39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

download 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

of 103

Transcript of 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    1/279

    Universidad Santa María

    Facultad de Ingeniería y

    Universidad Católica Andrés Bello

    Facultad de Ingeniería

    APUNTES

    rqu ec ura

    DE

    PAVIMENTOS

    Volumen 2

    Mezclas asfálticas

    materiales y diseñoateriales y diseño

    Ing Gustavo Corredor M

    Incluye Capítulos sobre “ Ramcodes en mezclas asfálticas” por el Ing. Freddy Sánchez

    Leal de la Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda, de Coroy “Asfaltos Modificados” por los Ingenieros R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto

    De la Universidad de la Plata en Argentina.

    c n nero

    (Revisión Abril 2008)

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    2/279

     

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    3/279

     

     Agradecimientos:

     A los Ingenieros R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto, del Laboratorio dePavimentos e Ingeniería Vial (LaPIV) de la Universidad de la Plata, Argentina,

     por su desinteresada y detallada revisión de la versión original de esteVolumen 2 de los “Apuntes de Pavimentos”,

    que permitió realizar correcciones de edición y la inclusión de una serie decomentarios complementarios a los temas tratados,

    que indudablemente enriquecieron su contenido

     Al Ing. Freddy Sánchez Leal por su generosidad al aceptar la invitación paraque se incluyese el Capítulo de “ Ramcod es en Mezc las Asfáltic as ”, en el

    cual presenta su nueva metodología para eldiseño y control de calidad de las mezclas asfálticas.

     A los Ingenieros R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto, del Laboratorio dePavimentos e Ingeniería Vial (LaPIV) de la Universidad de la Plata, Argentina,

     por habernos permitido incluir el Capítulo referente a “ Asfal tos Modi f icados ”,en el cual se discute el tema, por mas novedoso en Venezuela, de la nueva

    generación de ligantes y mezclas asfálticas especiales.

    Es un verdadero honor haber podido contar con la colaboración de losIngenieros Sánchez, Nosetti y Bianchetto en la preparación de esta nueva

    versión del “ Volumen 2 de los Apu ntes de Pavimentos ”.

     A las Compañías Constructoras Arpigra C.A. y Eica C.A. por habernos permitido tomar parte de su tiempo en la preparación

    de estos Apuntes de Pavimentos.

    Gustavo Corredor M.Caracas, enero 2005

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    4/279

     

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    5/279

     

     Apuntes 

    de 

    Pavimentos 

    Volumen 2 

    Capítulo 1 

     Aspectos generales, especificaciones y  

    ensayos en asfaltos 

    Edición de abril  de 2008  

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    6/279

     

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    7/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-1

    I. Breve historia del asfalto en Venezuela

    El petróleo ha estado ligado a toda nuestra historia escrita: ya durante la

    Conquista y la Colonia muchos historiadores y cronistas hicieron referencia allíquido que brotaba en distintas partes del territorio y que los indígenas llamaban“mene”. Abundaba al norte del Orinoco, en los alrededores de Maracaibo y enalgunas regiones orientales. Alejandro de Humboldt y Aimé Bonpland, en su viajede 1800, hicieron por primera vez una lista de los depósitos naturales de asfalto enla costa que va desde Maracaibo hasta la isla de Trinidad. En 1839 el Dr. JoséMaría Vargas hizo un análisis de una muestra de petróleo que le fue enviadadesde Trujillo, y presentó un informe al Gobierno sobre sus investigaciones. En1865 el Gobernador del Zulia, General Jorge Sutherland, otorga la primeraConcesión a un americano llamado Camilo Ferrand, pero éste la perdió porquedespués de un año no había podido explotarla.

    Pero no es el Zulia en donde realmente comienza la explotación del petróleo, sinoen el Táchira, y quizás por causa del destino. En el año 1875 un terremoto sacudea este Estado, y en una hacienda cercana a la población de Rubio, propiedad deManuel Antonio Pulido, llamada “La Alquitrana”, brota petróleo. Ya en el Estadoconocían unos cerros en los cuales encontraban una mezcla de la tierra mezcladacon un material pegajoso, que llamaban alquitrán. Todavía hoy en día se explotaesta mezcla de suelo y asfalto, casualmente en el “Préstamo La Alquitrana”, cercade San Cristóbal. El señor Pulido, ante el descubrimiento del petróleo en suhacienda, comienza las gestiones para obtener la Concesión de parte delGobierno Regional. Tres años mas tarde, específicamente el 3 de Septiembre de

    1878, el Gobierno del Gran Estado de Los Andes, le otorga la Concesión quellaman “Cien minas de asfalto”. Con la Concesión ya en su poder, el señor Pulidoel 12 de octubre de ese mismo año, celebra con José Antonio Baldó, CarlosGonzález Bona, Ramón María Maldonado, José Gregorio Villafañe y Pedro RafaelRincones, un contrato de sociedad privado que resulta en la “Compañía MineraPetrolia del Táchira”. Pedro R. Rincones viaja en 1879 a Estados Unidos a buscarlos equipos necesarios para la explotación. En el año 1883 llega al Táchira eltaladro de perforación que bautizan con el nombre de “La Alquitrana”, y el 12 deabril de ese año se descubre el primer pozo de petróleo crudo en Venezuela, pozoal que llaman “Eureka”, y que alcanza una profundidad de 60 metros.

    El Geólogo Aníbal Martínez, en un artículo sobre este tema escribe lo siguiente:“Petrolia no fue una aventura romántica ni es un recuerdo emocionado. Antesbien, fue una acción firme y decidida, de innegable originalidad y visión magnífica,emprendida cuando aun no se habían cumplido dos décadas de que arrancara enTitusville, Pennsylvania, la industria petrolera americana. Esta empresa fueíntegramente venezolana: el capital de 11.200 venezolanos los aportaron de lasiguiente manera: 4.800 en terrenos por Pulido, 1.600 en efectivo por Baldó,Maldonado, González y Villafañe; Rincones fue solo socio industrial”.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    8/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-2

    La Petrolia realizó todas las operaciones de una petrolera de hoy en día: exploró,refinó, mercadeó, y llegó a desarrollar sus recursos humanos. Sus actividades deexploración comenzaron con simples excavaciones de hasta 15 metros deprofundidad, en las que se recogía el petróleo que manaba lentamente, luego llegó

    a perforar pozos mas profundos, que hoy en día pudieran ser llamados “deavanzada”. Refinó petróleo crudo del tipo liviano, en una primitiva unidad dedestilación por cargas, de 2.000 litros diarios de capacidad. El mercadeo fue tantolocal —en toda la región tachirense— como internacional, al exportar susproductos a la vecina Colombia. Los recursos humanos los había desarrolladocuando en 1879, en el viaje de Rincones a los Estados Unidos, fue aprovechadopara estudiar la industria. Durante 50 años —1878 a 1928— estuvo operandoactivamente como una industria petrolera. La nueva gente de Petrolia intentó,desde 1928 hasta 1934, revivir las operaciones, pero no tuvieron éxito. Losderechos de explotación de Petrolia expiraron el 8 de abril de 1934, y elPresidente de Venezuela en aquel momento, Juan Vicente Gómez, no los renovó.

