Estudio del comportamiento del módulo y fatiga para

mezclas asfálticas de granulometría densa y su desempeño en los métodos de diseño de estructuras de pavimento

Presenta: M. I. Omar Adame Hernández

Omar.adame@lasfalto.com.mxAutores:

Dr. Jorge Alarcón Ibarra (Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo)

Dr. Pedro Limón Covarrubias (Lasfalto)

Ing. Israel Sandoval Navarro (Lasfalto)

Ing. Ignacio Cremades Ibáñez (Surfax)

Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)

• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla

• Valores de módulo dinámico y resiliente

• Leyes de fatiga

• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.

• Conclusiones

Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)

• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla

• Valores de módulo dinámico y resiliente

• Leyes de fatiga

• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.

• Conclusiones

Tipos de asfaltos empleados

AC-20 (asfalto convencional) procedente de la Refinería de Salamanca (PG

64-16).

AC-20 Salamanca (AC-20 S)

endurecido con ácido polifosfórico

(PG- 76-16).

AC-20 Salamanca (AC-20 S) + Polímero

RET + ácido polifosfórico como catalizador (PG-76-

16).

Determinación del grado PG Prueba AC- 20 S AC-20 + ácido

polifosfórico

AC-20+ Polímero RET

+ ácido polifosfórico

Punto de Inflamación Cleveland °C >260 297 384

Viscosidad rotacional a 135° C SC4-27 12 rpm (cP) 462 903 1900

Análisis al asfalto original

Módulo Reológico de corte dinámico a 76°C [G*/sen δ]

(KPa)

1,513 (64° C) 1,302 1,619

Ángulo de fase (δ) a 76 °C (°) 84,23 (64° C) 78,50 63,76

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

Pérdida de masa por calentamiento a 163 °C (%) 1.67 1.57 0.94

Módulo reológico de corte dinámico [G*/senδ] (KPa) 8.667 ( a 64°C) 5.075 4.641

Ángulo de fase (δ) a 76°C (°) 76.91 68.79 58.4

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

Módulo reológico de corte dinámico a 34° C [G*sen δ]

(KPa)

3625 (28°C) 1958 1691

Rigidez en Creep a -6°C, 60s S (t), (MPa) 96,195 95,81 140,651

Valor m(t) a -6°C, 60s, (adimensional) 0,335 0,330 0,307

Grado PG 64-16 PG 76-16 PG 76-16

Respuesta elástica en creep repetido, a 100 y 3200 Pa, Valores de Jnr y niveles de tráfico para los que el

asfalto será capaz de soportar.

Tipo de asfaltoTemp. De

prueba% εr a 100 Pa % εr a 3200 Pa

Rdif

(100Pa-

3200 Pa)

Jnr 3200 GradoIntensidad

de tráfico

Ekbé Salamanca 64 9 8 1 1,001 PG 64-22 H>3< 10

millones

Ekbé Salamanca +

polímero RET76 75 72 3 0,237 PG 76-22 E

>30

millones

Ekbé Salamanca + PPA 76 37 7 30 1,053 PG 76- 22 H>3 < 10

millones

% εr : Respuesta elástica en Creep repetido.

Rdif: deferencia entre % εr a 100 Pa y % εr a 3200 Pa.

Valores de Jnr inferiores a 0.5 son asfaltos que son capaces de soportar mas de 30 millones de ejes equivalentes de 8.2

ton.

Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)

• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla

• Valores de módulo dinámico y resiliente

• Leyes de fatiga

• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.

• Conclusiones

Agregados pétreos

Prueba

Resultados Especificación

PA-MA- 001-

2013

Basalto

(Guadalajara)(Andesita) Morelia

Grava

Partículas alargadas 1.60% 5.62% 15% máx.

Partículas lajeadas 0.34% 1.77% 15% máx.

Densidad 2.66 2.62 N/A

Desgaste de los Ángeles 10% 17% 30 máx.

Absorción 1.28 2.37 N/A

Arena

Equivalente de arena 70 46 50 mín.

Densidad 2.6 2.53 N/A

Absorción 2.04 3.39 N/A

Azul de metileno 11 ml/g 36 ml/g 15 ml/g máx.

Angularidad 40.72 36 40 mín.

Granulometría

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

% Q

UE

PASA

MALLAS

ZONA DE ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS (ABERTURA EN MILIMETROS)

0.0

74

0.1

49

0.3

0

0.6

0

1.1

8

2.3

6

4.7

5

9.5

1

12.7

19.0 25.4

38.1

200 100 50 30 16 8 4 3/8" 1/2"3/4" 1"11/2"

Características de la mezcla compactada

Característica volumétrica

Material

Basalto GuadalajaraAndesita

Morelia

Porcentaje de vacíos de la mezcla (%) 4.60% 3.85%

Porcentaje de asfalto efectivo (%) 6.15 6.15

Contenido óptimo de asfalto (%) 6.2 6.2

Variables analizadas • AC-20 Salamanca+ andesita

• AC-20 Salamanca + basalto

• AC-20 Salamanca + ácido polifosfórico + andesita

• Ac-20 Salamanca + ácido polifosfórico + basalto

• AC-20 Salamanca + polímero RET + ácido Polifosfórico (catalizador) + Andesita

• AC-20 Salamanca + polímero RET + Ácido Polifosfórico (catalizador) + Basalto

• Módulo Dinámico • Módulo resiliente• Ley de fatiga

Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)

• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla

• Valores de módulo dinámico y resiliente

• Leyes de fatiga

• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.

