donde se originó e implementó la clasificación por grado PG, se ha evolucionado a técnicas mejoradas como la PG Plus con la intención de evitar el uso de asfaltos “endurecidos”. Dicha técnica exige que, no solo se solicite un grado PG para el asfalto, sino que adicionalmente se realice una prueba de recuperación elástica por ductilómetro. Recientemente en los Estados Unidos, se ha incorporado el parámetro “Jnr” con la finalidad de reforzar el grado PG, ya que predice de mejor forma el comportamiento futuro del asfalto en el pavimento. En México se ha vuelto relativamente común encontrar licitaciones en donde se combinan dos tipos de especificación a cumplir por el asfalto. Lo anterior ocurre posiblemente por tratar de asegurar el buen desempeño del mismo y evitar la utilización de asfaltos “endurecidos”. El uso combinado de la especificación de grado PG N-CMT-4-05-004/08 (tabla 2) y la especificación de asfalto “tipo” N-CMT-4-05-002/06 (tabla1), ha generado confusiones entre los usuarios de la norma, encareciendo además el análisis de los asfaltos (por tener que llevar a cabo más pruebas) y también afecta el ritmo de avance de la obra (por el tiempo que éstas implican).

Grado PG

(N-CMT-4-05-004/08) Asfaltos “Tipo”

(N-CMT-4-05-002/06)

Combinación de especificaciones

No. de Pruebas 8 16 24

Tiempo “X” “Y” “X” + “Y”

Más adelante nos referiremos al beneficio del cálculo con “Jnr”

Con la finalidad de mejorar la exactitud para predecir el desempeño futuro del asfalto en un

pavimento y que éste cumpla con la vida útil diseñada para el mismo, “Jnr” (Non-recoverable

Creep Compliance) existe como un parámetro efectivo y probado.

Sandoval / Cremades

5

“Jnr” es la deformación no recuperable (deformación permanente) generada al aplicar una

unidad de esfuerzo. Este valor es calculado de la siguiente manera:

aplicadoEsfuerzo

recuperadanonDeformacióJ nr

_

__

“A menor Jnr, menor será la deformación permanente al aplicar una carga”.

Este parámetro se calcula a partir de los datos obtenidos de la prueba de MSCR. Además, se cuenta con la ventaja de que en la actualidad, la mayoría de los reómetros empleados para

asfaltos pueden calcular “Jnr” de forma automática. La prueba MSCR se lleva a cabo en la

misma pastilla de asfalto RTFO con la que se determinó G*/senδ, a la misma temperatura PG

exigida por el proyecto. También se logra eficiencia en el tiempo de la obtención de los resultados de la prueba, ya que solo tarda 30 minutos adicionales como máximo.

Grado PG (N-CMT-4-05-004/08)

MSCR - Jnr PG + Jnr

No. de Pruebas 8 1 9

Tiempo “X” 30 minutos “X” + 30 min.

El uso de la clasificación por grado PG en conjunto con “Jnr”, reduce el número de pruebas a

realizar, tomando como base la combinación de especificaciones antes mencionada, disminuye el tiempo y el costo de estos análisis y lo más importante, ofrece información mucho más valiosa ya que permite evaluar las siguientes propiedades del asfalto:

Deformación permanente generada por unidad de esfuerzo.

Respuesta elástica.

Dependencia del comportamiento a diferentes niveles de esfuerzo.

Memoria elástica.

Capacidad elástica real.

Deformación total acumulada después de 20 ciclos. Éste conjunto de propiedades permite, a partir de las condiciones climatológicas existente en la zona del proyecto y del número de ejes equivalentes considerados para el mismo, seleccionar asfaltos óptimos. A continuación se expone de forma detallada la metodología de MSCR (Multi-Stress Creep

and Recovery), a partir del cual se calcula “Jnr“. Es importante recordar que esta prueba se

corre en la pastilla de asfalto RTFO en la que se determino G*/senδ y a la misma temperatura


6

por lo que no hay que manipular la muestra, requiriendo solo de un minuto de reposo antes de que inicie la prueba MSCR. PRUEBA DE CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO, MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery). Dicha prueba de MSCR consiste en:

1. Aplicar a un material un esfuerzo constante por un periodo de tiempo, causando con esto una deformación (Creep).

2. Se detiene la aplicación del esfuerzo y se deja que la estructura del material se recupere libremente de la deformación causada con el esfuerzo aplicado (Recovery).