    Después de Petrolia las Concesiones fueron dándose a un ritmo acelerado: lacompañía Caribbean Petroleum Co., que pertenecía a la holandesa-británicaShell, encontró petróleo en el pozo Zumaque 1, en el campo de Mene Grande, ycomenzó su producción en julio del año 1914. Esta fecha marca el inicio de laexplotación a grandes volúmenes en la cuenca petrolífera del Lago de Maracaibo.El 14 de diciembre de 1922, cerca de Cabimas, la Venezuelan Oil Concessions,también de la Shell, perforó el pozo “Barrosos 2”, que estuvo arrojando cerca de100.000 barrilles diarios, durante nueve días. Este hecho llamó la atenciónmundial sobre el enorme potencial petrolero venezolano. De allí en adelante eshistoria conocida, que cambió el curso de nuestro destino como país.

    II. Las ventajas del asfalto

    Los materiales asfálticos son de especial interés para los ingenieros de vialidad,debido a que son cementantes, se  adhieren fácilmente, son  impermeables y muy durables. Son substancias que imparten flexibilidad  a la mezcla queforman con los agregados minerales con los que son usualmente combinados.Son altamente  resistentes a la acción de la mayoría de los ácidos, álcalis ysales. Son sólidos o semisólidos a temperatura ambiente, pero alcanzan altosgrados de fluidez a las temperaturas de aplicación en el rango de los 135ºC a los170ºC”. El cambio de consistencia con la variación de la temperatura es una de las

    propiedades fundamentales de los asfaltos y se denomina “termoplasticidad.Otra manera de hacer variar la consistencia de los asfaltos es a través de lamezcla con algunos solventes derivados del petróleo, o por procesos deemulsificación en agua.

    Los materiales de pavimentación son los alquitranes (derivados del carbónmineral) y los asfaltos —derivados del petróleo—. Los primeros no tienen

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    9/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-3

    aplicación actualmente, pero los asfaltos, por el contrario, cada día se empleancon mayor profusión en la construcción de carreteras.

    Los asfaltos son componentes naturales de la mayoría de los petróleos en los

    cuales existen en solución, y pueden ser refinados o naturales.

    En el caso de los refinados, los crudos del petróleo se procesan industrialmentepara separar las diversas fracciones (cortes) y recuperar los asfaltos. La Figura 1muestra un esquema de una planta de refinación, por eso llamada “refinería”, y losvarios productos que en ella se obtienen.

    Figura1: Esquema de operación de una refinería por destilación y la cadena de productos refinados

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    10/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-4

    En algunos casos la naturaleza ha logrado este proceso de "refinación" y se hanformado depósitos naturales de asfalto, tal como el del "Lago Guanoco" en elestado Sucre y el Pitch Lake en la isla de Trinidad. Algunos de estos depósitosnaturales están prácticamente libres de materias extrañas y pueden ser usados en

    pavimentación casi sin tratamiento adicional alguno.

    El asfalto del Lago Guanoco fue explotado entre los años 1888 y 1934 y esconsiderado el depósito de asfalto natural más grande del mundo. Tiene unaextensión de 3 km de Norte a Sur y 1.5 km de Este a Oeste, con una profundidadvariable entre los 1.2 y 3 m. Durante su explotación, existía una refinería en lascercanías del lago, cuya función era solo la de eliminar el contenido de agua delasfalto extraído en el lago, debido a la gran pureza del material natural, y seconstruyo un ferrocarril de 13 km de longitud, para llevar el asfalto al río Guanoco,en donde era cargado a los barcos para su transporte al exterior. Con este asfaltose pavimentaron algunas calles de las ciudades de Detroit y Washington en los

    Estados Unidos.

    Figura 2: Explotación manual en el lago de Guanoco, 1890.

    En el caso del “Lago de Guanoco”, aun cuando se dispone de unas reservascuantiosas de este asfalto natural, no se procesa por razones de que habría que

    hacer grandes inversiones para lograr introducirlo en el mercado nacional ymundial, que no se justifican ante la capacidad de producción de las refinerías yaen operación en Venezuela. Del Pitch Lake, por el contrario, si se obtienenproductos que van al mercado local en Trinidad, y mundial, especialmente enInglaterra. Este asfalto natural de Trinidad se emplea hoy en día, con mucho éxito,como un “modificador” de otros asfaltos de pavimentación, ya que mejora laspropiedades de los asfaltos directamente obtenidos del proceso de refinación.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    11/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-5

    IV. Definiciones

    Las definiciones principales que es necesario conocer son las siguientes:

    • PetróleoMaterial natural de consistencia viscosa, formado por una mezcla decompuestos de hidrógeno y carbono, con contenidos variables deazufre, nitrógeno y oxígeno

    • BitumenMezcla de hidrocarburos, de origen natural o volcánico, o unacombinación de ambos procesos, frecuentemente acompañados dederivados no-metálicos que pueden ser gaseosos, líquidos, semisólidoso sólidos, y que son totalmente solubles en bisulfuro de carbono.

    • AsfaltosMateriales cementantes, de color marrón oscuro a negro, de consistencia sólida,semisólida o líquida, en los cuales los principales componentes son los bitúmenes,y que son obtenidos como residuo en la refinación del petróleo, o en forma natural.

    La cantidad de asfalto que puede ser obtenida de un crudo es muy variable, y esfunción del "Grado API ( American Petroleum Institute) del crudo. Mientras menorsea el Grado API, mas pesado será el crudo y mayor será el contenido de asfaltode pavimentación.

    El Grado API es una medida arbitraria de la densidad de un crudo a 60ºF, o de underivado del crudo a esta misma temperatura, y se obtiene de la siguienteexpresión:

    Grado API = (141.5 /Gb) — 131.5

    siendo Gb la Gravedad Específica del material a 60ºF (15.5ºC).

    Como referencia el Grado API del agua es 10. Los asfaltos tienen un Grado APIentre 5 y 10, mientras que las gasolinas tienen un Grado API cercano a 55.

    La Figura 3 muestra las proporciones de las diferentes fracciones de los crudosvenezolanos.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    12/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-6

    Figura3: Composición de los diferentes crudos venezolanos y la Gravedad API

    V. Procesos de refinación del petróleo

    Existen tres procesos industriales para separar los diferentes componentes delpetróleo crudo:

    • Refinación por Destilación (Vapor y vacío)

    Este es el método de refinación más común en todo el mundo, y el únicoempleado en Venezuela. Este método se utiliza principalmente en los crudos debase asfáltica. Consiste en someter el crudo a ciertas condiciones de temperatura,tanto a la presión barométrica normal, como en vacío; el cambio que se opera enel petróleo procesado es físico, razón por la cual puede producirse unarecombinación de las diferentes fracciones (cortes) en las cuales el crudo fueinicialmente separado.