• Conclusiones

Módulo dinámico

Es un parámetro esencial para calcular los espesores de carpeta asfáltica en los

nuevos métodos de diseño de pavimentos asfálticos.

Describe la relación esfuerzo-deformación de materiales visco-elásticos.

0 5 6 7 84321

Ciclos

Defo

rma

ció

n

Carg

a M

Pa

Valores de módulo dinámico (MPa)

Tipo de mezcla

(componentes)10 Hz 5 Hz 1 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz 10 Hz 5 Hz 1 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz

Andesita Basalto

AC-20 S 8725 7707 4778 3856 2162 10707 7727 4796 3926 2409

AC-20 S + ácido

polifosfórico10030 8447 4931 3941 2167 11211 9695 6150 4999 3224

AC-20 S+ Polímero

RET + ácido

polifosfórico

10101 8786 5276 4261 2193 12040 10071 6303 5389 2342

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

10 Hz 5 hz 1.0 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz

Mó

du

lo d

inám

ico

(M

Pa)

Frecuencia (Hz)

Gráfico de módulo dinámico

AC-20 S + andesita

AC-20 S + ácido polifosfórico + andesita

AC20 S + polímero RET + ácido polifosfórico +andesita

AC-20 S + basalto

AC-20 S + ácido polifosfórico + basalto

AC20 S + polímero RET + ácido polifosfórico +basalto

P

Carga

Deformación

total

0.9 s

Deformación

acumulada

Deformación

elástica

0.1 s

1 ciclo

Módulo resiliente

3440 3492

5359 5303

36403872

Gráfico de módulo resiliente (valores en MPa)

AC-20 S + andesita AC-20 S + basalto

AC-20 S + ácido polifosfórico + andesita AC-20 S + ácido polifosfórico + basalto

AC-20 S + polímero RET+ ácido polifosforico + andesita AC-20 S + polímero RET+ ácido polifosfórico + basalto

Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)

• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla

• Valores de módulo dinámico y resiliente

• Leyes de fatiga

• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.

• Conclusiones

Tipo de Mezcla Número de repeticiones de carga

750 ms 650 ms 550 ms

AC-20 S + andesita 42584 67394 157406

AC-20 S + ácido polifosfórico + andesita 85402 221697 297774

AC-20 + ácido polifosfórico + polímero RET + andesita 180337 297127 618975

AC-20 S + basalto 58816 91500 219707

AC-20 S + ácido polifosfórico + basalto 94176 190363 311754

AC-20 + ácido polifosfórico + polímero RET + basalto 262492 327883 739637

Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)

• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla

• Valores de módulo dinámico y resiliente

• Leyes de fatiga

• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.

• Conclusiones

Estructuras de pavimento adoptadas

Capa

Espesores Valor de VRS

Sección 121 (espesor en

cm)

Sección 3221

(espesor en cm)

Sección 4221

(espesor en cm)

Valor de VRSValor

máximo de VRS SCT

Carpetaasfáltica

30 15 5 (N/A) (N/A)

Base 25 35 25 100 120

Sub rasante 35 35 35 20 20

Terraplén 200 200 200 5 20

Vida a fatiga en millones de ejes equivalentes para las estructuras de pavimento flexible con diferentes valores de módulo dinámico

de la carpeta asfáltica

An

de

sita

Tipo de

capa

vida previsible para módulo dinámico a

10 Hz= 8725 MPa (EKBÉ)

vida previsible para módulo

dinámico a 10 Hz= 10030 MPa

(asfalto endurecido)

vida previsible para módulo

dinámico a 10 Hz= 10101 MPa

(asfalto modificado) deformación o

fatiga sección

4221

deformación o fatiga

sección 3221

deformación o

fatiga sección

121

deformación o

fatiga sección

4221

deformación

o fatiga

sección 3221

deformación

o fatiga

sección 121

deformación

o fatiga

sección 4221

deformación

o fatiga

sección 3221

deformació

n o fatiga

sección

121

Carpeta

asfáltica

4.7 32.8 >150 5.8 46.6 >150 5.9 47.4 >150

Base 6.1 >150 >150 7.6 >150 >150 7.7 >150 >150

Bas

alto

Tipo de

capa

vida previsible para módulo dinámico a

10 Hz= 10706 MPa (EKBÉ)

vida previsible para módulo

dinámico a 10 Hz= 11211 MPa

(asfalto endurecido)

vida previsible para módulo

dinámico a 10 Hz= 12039 MPa

(asfalto modificado) deformación o

fatiga sección

4221

deformación o fatiga

sección 3221

deformación o

fatiga sección

121

deformación o

fatiga sección

4221

deformación

o fatiga

sección 3221

deformación

o fatiga

sección 121

deformación

o fatiga

sección 4221

deformación

o fatiga

sección 3221

deformaci

ón o fatiga

sección

121

Carpeta

asfáltica

6.5 55 >150 7 62 >150 8 74.8 >150

Base 8.5 >150 >150 9.2 >150 >150 10.5 >150 >150

Vida útil a fatiga determinada por el DISPAV-5 en millones de ejes equivalentes para la sección

4221 (sección para tráfico ligero).