3. Este ciclo (Creep – Recovery) se repite diez veces a un esfuerzo establecido. 4. Se repite el mismo proceso (inciso 1 a 3 anterior) a un esfuerzo superior.

A continuación se describe a detalle el protocolo de MSCR: Condiciones de la prueba:

El ensayo se realiza en la misma pastilla que se determino G*/senδ (Asfalto RTFO),

(platos paralelos de 25.0 mm de diámetro y 1.0 mm de “gap”).

La temperatura de prueba es la que se establezca en el proyecto: o Ejemplo (1): grado de desempeño PG76-XX, la prueba MSCR se realiza a 76°C. o Ejemplo (2): si se analiza un asfalto PG64-XX, la prueba debe realizarse a 64°C.

La muestra debe permanecer en reposo a la temperatura de prueba por lo menos un minuto antes correr el MSCR.

Se aplica un esfuerzo constante de 100 Pa durante 1.0 segundo (Creep). El esfuerzo máximo se alcanza en aproximadamente 0.02 segundos.

El lapso de recuperación es de 9.0 segundos a esfuerzo cero (Recovery).

Se llevan a cabo 10 ciclos a 100 Pa.

Se aplica un esfuerzo constante de 3200 Pa durante 1.0 segundo (Creep). El esfuerzo máximo se alcanza en aproximadamente 0.02 segundos.

Se llevan a cabo 10 ciclos a 3200 Pa. Es muy importante resaltar, que durante el periodo “recovery”, el reómetro de corte dinámico no realiza otra acción más que la de medir la respuesta del asfalto, por lo que las mediciones en el segmento de recuperación, dependen totalmente de la “memoria elástica” del asfalto.

Esto no ocurre en la metodología actual para determinar G*/senδ en la que el reómetro

se encarga de regresar el material a la posición original.

Sandoval / Cremades

7

0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

% S

tra

in

Tiempo global (seg.)

strain

creep 1.0 seg

Recovery 9.0 seg.

Ciclo Creep-Recovery 10 seg.

Fig. 1- Ciclo Creep-Recovery, 1.0 seg. a esfuerzo constante en el paso creep y 9.0 seg. en el segmento de recuperación a esfuerzo cero. La prueba de creep-recovery permite medir la memoria elástica del material.

0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Deformacion Permanente

% S

tra

in


strain

Deformacion total causada a esfuerzo 100 o 3200

Deformacion Recuperada

Fig.2- Deformación causada durante el segmento Creep. Deformación recuperada durante el periodo de Recovery. Deformación permanente o No recuperable, durante un ciclo Creep-Recovery. (%Strain= porcentaje de deformación.)


8

0 50 100 150 200

0

1000

2000

3000

4000

5000

Esfuerzo en Creep 3200 Pa

% S

tra

in


strain

Esfuerzo en Creep 100 Pa

Fig. 3- Ciclos Creep-Recovery a 100 Pa y, ciclos Creep-Recovery a 3200 Pa.

Al aplicar dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa, se puede evaluar la dependencia de la capacidad elástica del asfalto ante el esfuerzo de corte. La diferencia entre el comportamiento elástico del asfalto a los dos niveles de esfuerzo, junto con la deformación total alcanzada al final de la prueba, dan información sobre la estabilidad y fuerza de la estructura del asfalto.

0 20 40 60 80 100

10

100

1000

Deformación

No recuperada

Deformación recuperada

% S

tra

in

Tiempo (seg)

100 Pa

3200 Pa


Deformación

No recuperada

Fig.4- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto con estructura débil.

Sandoval / Cremades

9

0 20 40 60 80 100

1

10

100

Deformación

No recuperada


Deformación

No recuperada


% S

tra

in

Tiempo (seg)

100 Pa

3200 Pa

Fig.5- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto con estructura fuerte.

En la figura 4 se presenta la prueba Creep-Recovery de un asfalto con estructura débil, con baja respuesta elástica en la fase de 100 Pa, el mismo comportamiento se observa a 3200 Pa. Esto indica que la estructura del asfalto no es capaz de soportar el aumento en el esfuerzo aplicado. Se observa una acumulación de deformaciones importante. En la figura 5, en cambio, se presenta un asfalto con una estructura fuerte, la respuesta elástica en la fase de 100 Pa es alta. Así mismo la respuesta elástica a 3200 Pa también es elevada. Se observa claramente que la diferencia entre las respuestas elásticas en los dos niveles de esfuerzos 100 y 3200 Pa es pequeña, lo que indica que su estructura es resistente y no se ve afectada en gran medida por el aumento de esfuerzo y las deformaciones repetidas. La prueba se llevo a cabo a las mismas condiciones (temperatura, tiempo, ciclos, esfuerzos etc.) para los dos asfaltos de las figuras 4 y 5. Análisis de datos. En cada ciclo Creep-Recovery es necesario registrar cada uno de los siguientes parámetros:

ε0 Valor inicial para la deformación en el principio del segmento Creep para cada ciclo.