    La Figura 4 muestra el esquema de fabricación de los productos asfálticos en elComplejo de Refinación de Paraguaná (CRP) propiedad de Petróleos deVenezuela (Pdvsa), ubicada en la costa Noroeste del Estado Falcón, en las

    cercanías de la ciudad de Punto Fijo, la cual es la refinería mas grande del mundo,por ser la integración de dos grandes refinerías: Amuay y Cardón. En esta figurase señalan los “asfaltos” como uno de los productos derivados del petróleo.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    13/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-7

    Figura 4: Diagrama de fabricación de los productos asfálticos en el CRP

    En Venezuela existe otra refinería, en la ciudad de Maracaibo, Estado Zulia,llamada refinería Bajo Grande, que procesa y comercializa uno de los crudos masreconocidos por la calidad de sus asfaltos. En el oriente del país, en Puerto LaCruz, Estado Anzoátegui, en la Refinería de “El Chaure”, se almacena ycomercializan los productos asfálticos que son transportados desde el CRP. En lasrestantes refinerías de Venezuela (El Palito, San Tomé, Anaco, El Toreño) ni serefinan ni comercializan asfaltos de pavimentación.

    Los tipos de asfalto obtenidos del material residual dependen de las siguientesvariables:

    • variables del proceso° temperatura° cantidad de vapor° presión° cantidad de reflujo° tiempo y velocidad del flujo

    • variable del material° gravedad API del crudo

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    14/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-8

    En la Figura 5 se presentan las temperaturas a las cuales se separan losdiferentes componentes de un crudo, llamadas “fracciones” o “cortes”, esta últimamanera de llamarlas es la traducción de su nombre en inglés (cut).

    Figura 5: Temperaturas aproximadas se separación de las fracciones de un crudo

    • Refinación por Extracción por Solvente(De-asfaltado por Propano)

    Este método es empleado principalmente en crudos de base parafínica, o basemixta, a los cuales sería muy difícil fraccionarlos en sus diferentes componentespor el método de Destilación, a menos que fuese a altas temperaturas, lo cualproduciría asfaltos con propiedades no deseables en la pavimentación.

    La separación se logra por modificaciones del peso molecular del crudo, unido aun grado relativamente bajo de reacciones químicas, pero sin aplicar temperaturasexcesivas, debido al efecto de la solubilidad del crudo en proceso en solventes del

    tipo del propano.El proceso se realiza en una "torre de extracción", a la cual se inyecta propano, enuna proporción de 6 partes, por una del asfalto previamente reducido en la "torreatmosférica", o de vacío, según sea el tipo de crudo.

    Se precipitan al fondo de la torre de extracción las fracciones no-solubles en elpropano (residuo), y se separan las fracciones solubles (aceites). El residuo es

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    15/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-9

    destilado posteriormente para eliminar el propano, obteniéndose finalmente elasfalto.

    Este método produce asfaltos más duros que los obtenidos por la destilación

    simple, razón por la cual debe recurrirse al mezclado con un asfalto más blandopara obtener la penetración deseada.

    • Refinación por Craking

    Los cambios en el crudo se operan por efecto de las altas temperaturas ypresiones a las que se somete el crudo, siendo estos cambios de tipo químico.

    Los productos de refinación obtenidos por este método no son utilizables parapavimentación, ya que se obtienen asfaltos excesivamente duros.

    • Tipos de asfaltos de pavimentación 

    Los asfaltos de pavimentación que pueden obtenerse comercialmente en elmercado nacional son los productos directos de la refinación, que puedenclasificarse como: cementos asfálticos y asfaltos líquidos; pero también puedenser comercializados como “asfaltos emulsionados”, o simplemente emulsiones, lascuales, en el caso venezolano, son procesadas por industrias privadas, al mezclarun cemento asfáltico con un “agente emulsificante” y con agua.

    • Cementos asfálticos (CA)

    Son el producto directo de la refinación, y tal como son producidos son empleadosen la pavimentación de carreteras. Se clasifican tradicionalmente en varios tipos, ogrados, en función de su "penetración o viscosidad", de acuerdo a lo indicado enla tabla siguiente:

    Tabla 1Clasificación de los cementos asfálticos en función de su

    Penetración Viscosidad40 - 50 (más duro) AC-4060 - 70 AC-2085 - 100 AC-10120 - 150 AC- 5200 - 300 (más blando) AC-2,5

    En Venezuela hasta el año 1995 se identificaban los CA en función de supenetración, pero desde esa fecha se modificó la Norma COVENIN 1670, y secambió su denominación a la clasificación por viscosidad. Solo se comercializanlos tipos A-20 y A-30, y en ciertas ocasiones, por pedidos especiales también unasfalto Tipo A-40, con las propiedades físicas que se indican en la Tabla 1.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    16/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-10

    Los cementos asfálticos deben ser calentados a temperaturas relativamente altas(alrededor de los 150 ºC) con el fin de lograr un grado de fluidez que permita suadecuado manejo en planta (bombeo y mezclado), y en obra (extendido y

    compactación). Como también en obra se calientan los agregados a esta mismatemperatura en plantas especialmente diseñadas para este fin, las mezclasasfálticas que se obtienen a partir de los CA se denominan “mezclas en caliente” o“mezclas en planta en caliente”.

    La Figura 6 presenta los niveles de consumo de cementos asfálticos parapavimentación a nivel nacional. Si se considera que el CA es aproximadamente el5% del total del peso de una mezcla en caliente, se deriva que el promedio detoneladas que se colocan sobre nuestras carreteras, autopistas, calles, avenidasy aeropuertos alcanza aproximadamente a los 6 millones de toneladas por año.

    Figura 6: Niveles de consumo de cemento asfáltico en VenezuelaFuente: Instituto Venezolano del Asfalto (INVEAS)

    • Especificaciones de calidad para los cementos asfálticos

    Las "Normas venezolanas para construcción de carreteras", conocidas como

    COVENIN 2000-87, han sido establecidas por la Comisión Venezolana deNormas Industriales (COVENIN), organismo adscrito a SENCAMER —servicio asu vez dependiente del Ministerio de Producción y Comercio— que tiene bajo suresponsabilidad todo lo referente a la normalización a nivel nacional.