4,7

6,55,8

7

5,9

8

AC-20 S AC-20 S + ácido polifosfórico

AC-20 + polímero RET + ácido polifosfórico

BA

SALT

O

BA

SALT

O

BA

SALT

O

AN

DES

ITA

AN

DES

ITA

AN

DES

ITA

Vida útil a fatiga determinada por el DISPAV-5 en millones de ejes equivalentes para la sección

3221 (sección para tráfico mediano)..

32,8

55

46,6

62

47,4

74,8

AC-20 SAC-20 S + ácido polifosfórico

AC-20 S + polímero RET + ácido polifosfórico

BA

SALT

O

BA

SALT

O

BA

SALT

O

AN

DES

ITA

AN

DES

ITA

AN

DES

ITA

Sección 121

Para este caso, con secciones de pavimento el DISPAV-5 estalimitado a indicar que el pavimento soportará mas de 150millones de ejes equivalentes de (8.2 ton), por lo que no esposible detectar las diferencias entre las diferentes mezclas.

Análisis de costos

sección 4221

Basalto Andesita

Concepto AC-20 S AC-20 + ácido

polifosfórico

AC-20 +

polímero RET +

ácido

polifosfórico

AC-20 S AC-20 + ácido

polifosfórico

AC-20 +

polímero RET +

ácido

polifosfórico

Mezcla asfáltica $2,876.59 $2,930.12 $3,041.65 $2,861.91 $2,915.44 $3,026.97

Base $617,103.13 $617,103.13 $617,103.13 $584,794.76 $584,794.76 $584,794.76

Subrasante $751,074.91 $751,074.91 $751,074.91 $727,205.82 $727,205.82 $727,205.82

Terraplén $3,638,810.18 $3,638,810.18 $3,638,810.18 $3,375,756.22 $3,375,756.22 $3,375,756.22

Costo total $5,009,864.81 $5,009,918.34 $5,010,029.87 $4,690,618.71 $4,690,672.24 $4,690,783.77

Análisis de costos

• El incremento de costo entre un asfalto convencionaly un asfalto modificado para este tipo de estructuraapenas alcanza el 5.5 por ciento del costo total de lamezcla asfáltica.

• mientras que en el costo total del pavimento apenasalcanza el 1%.

• Con apenas 1% de inversión en la modificación delasfalto se puede llegar a aumentar la vida útil un 23%de la vida útil inicial (condición para un mismo tipo demezcla, con los mismos componentes).

Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)

• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla

• Valores de módulo dinámico y resiliente

• Leyes de fatiga

• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.

• Conclusiones

Conclusiones

• El Parametro “Jnr” presenta una tendencia en losresultados muy similar a los obtenidos en las leyesde fatiga y Módulo Dinámico. A pesar de ser unaprueba propia del asfalto, el panorama que nosofrece a partir de sus resultados es de muchautilidad para poder tener una idea clara de lo que lamezcla asfáltica puede llegar a soportar.

Conclusiones

• Se determinó que el ensayo de Módulo Dinámicopresenta mayor sensibilidad y muestra claramentela diferencia de la calidad de los agregadosempleados así como la calidad del asfalto.

• Por el contrario, el Módulo Resiliente no mideclaramente la diferencia de asfaltos, pero hace unaclara diferencia entre agregados.

• Por otra parte, el método de Ingeniería de la queUNAM es el más usado en el diseño de pavimentosflexibles en México, presenta limitantes, las cualesno presentan sensibilidad en vida a fatiga ydeformación para secciones de pavimento mayoreso iguales a 15 cm de espesor. Por lo que el softwareDISPAV-5 se ve realmente limitado en el uso decarreteras de altas especificaciones en la ingenieríamexicana.

Conclusiones

• Se ha comprobado que el uso de asfaltos modificados yun agregado de buena calidad aumentan la vida útilhasta en un doble de vida en comparación a un asfaltoconvencional y un agregado de mala calidad. Además, eluso de asfaltos modificados con polímero RET soloincrementa el costo inicial el uno por ciento lo que estámás que claro que el uso de asfaltos modificados no soloaumenta la vida a fatiga sino que ahorra los costos demantenimiento y reparación en la estructura.

Conclusiones • Es fundamental contar con pavimentos que permitan

una circulación segura, rápida y cómoda que generencostos de operación bajos.

• Algunas de las carreteras en México no cuentan conpavimentos de calidad y una de las razones es la faltade estudios adecuados sobre las características de losmateriales empleados en su construcción.

¡ Muchas Gracias!

• AGRADECIMIENTOS:

• UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO

• SURFAX

• LASFALTO