εc Valor de la deformación al final del segmento Creep para cada ciclo.

ε1 Valor de la deformación total causada durante el segmento Creep de cada ciclo, calculado

como εc- ε0 .


10

εr Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, es la

deformación total acumulada hasta este ciclo.

ε10 Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, calculado

como εr- ε0 , es la deformación no recuperada en cada ciclo.

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

% S

tra

in


strain

c

r

Creep

Recovery

Fig. 6-Datos a registrar en un ciclo Creep-Recovery.

Cálculos para obtener respuesta elástica: La respuesta elástica para cada uno de los ciclos a 100 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

1

101 100,100

NRE

De igual manera la respuesta elástica para cada uno de los ciclos a 3200 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

1

101 100,3200

NRE

Con estos resultados se calcula el promedio de las respuestas elásticas (RE) para los dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa, según las ecuaciones siguientes:

10/,100.),100(% NREpromRE N = 1 a 10

10/,3200.),3200(% NREpromRE N = 1 a 10

Sandoval / Cremades

11

El valor absoluto de la diferencia entre los porcentajes de respuesta elástica a 100 y 3200 Pa, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

.),3200(%.),100(%)3200100( promREpromREPaPaRdif

El valor obtenido muestra la susceptibilidad de la respuesta elástica a la variación del esfuerzo aplicado.

Un valor elevado en la susceptibilidad de la respuesta elástica al nivel de esfuerzo, indica debilidad en la estructura del asfalto.

Cálculos para Jnr (Non-Recoverable Creep Compliance) Para cada uno de los ciclos a 100 Pa es posible calcular Jnr,100 como sigue:

100

,100 10100,

NJ nr

De igual forma para cada uno de los ciclos a 3200 Pa es posible calcular Jnr3200 como sigue:

3200

,3200 103200,

NJ nr

Con estos resultados se calcula el promedio de Jnr para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa.

10/,100.),100( 100,100, NJpromJ nrnr N = 1 a 10

10/,3200.),3200( 3200,3200, NJpromJ nrnr N = 1 a 10

Diferencia en porcentaje entre Jnr a 100 y 3200 Pa

100.),100(

.),100(.),3200()3200100(

100,

100,3200,

promJ

promJpromJPaPaJnr

nr

nrnr

dif

Una diferencia grande de “Jnr” entre 100 y 3200 Pa, indica facilidad para acumular deformaciones, ocasionando con ello la formación de roderas en el pavimento. Es importante tomar en cuenta la deformación total acumulada al final de los 20 ciclos. Este dato pone de manifiesto la resistencia del asfalto a la deformación, así como su capacidad de recuperarse ante las deformaciones.


12

0 50 100 150 200

0

5000

10000

15000

20000 Asfalto con estructura debil

y baja recuperación elástica

0 20 40 60 80 100

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

% S

train

Tiempo global (seg)

% S

tra

in

Tiempo global (seg)

Primeros 10 ciclos

100 Pa

Asfalto con estructura fuerte

y alta recuperación elástica

Segundos 10 ciclos 3200 Pa

Fig.7- Deformación total acumulada o deformación permanente.

“Jnr” como herramienta para el diseño de pavimentos Como se explicó anteriormente, “Jnr” funciona en conjunto con la metodología actual de grado PG. El asfalto se selecciona de acuerdo al clima, tal y como lo designa el procedimiento de Superpave y a éste se le suma la variable del tráfico (número de ejes equivalentes) contemplado en el proyecto, de acuerdo a los siguientes niveles:

Temperatura Intensidad de tráfico (en ejes equivalentes)

Grado “Jnr,3200” RE3200 (%)

Seleccionada de acuerdo al mapa

de regiones geográficas (zonas por

clima)

No cumple > 4

< 3 millones Estándar (S) 2 a 4 ≥0

> 3 < 10 millones Pesado (H) 1 a 2 ≥25

> 10 < 30 millones Muy pesado (V) 0,5 a 1 ≥30

> 30 millones Extremo (E) ≥ 0,5 ≥40

RE3200: Respuesta elástica a 3200Pa.