    En el la Tabla 1 se transcribe la Norma COVENIN 1670-95, en la cual se indicanlas especificaciones de calidad vigentes para los cementos asfálticos a sercomercializados en Venezuela, la cual define los tipos de asfalto en función de

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    17/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-11

    su viscosidad absoluta entre 100; así un asfalto A-20 significa un CA deviscosidad 2000 poise.

    Las Tablas 2 y 3 corresponden a la últimas especificaciones del Instituto del

    Asfalto Americano (IDA), ya sea en función de la viscosidad original de lamuestra (Tabla 2), o de la viscosidad después del ensayo en estufa de películadelgada para los asfaltos envejecidos en laboratorio (Tabla 3), y que refleja uncriterio más técnico para el establecimiento de las propiedades de los cementosasfálticos, ya que ella representa las condiciones del material para el momentoen que comenzará a prestar su servicio sobre la vía, es decir después de habersido trabajado en planta y mezclado con los agregados.

    Tabla 1Especificación COVENIN 1670-95 para cementos asfálticos de pavimentación

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    18/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-12

    Tabla 2Especificaciones ASTM (D3381-83) para cementos asfálticos clasificados en función a la

    viscosidad de la muestra original a 60 °

    (Fuente: "Principles of Construction of Hot-Mix Asphalt Pavements", Instituto del Asfallto.Publicación MS-22, 1983)

    Tabla 3Especificaciones ASTM (D3381-83) para cementos asfálticos clasificados en función a la

    viscosidad de la muestra envejecida mediante el ensayo en Estufa Película Delgada Rodante(TFROT)

    (Fuente: "Principles of Construction of Hot-Mix Asphalt Pavements", Instituto del Asfallto.Publicación MS-22, 1983)

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    19/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-13

    • Asfaltos diluidos (cut-backs)

    Si un C.A. es mezclado con uno de los solventes que han sido previamenteextraídos de un crudo en la torre de destilación durante el proceso de refinación

    (llamado por eso un corte o “cut”), se obtiene un asfalto diluido, precisamentepor esto llamado “cut-back”, pero también denominados “asfaltos líquidos”, o“asfaltos rebajados”. 

    En función del tipo de cemento asfáltico que sirva de base para la mezcla, y deltipo de solvente que se empleé, se obtienen:(1) Asfaltos diluidos de “curado rápido (RC)”, cuando el C.A. es de penetración80/120 y el solvente es nafta o gasolina(2) Asfaltos diluidos de “curado medio (MC)” , cuando el C.A. es de penetración120/250 y el solvente es kerosene(3)  Asfaltos diluidos de “curado lento (SC)”, cuando el C.A. es de penetración

    200/300 y el solvente es un gasóleo, ya sea el gasoil o el diesel.

    El término “curado”, que identifica a estos asfaltos se refiere al proceso deganancia en viscosidad del material que ha sido aplicado, como consecuencia dela evaporación del solvente. La facilidad o rapidez de esta evaporación hace, enconsecuencia, que sean identificados como de curado rápido, medio o lento (porslow en inglés). La rata de curado, por otra parte, también es función de latemperatura ambiente, cantidad de asfalto diluido aplicado y velocidad del viento.

    Los asfaltos diluidos pueden ser de consistencia 30, 70, 250, 800 ó 3.000,correspondiendo este número al resultado del ensayo de “viscosidad Saybolt-

    Furol” (ASTM D244), cuya unidad de medida es el “segundo”. Un asfalto deviscosidad “70” es, en consecuencia, mucho más fluido que un asfalto “3.000”. Laviscosidad resultante es función del tipo y porcentaje de C.A. que sea empleado. Yde la cantidad y tipo del solvente con el que sea mezclado el C.A. El RC-250, porejemplo, contiene aproximadamente un 75% de C.A de penetración 85/100. y un25% de solvente, y un RC-3000 contiene un 85% del mismo tipo de C.A. pero un15% de nafta.

    En Venezuela, por razones de comercialización y desde que comenzó lautilización de asfaltos diluidos (1942), solo se produce un tipo de RC,específicamente el RC-250 — que anteriormente era llamado RC-2 y aun se le conoce de

    esta manera por aquellos profesionales y prácticos de pavimentación con largos años deexperiencia — y no se produce ningún MC ni SC. Como algunas aplicaciones encarreteras —particularmente los “riegos de imprimación 1”— requieren asfaltos de

    1  El riego de imprimación es la aplicación de una película de solo asfalto diluido sobre unasuperficie no tratada ni con asfalto ni cemento, ya sea una base o sub-base granular o sobre lamisma sub-rasante. El equipo mediante el cual se aplica se denomina “camión distribuidor deasfalto”. La cantidad de aplicación varía entre 0.90 y 2.2 l/m2, en función del tipo de superficiesobre la cual se aplique el riego.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    20/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-14

    estos tipos por su mayor tiempo de curado, en Venezuela se ha resuelto esteproblema recurriendo a “ligar” el RC-250 con kerosene, o mas comúnmente congasoil, ya que este último solvente siempre se encuentra disponible en una plantade asfalto por ser el combustible empleado para la propia planta y para los otros

    equipos de pavimentación y/o los camiones en los cuales se transporta la mezclaen caliente.

    El RC-250 puro, sin ligar, se aplica como un riego en cantidades entre 0.15 y 0.35l/m2, dejando una película muy ligera sobre la superficie de una mezcla asfáltica,sobre un suelocemento o sobre un pavimento de concreto hidráulico, el cual sedenomina “riego de adherencia “, y su temperatura de aplicación —ya sea comoriego o en mezclas— se encuentra entre los 45 y 60ºC, por lo cual, cuando seemplean para ser mezclados con agregados —normalmente arenas y gravas derío— se obtienen las llamadas “mezclas en frío”.

    • Asfaltos emulsi ficados

    Un material de pavimentación que ha tomado casi universalmente 2 el lugar de losasfaltos diluidos es conocido como “asfalto emulsificado”, “emulsión asfáltica” osimplemente “emulsión”. Este material es una mezcla de C.A. y agua. Como estosdos componentes no son miscibles, se recurre a la incorporación de un tercerelemento, llamado “agente emulsificante” que permite que la mezcla asfalto— agua—emulsificante sea posible y estable. Los emulsificantes son agentes tenso-activos o surfactantes provenientes de los jabones, arcillas o resinas, y sonproductos patentados.

    Si se representa esquemáticamente una emulsión se puede decir que existen dosfases, una discontinua o dispersa y la otra continua o dispersante. En función deestas fases se producen emulsiones directas o inversas.

    En las emulsiones directas, también llamadas “aceite en agua”, la fase dispersa esel betún y la continua el agua; en las inversas (agua en aceite), la fase discontinuaes el agua y la continua el betún. (Ver Figura 7). Las emulsiones habitualmenteutilizadas en el ámbito vial son del tipo directa.