Sandoval / Cremades

13

Entonces:

Si por clima se requiere un asfalto PG 70-22 y el tráfico esperado es mayor que diez pero menor que 30 millones de ejes equivalentes, el asfalto deberá cumplir un valor de “Jnr” entre 1,0 y 0,5 y por lo tanto, se clasificará como un PG 70-22V.

A continuación se presentan las posibles variantes, dependiendo del nivel de tráfico contemplado en el diseño. Para este ejemplo:

Ejemplo de clasificación por intensidad de tráfico para un PG 70-22

70-22 S Tráfico Estándar

70-22 H Tráfico Pesado

70-22 V Tráfico Muy Pesado

70-22 E Tráfico Extremo

De tal manera que la selección de un asfalto para un proyecto determinado va direccionada tanto por el clima como por los ejes equivalentes.

PARTE EXPERIMENTAL Para la realización de este estudio se emplearon cinco asfaltos diferentes. Este parámetro es “ciego” ante:

El proceso de producción por el cual ha pasado el asfalto.

Los productos que se han empleado para producirlo.

Estos asfaltos se identificaron como “A”, “B”, “C”, “D” y “F” y solo se hace referencia a ciertas características empíricas y a su desempeño. Además, se presentan los resultados de varios


14

asfaltos que se comercializan en México, para establecer una idea sobre el valor de “Jnr” que presentan. Todos estos asfaltos fueron clasificados como PG76-16, excepto el “A” que es PG64-16. Presentaron los siguientes resultados (se muestran los más relevantes):

Asfalto PG Ángulo de fase (RTFO) a PG

Recuperación elástica

Torsión Ductilómetro

A 64-16 76,91 6 4

B 76-16 58,40 53 63

C 76-16 75,34 29 20

D 76-16 68,79 12 8

F 76-16 66,70 54 73

ANÁLISIS EMPÍRICO Se realizo un análisis empírico a todas las muestras, que incluye las siguientes pruebas:

Prueba Método

Penetración a 25°C M-MMP-4-05-006/00 SCT

Penetración a 4°C M-MMP-4-05-006/00 SCT

Punto de Reblandecimiento M-MMP-4-05-009/00 SCT

Recuperación Elástica por Torsión a 25°C M-MMP-4-05-024/02 SCT

Recuperación Elástica por Ductilometro a 25°C M-MMP-4-05-026/02 SCT

Resilencia a 25°C M-MMP-4-05-023/02 SCT

Viscosidad Rotacional a 135°C M-MMP-4-05-005/02 SCT

Pruebas al Residuo de la Película Delgada en RTFO M-MMP-4-05-010/02 SCT

RESULTADOS

PRUEBA A B C D F

Penetración a 25°C (1/10mm) 51 43 46 45 36

Penetración a 4°C (1/10mm) 28 26 27 25 25 Reblandecimiento (°C) 50 63 57 58 60 Rec. Elástica por Torsión 25°C (%) 6 53 29 12 54

Resiliencia a 25°C (%) 2 22 18 20 25 Viscosidad Rotacional 135°C (cps) 462 1900 868 903 1170

Sandoval / Cremades

15

Pérdida de masa por calentamiento (%)

1,67 1,45 1,60 1,57 1,50



Reblandecimiento (°C) 57 74 69 70 75

Rec. Elástica por Ductilometro 25°C (%)

4 63 20 8 73

Viscosidad Rotacional 135°C (cps) 962 5171 8488 2288 3015

Los resultados del análisis empírico muestran:

Las diferencias existentes entre las muestras de asfaltos analizados, principalmente en las recuperaciones elásticas, por torsión y ductilometro.

Los asfaltos “B” y “F” presentan recuperaciones elásticas altas, a diferencia de los “A”, “C” y “D”, estos presentan recuperaciones elásticas bajas.

El punto de reblandecimiento presenta valores relativamente cercanos.

Otra diferencia notable se encuentra en la viscosidad rotacional, donde los valores más altos representan una mayor resistencia al flujo. Este es un factor importante para estimar la resistencia ante la deformación permanente.