    2 Venezuela es uno de los pocos países en los que las emulsiones no han tenido una aplicaciónmasiva, debido fundamentalmente a que no se ha vencido la “cultura del asfalto RC-250” y que porno haber una demanda suficiente, tampoco hay una oferta adecuada. Otra razón radica en que,por no ser producidos por Pdvsa sino por empresas manufactureras privadas, su precio es mayoral del RC-250 y las mezclas con ellas producidas mas costosas. Por estas razones, los contratistasdel asfalto no están muy convencidos de las ventajas de las emulsiones y no estimulan su empleo.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    21/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-15

    Figura 7: Esquema de Emulsión directas y emulsión Inversa 

    Por el tamaño de partícula de la fase dispersa las emulsiones asfálticas sonsistemas coloidales.

    Siendo el betún un material hidrófobo, para que este sistema se encuentre enequilibrio requiere de un emulgente; el mismo posee una cadena hidrocarbonadaque tiene dos extremos, uno de ellos posee afinidad con el glóbulo de asfalto y

    constituye la parte lipofílica y el otro extremo está asociada a un grupo que tieneafinidad con el agua (hidrofílico).

    En la superficie interfacial del glóbulo de asfalto y el agua, las fuerzas de enlaceno están compensadas y poseen cargas libres en la superficie, por el tamaño departícula las fuerzas superficiales predominan sobre las gravitatorias. Estas cargaslibres las compensa el emulgente. A todo el conjunto de glóbulo de asfalto yemulgente se lo denomina micela.

    Para lograr la mezcla se introduce el C.A. a un molino coloidal donde literalmenteeste material es molido en glóbulos muy pequeños (de diámetro cercano a 0,0001

    cm), y que al salir del molino son cubiertos por el emulsificante de tal manera queflotan en el agua sin agruparse nuevamente. Cuando los glóbulos se unen pasan aformar una masa mas viscosa, y este proceso de agrupamiento de glóbulos (ocoagulación)  conduce a un incremento de viscosidad del líquido, se denomina“rotura de la emulsión”.

    Agua fase continuaBetún fase dispersa

    Betún fase continuaAgua fase dispersa EMULSION INVERSA

    EMULSION DIRECTA

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    22/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-16

    La velocidad con que se logra la “rotura” (setting en inglés) dependefundamentalmente del tipo de emulsión. Se fabrican emulsiones de “rotura rápida(RS)”, de “rotura media (MS)” y de “rotura lenta (SS)”.

    Las emulsiones RS alcanzan su rotura por el simple contacto entre el materialasfáltico y la superficie sobre la cual se aplican, ya sea un pavimento como en elcaso de los riegos, o sobre los granos gruesos de un agregado en el caso de unamezcla en preparación. Las sales y el PH del agregado producen alteracionesdieléctricas que desbalancean el equilibrio de la emulsión. Normalmente losemulsificantes de las RS son jabones formados por soda cáustica del aguaemulsificada y los ácidos naturales del asfalto. Este tipo de emulsión se empleaprincipalmente como riego de adherencia.

    Las emulsiones MS “rompen” por el contacto entre el agregado fino y la emulsión yse completa por la fricción generada durante el proceso de mezcla agregado-

    emulsión. Los emulsificantes son jabones preformados de algunas resinas yácidos grasos.

    Las emulsiones “SS”, por último, inician su proceso de coagulación (rotura)principalmente por la evaporación del agua que forma la emulsión, la cual secompleta por el proceso de mezclado con el agregado. Los emulsificantescomunes son sub-productos resinosos de la madera o proteínas animales.

    Una característica importante de las emulsiones es que se preparan con unacarga dieléctrica de signo contrario al del agregado con que serán mezclados; asìse encuentran las llamadas ácidas o catiónicas (+), y las denominadas alcalinas o

    aniónicas (-).

    Las emulsiones aniónicas (-) (Figura 8) tienen como emulgente los jabones,oleatos o resinas de sodio o potasio, etc., que producen sobre la superficie delglóbulo de asfalto una carga eléctrica negativa, por lo cual la adherencia con losagregados pétreos no es tan efectiva dado que la mayoría de ellos (granitos, etc.)de origen silíceo están también cargados electronegativamente. Estas emulsionesno comienzan a romper hasta que una porción sustancial del agua se hayaevaporado, y las partículas del betún tengan la posibilidad de unirse y depositarsesobre el agregado pétreo.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    23/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-17

    Figura 8: Micela de emulsión aniónica

    Las catiónicas (+) (Figura 9), tienen como emulsionante compuestos de amoniocuaternario o aminas, que confieren al glóbulo de asfalto una carga positiva.Estas emulsiones rompen principalmente por adsorción del agente emulsionantesobre la superficie del agregado pétreo. (generalmente cargada negativamente).

    Figura 9 :Micela de emulsión catiónica 

    Así, una emulsión “aniónica” será fabricada con un emulgente que carganegativamente al glóbulo o miscela de asfalto, y se mezclará mas fácilmente conun agregado de carga positiva, tales como la caliza y la dolomita. Por el contrario,

    una emulsión “catiónica” está cargada positivamente, y con ellas se logra buenaadhesividad con cualquier tipo de árido, aun con  agregados de carga negativa,como son las gravas de río, que contienen altos porcentajes de sílice y cuarzo. Sefabrican también emulsiones “no-iónicas”, sin carga eléctrica, pero no tienenaplicaciones en pavimentación.

    NH3 

    NH3 

    NH3 

    NH3 

    NH3 

    R

    R

    R

    R

    R

    R

    +

    ++

    + +

    +

     

    COO

    COO

    COO

    COO

    COO

    R

    R

    R

    R

    R

    R

    Glóbulo

    de Betún

    --

    -

    -

    -

    -

    CH3 – (CH2)16 –COO- 

    R

    cadena hidrocarbonada que se orienta dentro del betún

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    24/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-18

    La crisis petrolera del año 1973 hizo que el mercado se orientase hacia lasemulsiones por razones netamente económicas, pues los asfaltos diluidosrequieren para su fabricación de productos altamente necesarios y escasos en elmercado como las gasolinas, kerosenes y gas oil.

    En la década del noventa se fortalece la industria de las emulsiones debido a unamayor toma de conciencia ambiental puesto que los asfaltos diluidos producen unimpacto ambiental negativo al evaporar solventes orgánicos al medio ambiente.

    El principal campo de aplicación de las emulsiones en Venezuela, para la fechaactual (2004) es como riego de adherencia, en reciclaje en sitio en frío y comosello de lechada asfáltica (slurry seal).