Este tipo de análisis sólo da una idea de la consistencia del asfalto, pero no proporciona información sobre el desempeño futuro que tendrá el asfalto en el pavimento. CLASIFICACIÓN POR GRADO PG Se determinó el grado de desempeño empleando el método SHRP-SUPERPAVE conforme a la metodología AASHTO TP-5 o su homólogo en la normativa Mexicana M-MMP-4-05-025/02:

Prueba Método PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND ASTM D 92 VISCOSIDAD ROTACIONAL ASTM D 4402 MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO [G*/senδ] Y ÁNGULO DE FASE (δ) ASTM D 7175 PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO ASTM D 2872 MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO [G*senδ] ASTM D 7175 RIGIDEZ EN CREEP S(t) Y VALOR m(t) ASTM D 6648

RESULTADOS

PRUEBA A B C D F

PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND (°C) > 260 384 286 297 380 VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm (cP) 462 1900 868 903 1170

Análisis al asfalto original

MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO A 76°C [G*/senδ] (KPa) 1,51 (64°C) 1,62 1,12 1,30 1,39

ÁNGULO DE FASE (δ) A 76°C (°) 84,23 (64°C) 63,76 82,80 78,50 80,65


16

Análisis del residuo de la prueba de la película delgada RTFO ASTM D 2872

PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163 °C (%)

1,67 1,45 1,60 1,57 1,50

MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO A 76°C [G*/senδ] (KPa) 8,67 (64°C) 4,64 4,48 5,08 6,24

ÁNGULO DE FASE (δ) A 76°C (°) 76,91 (64°C) 58,40 75,35 68,79 66,70

Análisis del residuo de la prueba de envejecimiento a presión PAV ASTM D 6521

MÓDULO REOLÓGICO DE CORTE DINÁMICO 34 °C [G*senδ] (KPa) 3625 (28°C) 1691 1954 1958 1458

RIGIDEZ EN CREEP A -6°C, 60s S(t), (MPa) 96,19 140,65 140,63 95,81 117,77

VALOR m(t) A -6°C, 60s, (adimensional) 0,335 0,307 0,302 0,330 0,328

GRADO PG64-16 PG76-16 PG76-16 PG76-16 PG76-16

Los resultados de la caracterización por grado PG muestran las diferencias existentes entre los diferentes asfaltos analizados, principalmente en ángulos de fase:

El asfalto “B” presenta los ángulos de fase más bajos, lo cual denota un comportamiento más elástico que los demás asfaltos, así como una mayor resistencia a la deformación y mayor capacidad de recuperarse ante las deformaciones.

De igual forma los asfaltos “B” y “F” presentan las viscosidades más altas, lo que representa mayor resistencia al flujo.

Cabe señalar que los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” están clasificados como PG76-16 lo que desde el punto de vista de la clasificación actual de grado PG, se esperaría que presentaran comportamientos similares. PRUEBA DE CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO, MSCR (Multi-Stress Creep and Recovery) Esta metodología se llevó a cabo bajo las siguientes condiciones (ASTM 7405-10):

Se realizaron 20 ciclos Creep-Recovery divididos en dos segmentos de 10 ciclos cada uno:

o Primeros 10 ciclos: Se empleo un esfuerzo de 100 Pa con un período de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el período de Recovery (Recuperación).

Sandoval / Cremades

17

o Segundos 10 ciclos: Se empleó un esfuerzo de 3200 Pa con un periodo de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el periodo de Recovery (Recuperación).

Cálculos para respuesta elástica: Para cada uno de los ciclos a 100 Pa, se calcula la respuesta elástica como se muestra a continuación:

1

101 100,100

NRE

De igual forma, para cada uno de los ciclos a 3200 Pa, se calcula la respuesta elástica como sigue:

1

101 100,3200

NRE

Con estos resultados se calcula el promedio de las respuestas (RE) para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa.

10/,100.),100(% Nprom rr N = 1 a 10

10/,3200.),3200(% Nprom rr N = 1 a 10

Valor absoluto de la diferencia entre los porcentajes de respuesta elástica a 100 y 3200 Pa:

.),3200(.),100()3200100( promREpromREPaPaRdif

Cálculos para “Jnr” (Non-Recoverable Creep Compliance) Para cada uno de los ciclos a 100 Pa se calcula “Jnr” como sigue:

100

,100 10NJnr

De igual forma para cada uno de los ciclos a 3200 Pa se calcula “Jnr” como sigue:

3200

,3200 10NJnr


18

Con estos resultados, se calcula el promedio de “Jnr” para los diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa.

10/,100.),100( NJnrpromJnr N = 1 a 10

10/,3200.),3200( NJnrpromJnr N = 1 a 10

Diferencia en porcentaje entre “Jnr” a 100 y 3200 Pa:

100.),100(

.),100(.),3200()3200100(

promJnr

promJnrpromJnrPaPaJnrdif

Además, se toma en cuenta la deformación máxima acumulada después de los 20 ciclos Creep-Recovery. Las pruebas se realizaron a la temperatura de 76 y 82°C para los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” y a 64 y 70°C para el caso “A”. RESULTADOS: Cálculos para respuesta elástica. En la siguiente sección se presenta un comparativo entre los resultados de respuesta elástica en Creep Repetido, a 100 y 3200 Pa, para los diferentes asfaltos, así como la diferencia entre las respuestas elásticas a estos dos niveles de esfuerzo:

Resultados a 76°C

Tipo de Asfalto

Temp. de Prueba

RE a 100 Pa

(%)

RE a 3200 Pa

(%)

Rdif (100Pa-3200Pa)

(%)

A 64 9 8 1

B 76 75 72 3

C 76 16 0 (-5) 21

D 76 37 7 30

F 76 21 7 14

RE : Respuesta elástica en Creep Repetido. Rdif : Diferencia entre RE a 100 Pa y RE a 3200 Pa.

Sandoval / Cremades

19

Resultados a 82°C

Tipo de Asfalto

Temp. de Prueba

RE a 100 Pa

(%)

RE a 3200 Pa

(%)

Rdif (100Pa-3200Pa)

(%)

A 70 2 0 (-5) 7

B 82 68 59 9

C 82 19 0 (-7) 26

D 82 29 0 (-2) 31

F 82 13 0 13

RE : Respuesta elástica en Creep Repetido. Rdif : Diferencia entre RE a 100 Pa y RE a 3200 Pa.

Los números negativos indican que al retirar el esfuerzo el asfalto se sigue deformando. Es importante establecer un valor mínimo a la respuesta elástica a 3200 Pa, porque algunos asfaltos pueden presentar buena elasticidad a 100 Pa, pero al aumentar el nivel de esfuerzo, se produce una caída importante en este parámetro (respuesta elástica). La diferencia entre la respuesta elástica a 100 y 3200 Pa, se debe tomar en cuenta porque así se garantiza que la estructura del asfalto es resistente y estable al recibir una carga. La estabilidad puede estimarse basándose en la linealidad de su comportamiento elástico al variar el esfuerzo. Cálculos para Jnr (non-recoverable creep compliance) En la siguiente sección se presenta un comparativo entre los resultados de los diferentes asfaltos, Jnr (non-recoverable creep compliance), a 100 y 3200 Pa, la diferencia entre Jnr a estos dos niveles de esfuerzo, la respuesta elástica y la deformación máxima acumulada.

Resultados a 76°C

Tipo de Asfalto

Temp. de Prueba

Jnr a 100 Pa

Jnr a 3200 Pa

Jnrdif (100Pa-3200Pa)

(%)

RE a 3200 Pa

(%)

Deformación máxima

acumulada

A 64 0,874 1,001 14,55 8 3244

B 76 0,253 0,237 0 72 964

C 76 1,948 5,002 156,70 0 (-5) 16300

D 76 0,645 1,053 63,11 7 3501

F 76 0,974 1,292 32,58 7 4329

Jnr : Creep Compliance. Jnrdif : Diferencia entre Jnr a 100 Pa y Jnr a 3200 Pa. RE: Respuesta elástica. Def. máxima acumulada: Deformación alcanzada al final de los 20 ciclos Creep-Recovery.


20

Como se puede apreciar en la tabla anterior:

Los resultados de “Jnr” tienen una directa relación con la deformación acumulada.

A menor valor de “Jnr” , menor es la deformación acumulada.

El asfalto “B” presenta los valores más bajos de “Jnr”. o Al subir el esfuerzo no hay un aumento en “Jnr”, lo que representa que este

asfalto tiene una estructura muy estable y una gran capacidad para almacenar energía para recuperarse de las deformaciones.

El asfalto “C” a 100 Pa presenta un valor de “Jnr” intermedio. o Al subir el esfuerzo hay un aumento considerable en este parámetro. Esto

significa que es un asfalto que acumulará una gran cantidad de deformaciones y tendrá un desempeño pobre en el pavimento.