    VI. Ensayos normalizados de calidad de los cementos asfálticos

    A continuación se describen brevemente los ensayos exigidos en la NormaCOVENIN 1670-95:

    • Ensayo de penetración

    Permite determinar la dureza o consistencia relativa de los cementos asfálticos,midiendo la distancia que una aguja normalizada penetra verticalmente en unamuestra de asfalto, en unas condiciones especificadas de temperatura, carga ytiempo. El ensayo ha sido normalizado por la Asociación Americana de Ensayosy Materiales (ASTM) bajo el código ASTM D5, y consiste básicamente encolocar una muestra del ligante en un recipiente de volumen normalizado hasta

    alcanzar la temperatura de referencia, apoyar sobre la muestra la aguja y dejarlapenetrar durante un tiempo determinado. La profundidad de penetración se mideen décimas de milímetro. El ensayo convencional se ejecuta a una temperaturade 25 °C, la carga aplicada —aguja + pesa + vástago— es de 100 gramos, y eltiempo de aplicación de la carga es de 5 segundos (Figura 10). Ya que puedeejecutarse este ensayo bajo otras condiciones, al reportar los resultados,siempre deben indicarse en cuales condiciones de temperatura, carga y tiempose ejecutó el ensayo. Es evidente que mientras más blando es el tipo de ligante,mayor será la penetración de la aguja. Este ensayo ha acompañado latecnología del asfalto desde que fue desarrollado en el año 1888 yperfeccionado en el año 1910.

    Los cementos asfálticos que sean identificados en base a este ensayo, seclasifican dentro de uno de los grupos siguientes: 40/50, 60/70, 85/100, 120/150y 200/300, en función del valor de penetración que resulte del ensayo.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    25/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-19

    Figura 10 Ensayo de penetración a 25ºC, 100 g y 5 seg.

    La clasificación de los CA por penetración tiene como ventaja el que esteensayo se ejecuta a aproximadamente la temperatura promedio anual quealcanza un CA a lo largo del año (25ºC), cuando está formando parte de unamezcla de pavimentación. Sin embargo ha sido sustituido por otros sistemas declasificación, por ser el ensayo de penetración totalmente empírico ya que la ratade corte a la cual se somete la muestra durante el ensayo es muy diferente a la

    que sucede realmente en obra.

    • Ensayos de viscosidad

    Los ensayos de viscosidad permiten determinar el grado de fluidez de unmaterial asfáltico a una temperatura determinada. Puede medirse por variosensayos, siendo los más comunes los de: Viscosidad Cinemática o ViscosidadAbsoluta.

    • Viscosidad Cinemática o Absoluta

    Las especificaciones de construcción actuales exigen una cierta fluidez de losasfaltos a temperaturas de 60°C, o de 135°C. En el caso de los cementosasfálticos se ha establecido la temperatura de 60°C, ya que ella representa laque será alcanzada por el pavimento durante su vida de servicio. La temperaturade 135°C permitirá aproximar la viscosidad de los cementos asfálticos en lasetapas de mezclado y compactación. Al conocer la viscosidad de estos asfaltos,a estas temperaturas, se podrá determinar si el ligante propuesto es adecuado,o no, para el pavimento bajo el cual servirá.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    26/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-20

    El ensayo de viscosidad ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D445.En el caso de que se ejecute a 60°C se emplea un "viscosímetro de tubo capilar"(Figura 11), el cual consiste en un tubo de vidrio que permite medir la velocidadde flujo de la muestra de ligante. Los tipos más comunes de viscosímetro son

    los de vacío del Instituto del Asfalto, y de vacío de Cannon-Manning (Figura 12).Estos tubos capilares se calibran mediante el empleo de aceites especiales, y seobtiene para cada uno de ellos una "constante de calibración", o "factor decalibración". Este factor es suministrado directamente por la casa que fabrica losviscosímetros.

    Figura 11: Viscosímetro de tubo capilar en un baño de temperatura constante

    (12.a) (12.b)Figura 12: Viscosímetros de vacío. (129.a): del Instituto del Asfalto (12.b): de Cannon-Manning

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    27/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-21

    El viscosímetro se monta en un baño de agua a y se calienta hasta alcanzar latemperatura constante de 60°C. Una muestra de asfalto, calentada hasta lamisma temperatura, se vacía en el extremo ancho del tubo capilar, y semantiene en el baño a 60°C durante cierto tiempo —el cual debe ser mayor de

    un minuto—- para garantizar que se alcanza exactamente la temperatura exigidaen el ensayo. Debido a que los cementos asfálticos son muy viscosos a latemperatura de 60°C, es necesario aplicar un vacío parcial en el extremodelgado del tubo viscosímetro para que comience el flujo de la muestra deligante. Una vez que el cemento asfáltico comienza a fluir, se mide, mediante uncronómetro, el tiempo que tarda en pasar por dos de las marcas delviscosímetro. Al multiplicar ese tiempo por el "factor de calibración", se obtienela viscosidad en "poises", que es la unidad patrón de medición de la viscosidadabsoluta, ya que se empleó un vacío parcial durante el ensayo.

    Como se observa de la Figura 12.a, el viscosímetro del Instituto del Asfalto ha

    sido diseñado con varias marcas para medir el tiempo de flujo; seleccionando elpar apropiado se puede emplear el mismo viscosímetro para asfaltos con unaamplia variación de consistencia. En el caso de viscosímetros Cannon-Manninges necesario disponer de varios tubos, cada uno será aplicable a un tipo deasfalto determinado.

    Cuando se ejecuta el ensayo a la temperatura de 135°C, y debido a que a esatemperatura los cementos asfálticos son mucho menos viscosos, ellos puedenfluir fácilmente sin que sea necesario aplicar el vacío parcial, es decir fluyensimplemente bajo la fuerza de gravedad. Se emplea, en consecuencia un tipo deviscosímetro diferente, siendo el de uso más común el "Zeitfuchs de brazos

    cruzados" (Figura 13), el cual es también calibrado por el fabricante mediante elempleo de aceites especiales. Por otra parte, ya que el ensayo se ejecuta a 135°C, no puede emplearse agua para calentar la muestra y el equipo; se empleanaceites de color muy claro que faciliten la observación del proceso. Elprocedimiento de ensayo es similar al descrito anteriormente, pero se aplica unapequeña presión en la parte gruesa del tubo para que la muestra comience afluir. Cuando el asfalto pasa entre las dos marcas del tubo, se mide el tiempoque tarda en hacerlo. Este lapso, en segundos, se multiplica por el "factor decalibración" del viscosímetro que se haya empleado, y se obtendrá laviscosidad cinemática, que se mide en "centistokes —cSt—".

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    28/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-22

    Figura 13: Tubo capilar de brazos cruzados y viscosímetro de gravedad 

    Es necesario recordar que las medidas de viscosidad para 135°C y para 60°C,se expresan en centistokes (cSt) y poises (P) respectivamente. En el ensayo deviscosidad cinemática, la gravedad induce el flujo (resultados en centistokes), yla velocidad de flujo a través del tubo depende de la densidad del material. En elensayo de viscosidad absoluta, los resultados se dan en poises, y el flujo através del tubo se induce por medio de un vacío parcial, siendo despreciableslos efectos de la fuerza de gravedad. Estas unidades —centistokes y poises—-pueden ser convertidas una en otra aplicando, simplemente, un factor que es

    función de la densidad del líquido ensayado.

    • Ensayo de Punto de Inflamación

    El punto de inflamación de un material asfáltico se define como la temperaturamás baja a la cual se separan, en suficiente concentración, los componentesvolátiles del material, como para que se inflamen en presencia de una llamaexterna. Esta temperatura, en los cementos asfálticos, como en cualquier otroligante asfáltico, permite determinar la temperatura a la cual pueden manejarse yalmacenarse sin peligro de inflamación. Esta es una información importante, yaque los asfaltos deben ser calentados a temperaturas relativamente elevadas,

    con el fin de reducir su viscosidad y permitir que puedan ser bombeados de unsitio a otro. El ensayo más frecuente para determinar el punto de inflamación esel de la "Copa abierta Cleveland", el cual ha sido normalizado por la ASTM bajoel número D92. En algunas oportunidades se emplea el procedimiento Pensky-Martens (ASTM D93) con el mismo propósito de determinar el punto deinflamación.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    29/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-23

    El procedimiento básico en el ensayo Cleveland consiste en ir calentandogradualmente una muestra de asfalto en una copa de bronce (Figura 14). Alllegarse a una temperatura aproximada de 10°C por debajo de la temperatura depunto de inflamación esperada, se pasa periódicamente una pequeña llama

    sobre la superficie de la muestra; se registra la temperatura de la muestra en elmomento que se presenta la inflamación de los vapores que libera la muestraante el paso de la llama de ensayo, esta temperatura es el "punto deinflamación" de esa muestra.

    Los cementos asfálticos tienen un punto de inflamación superior a los 232ºC,mientras que un asfalto diluido este valor es tan bajo como 45ºC.

    (14.a) (14.b)Figura 14. Equipos de determinación del punto de inflamación: (14.a): Copa abierta Cleveland. (COC)

    (14.b): Copa Pensky-Martens

    • Ensayo en Estufa de Película Delgada (TFOT 3)

    Este ensayo, uno de los de mayor importancia en la actualidad, no persigueproporcionar algún resultado directo —excepto la pérdida por calentamiento—-sino reproducir las condiciones de temperatura y tiempo de manejo a las cualeslos cementos asfálticos serán sometidos realmente en una planta de asfalto.Estas condiciones producen un endurecimiento del cemento asfáltico, y susefectos sobre el ligante se miden por la relación entre algunas propiedades"antes" y "después" del ensayo; estas relaciones son empleadas para medir elenvejecimiento que el material sufrirá, a corto plazo, durante las etapas depreparación de la mezcla en planta (almacenamiento del ligante y mezclado delligante con el agregado), y de transporte, extendido y compactación de lamezcla.

    3 TFOT por sus siglas en inglés: Thin Film Oven Test.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    30/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-24

    El ensayo TFOT consiste en colocar una muestra de un peso determinado (50 g)en un recipiente cilíndrico de 13,97 cm. de diámetro, con un fondo plano, enforma tal que el espesor del material sea de aproximadamente 3 mm (Figura15). La muestra se coloca sobre un soporte giratorio dentro de un horno y se

    mantiene a una temperatura de 163°C -que representa la temperatura a la cualse calienta el asfalto en una planta de mezclado —durante un lapso de 5horas— que corresponde al tiempo que se estima que un material asfálticopodrá recircular dentro de la planta antes de ser mezclado con los agregados.La muestra que ha sido artificialmente envejecida se somete a los ensayosconvencionales de viscosidad y/o penetración. Este método ha sido normalizadopor la ASTM bajo el número D-1754.

    Figura 15: Ensayo en Estufa de Película Delgada (TFOT) 

    En algunos estados del oeste de los Estados Unidos se emplea el "Ensayo enEstufa de Película Delgada Rodante (TFROT 4)" (ASTM D-2872) que consisteen una modificación del equipo y procedimiento del TFOT aún cuando elpropósito del ensayo es el mismo. Este método se ejecuta en un hornoespecialmente diseñado, dentro del cual se colocan unos frascos de vidriosemejante a "tubos de ensayo" que contienen las muestras de material aensayar (Figura 16). Los tubos se colocan horizontalmente dentro del horno y seponen a girar y rotar. La temperatura de ensayo se mantiene a 163°C. Mediantela rotación del tubo se logra exponer directamente todo el volumen del material a

    la temperatura de ensayo. Adicionalmente, una vez durante cada rotación, eltubo pasa frente a un chorro de aire caliente que permite remover cualquiervapor que se haya acumulado dentro de él. Las ventajas del procedimientoTFROT sobre el TFOT son que permite acomodar un mayor número demuestras dentro del horno, y que requiere un menor tiempo de ensayo (tan solo75 minutos) para alcanzar el mismo grado de endurecimiento que en el TFOT.

    4 TFROT por sus siglas en inglés Thin Film Rolling Oven Test.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    31/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-25

    Figura 16: Ensayo en Estufa Rodante de Película Delgada (TFROT)

    • Ensayo de Ductilidad

    La ductilidad es una medida de cuanto puede alargarse o estirarse una muestrade cemento asfáltico antes de que se rompa en dos partes. Esta propiedad semide mediante un ensayo de "estiramiento" en el cual una briqueta del cementoasfáltico se alarga a una velocidad y temperatura determinada. El estiramientose mantiene hasta que el hilo que se va formando se parta en dos (Figura 17).La longitud del hilo en el momento de rotura, en centímetros, se define como laductilidad de la muestra ensayada. Este método ha sido normalizado por laASTM bajo el número D-113.

    Es más importante la existencia de la ductilidad que el valor directamenteobtenido en el ensayo. Los materiales asfálticos con ductilidad tienen mejorespropiedades cementantes que aquellos sin esta propiedad.

    Figura 17: Ensayo de Ductilidad

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    32/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-26

    • Ensayo de Solubil idad

    El ensayo de solubilidad determina la pureza del cemento asfáltico. La partesoluble en bisulfuro de carbono —o en tricloroetileno que es menos peligroso en

    su manejo en laboratorio— representa los constituyentes activos decementación; sólo los materiales inertes como sales, carbón libre ocontaminantes inorgánicos son insolubles.

    Este método ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-2042 y consisteen disolver aproximadamente 2 gr de muestra en 100 ml de solvente. Estasolución se filtra a través de una lámina de asbesto colocada dentro de un crisolde porcelana (crisol Gooch). Se pesa el material retenido por el filtro y se leexpresa como un porcentaje de la muestra original, obteniéndose por diferenciael porcentaje soluble en bisulfuro (Figura 18).