El asfalto “D” tiene buenos valores de “Jnr” o Con mayor esfuerzo, incrementa el valor de éste parámetro en forma aceptable. o Presenta respuesta elástica pobre.

El asfalto “F” tiene buenos valores de “Jnr” o Responde con un incremento aceptable al subir el esfuerzo. o Presenta una respuesta elástica pobre.

Más adelante en éste documento, se determina el nivel de tráfico para el cual son aptos estos asfaltos, ya que son PG76-16, y a esta temperatura se clasifica el nivel de tráfico basado en “Jnr”.

No obstante, estos asfaltos fueron sometidos a la prueba de MSCR a 82°C para evaluarlos

bajo una mayor exigencia, y así corroborar que de acuerdo a la literatura, deberían “fallar” o al

menos, presentar un pobre desempeño. El asfalto “A” se probó a 70°C.

Resultados a 82°C

Tipo de Asfalto

Temp. de Prueba

Jnr a 100 Pa

Jnr a 3200 Pa

Jnrdif (100Pa-3200Pa)

(%)

RE a 3200 Pa

(%)

Deformación máxima

acumulada

A 70 2,314 2,783 20,29 0 (-5) 9160

B 82 0,535 0,559 4,61 59 2134

C 82 1,832 8,620 360,72 0 (-7) 28068

D 82 1,426 2,610 83,08 0 (-2) 8644

F 82 2,212 3,013 36,23 0 9987

Jnr : Creep Compliance. Jnrdif : Diferencia entre Jnr a 100 Pa y Jnr a 3200 Pa. RE: Respuesta Elástica Def. máxima acumulada : Deformación alcanzada al final de los 20 ciclos Creep-Recovery.

Al subir la temperatura 6°C, el asfalto “B” sigue presentando un comportamiento adecuado y su estructura sigue siendo muy estable. El resto de los asfaltos probados, disminuyeron su desempeño.

Sandoval / Cremades

21

A continuación se presentan las gráficas comparativas de los resultados obtenidos en la prueba MSCR con los diferentes asfaltos RTFO.

0 50 100 150 200

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Jnr76

oC=1,292

Jnr76

oC=1,053

Jnr76

oC=0,237

Jnr64

oC=1,001

Jnr76

oC=5,002 A

B

C

D

F

Defo

rmació

n (

%)

tiempo global (s)

Fig. 8-Deformación vs tiempo a 76°C (64°C para el asfalto A) y valor de “Jnr”.

0 50 100 150 200

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

26000

28000

Jnr82

oC=3,013

Jnr82

oC=2,610

Jnr82

oC=0,559

Jnr70

oC=2,783

Jnr82

oC=8,620

A

B

C

D

F

Defo

rmació

n (

%)

tiempo global (s)

Fig. 9-Deformación vs tiempo a 82°C (70°C para el asfalto A) y valor de “Jnr”.


22

En los valores graficados de deformación se observa claramente la relación entre “Jnr” y la deformación permanente: a menor “Jnr”, menor deformación permanente. Nivel de tráfico basado en Jnr. No obstante que los asfaltos “B”, “C”, “D” y “F” son iguales bajo el protocolo de PG 76-16, son aptos para condiciones de tráfico diferentes, lo que se confirma a través de su valor “Jnr”:

Temperatura Intensidad de tráfico (en ejes equivalentes)

Grado “Jnr,3200” RE3200 (%)

Seleccionada de acuerdo al mapa

de regiones geográficas (zonas por

clima)

No cumple > 4

< 3 millones Estándar (S) 2 a 4 ≥0

> 3 < 10 millones Pesado (H) 1 a 2 ≥25

> 10 < 30 millones Muy pesado (V) 0,5 a 1 ≥30

> 30 millones Extremo (E) ≥ 0,5 ≥40

RE3200: Respuesta elástica a 3200Pa.

GRADO DE DESEMPEÑO PG Y NIVEL DE TRÁFICO.

A B C D F0

1

2

3

4

5

Extremo EstandarEstandarEstandar

76oC76

oC76

oC76

oC64

oC

No cumple

Estandar

Pesado

Muy Pesado

Extremo

Asfalto

Jnr 3

20

0

Fig. 10- “Jnr3200” para los asfaltos RTFO.

Sandoval / Cremades

23

Dado que los asfaltos “A”, “D” y “F”, presentan Respuestas elásticas bajas, son aptos para tráfico Estandar.

Asfalto PG Jnr3200 RE a 3200 Pa

(%)

Intensidad de tráfico

Grado

A*** PG 64-16 1,001 8 < 3 millones PG 64-XX S

B* PG 76-16 0,237 72 > 30 millones PG 76-XX E

C** PG 76-16 5,002 0 (-5) No cumple* No cumple*

D*** PG 76-16 1,053 7 < 3 millones PG 76-XX S

F*** PG 76-16 1,292 7 < 3 millones PG 76-XX S

* El asfalto “B” presenta valores de Jnr,3200 y RE3200 adecuados para un tráfico extremo. * *Este asfalto no es apto para trabajar como un PG76-16. Posiblemente a una temperatura más baja, cumpla con éstos parámetros. *** Estos asfaltos aunque tienen valores de Jnr3200 “aceptables”, presentan valores de respuesta elástica bajos, por lo que se clasifican como aptos para tráfico estándar.

El asfalto a utilizar en el diseño de un proyecto, se selecciona por criterios de clima y nivel de tráfico. A continuación se presentan los resultados de diferentes asfaltos comerciales, que se utilizan habitualmente en México para la construcción de carreteras:

G I J K L M N O0

1

2

3

4

5 82oC82

oC64

oC64

oC 76

oC76

oC76

oC76

oC

No cumple

Estandar

Pesado

Muy Pesado

Extremo

Jnr 3

200

Asfalto

Fig. 11- Jnr3200 para Asfaltos comerciales empleados en México (No se toma en cuenta RE3200).


24

CONCLUSIONES. 1- Dado que la vida útil de un pavimento asfáltico está directamente relacionada con el

número de ejes equivalentes considerados en el diseño de un proyecto, el parámetro “Jnr” se convierte en una herramienta fundamental y determinante para alcanzar dicho objetivo.

2- La metodología de Creep Repetido (MSCR) ofrece información más exacta y por ende, más

valiosa, sobre el desempeño esperado de un asfalto en el pavimento. 3- Esta metodología puede evitar el uso de asfaltos “endurecidos” que no tendrán un buen

desempeño en el pavimento. Además, podrá disminuir el tiempo y el costo de los análisis, asegurando la selección adecuada de un asfalto dependiendo de las condiciones climatológicas y de tráfico a las que será sometido el pavimento.

4- El parámetro “Jnr” (non-recoverable Creep compliance) determina de manera más exacta y

más práctica, la resistencia de un asfalto ante la deformación permanente. 5- En México se dispone del equipamiento para poder llevar a cabo ésta prueba.

6- Los asfaltos comerciales analizados, pueden ser utilizados en diferentes niveles de tráfico,

llegando hasta niveles “muy pesado”. No cabe duda que en caso de requerirse asfaltos para tráfico “extremo”, la industria mexicana está en condiciones de proveerlos.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. J. D’Angelo, R. Dongre, G. Reinke, “Evaluation of Repeated Creep and Recovery Test Metod as an alternative to SHRP+ requirements for polymer Modified Asphalt Binders. 2. J. D’ Angelo, R. Kluttz, R. Dongre. K. Stephens, L. Zanzotto., “Revision of the Superpave High Temperature Binder Specification: The Multiple Stress Recovery Test”. 3. D’Angelo, J., Dongre, R., “Development of a High Temperature Performance Based Binder Specification in the United States”. 4. J. de Visscher, H. Soenen, A. Vanelstraete, P.redelius,” A comparision of the Zero Shear Viscosity from Oscillation tests and the Repeated Creep test”. 5. Guidance on the Use of the MSCR Test with the AASHTO M320 Specification Asphalt Institute, Dec. 2010. 6. Cremades I.,Sandoval I., “Caracterización de Asfaltos Mexicanos Mediante Pruebas Empíricas y Estudios Reológicos. III Congreso Mexicano del asfalto, Agosto 2003.

Sandoval / Cremades

25

7. Sandoval I., Cremades I., “Determinación del grado de desempeño del asfalto usando como parámetro de especificación la viscosidad a corte cero”, IV Congreso Mexicano del Asfalto, Agosto 2005. 8. Sandoval I. Cremades I., “Caracterización de asfaltos mediante creep repetido multi-esfuerzo en reómetro de corte dinámico”. V Congreso Mexicano del Asfalto, Agosto 2007.

evoluciÓn del grado pg en la caracterizaciÓn de … · pavimentos de alto desempeño. ... este...

Documents