    Figura 18: Ensayo de Solubilidad en Bisulfuro de Carbono

    • Ensayo de Punto de Ablandamiento

    Los asfaltos, tal como ha sido señalado en los ensayos de viscosidad, sereblandecen a temperaturas diferentes. El "punto de ablandamiento" sedetermina por el procedimiento de "anillo y bola" que consiste en llenar deasfalto un anillo de latón de dimensiones determinadas. La muestra asípreparada se suspende en un baño de agua, y sobre el centro del anillo se

    coloca una bola de acero de dimensiones y peso especificados. A continuaciónse calienta el baño de agua a una rata de incremento determinada, y se anota latemperatura a la cual la bola de acero toca una barra de acero que estácolocada a 2,54 cm por debajo de la posición inicial del anillo (Figura 19). Estatemperatura se define como el "Punto de Ablandamiento" de la muestraensayada y es también una medida de la consistencia del ligante.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    33/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-27

    Figura 19: Ensayo de Punto de Ablandamiento

    Este ensayo ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-2398, y esempleado fundamentalmente para conocer el grado o índice de susceptibilidadque un material tiene ante las variaciones de temperatura. Posteriormente sehará referencia a esta propiedad de los materiales asfálticos.

    • Ensayo de Peso Específico (Gravedad Específica)

    El valor del peso específico del cemento asfáltico no forma parte de las

    especificaciones para estos materiales, pero debe ser determinado ya que serequiere para efectuar las correcciones de volumen cuando se manipula atemperaturas elevadas, y más importante aún para el cálculo de la densidad yvacíos de las mezclas asfálticas.

    El peso específico se define como la relación del peso de un volumendeterminado de material y el peso de un volumen igual de agua, ambosvolúmenes a una misma temperatura.

    Este ensayo ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-70, y sedetermina el peso que la muestra de cemento asfáltico alcanza dentro de un

    frasco de vidrio —llamado picnómetro— que tiene un volumen conocido (Figura20). El peso específico se determina a temperaturas de 15,5°C para efectos decálculos volumétricos en las transacciones comerciales, y a 25°C para cálculosde vacíos en las mezclas asfálticas; es el valor a esta última temperatura el queinteresa al Ingeniero de Pavimentos.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    34/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-28

    Figura 20: Ensayo de Gravedad Específica del Cemento Asfáltico

    • Ensayo de Mancha

    El propósito de este ensayo es determinar si un C.A. ha sido dañado debido asobrecalentamiento, durante su proceso de refinación. Como esta posibilidad esmuy remota, por los controles que actualmente se emplean en las refinerías,normalmente no se incluye como parte de las especificaciones. Este ensayo esuna forma simple de cromatografía por papel, ya que consiste en una inspecciónvisual de la mancha dejada sobre un papel filtro, de una muestra de C.A.

    disuelto en un solvente estándar, corrientemente nafta. Si la mancha dejadasobre el papel es uniforme y de un calor marrón, el ensayo se reporta como“negativo” y el material es aceptable. Si en el centro de la mancha, por elcontrario, aparece una zona circular de color negro, el resultado del ensayo sereporta como “positivo” y la muestra debe ser rechazada (Figura 21). La validezdel resultado de este ensayo ha sido siempre discutida, y debe señalarse queno debe ejecutarse el ensayo sobre muestras recuperadas (extraídas) de unamezcla asfáltica.

    Figura 21: Posibles resultados en el ensayo de la Mancha Olifensis(negativo (lado izquierdo) y positivo (lado derecho)

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    35/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-29

    • Valores típicos de las propiedades físicas de los asfaltos de penetraciónproducidos por la industria petrolera nacional

    La Figura 22 muestra, como ejemplo, los valores de resultados de los ensayos

    ejecutados sobre una muestra de cemento asfáltico venezolano tipo A-20, talcomo los reporta la industria petrolera nacional en los “Certificados de Calidad”que son entregados a un comprador cada vez que se despacha una gandolacon estos productos, y son una garantía de la calidad del producto que Pdvsasuministra en sus refinerías del CRP y/o de Bajo Grande.

    Figura 22: Modelo de “Certificado de calidad” que debe acompañarcada despacho de Cemento Asfáltico de acuerdo a la norma venezolana

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    36/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-30

    •VII. Los nuevos ensayos y criterios “ Superpave®”

    Los ensayos físicos que se ejecutan sobre los C.A., y las especificacionescorrespondientes, tienen una serie de limitaciones:

    (a). Algunos ensayos, como los de penetración, punto de ablandamiento yductilidad, son empíricos y no tienen ninguna relación directa con elcomportamiento de las mezclas en el pavimento.(b) Los ensayos son ejecutados a una temperatura fija, y no toman enconsideración las diferencias climáticas en que un mismo material puedaser utilizado en regiones distintas.(c) No cubren los rangos probables de variaciones de temperatura a losque puede estar sometido el material asfáltico a lo largo de su tiempo deservicio.(d) Consideran solo los efectos de envejecimiento a corto plazo, tal como

    lo hace el ensayo de TFROT, en el cual la muestra se somete a uncondicionamiento de cinco horas, que asemeja el manejo en una plantade asfalto. Estos ensayos no reproducen, sin embargo, los efectos delclima a lo largo del periodo de servicio de un pavimento.(e) No se incluyen ensayos y especificaciones para asfaltos modificados,que son productos que han venido ganando aceptación en los últimosaños.(f) Los cementos asfálticos pueden tener diferentes temperaturas ycaracterísticas de desempeño, dentro de un mismo sistema declasificación, ya sea por penetración o viscosidad.

    Reconociendo las limitaciones anteriores en las normas y ensayos actuales, seinicio un programa de investigación en el ano 1987, con una duración de cincoaños y una inversión de 50 MM de US$, como una parte del “Programa deInvestigación Estratégica en Carreteras” (SHRP por sus siglas en ingles). En elcampo de los materiales y mezclas asfálticas se perseguía el desarrollarensayos con sustento científico y especificaciones relacionadas con eldesempeño a lo largo del tiempo de servicio en obra.

    Como resultado de este esfuerzo investigativo, surge el llamado “SistemaSuperpave®” –así denominado por su acronismo de las palabras inglesasSUperior PERforming Asphalt PAVEments y el cual ha sido registrado como

    nombre propio por la FHWA.

    Las características sobresalientes de Superpave® son:

    (a) Los ensayos y normas son aplicables tanto a los cementos asfálticosdirectamente producidos en las refinerías, llamados “asfaltos vírgenes”,como a los asfaltos a los que se les incorpore un modificador. El términoque se aplica para cubrir ambos tipos de materiales es el de “ligante” y,

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    37/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-31

    dentro del Sistema Superpave®, se identifican con las siglas “PG”tomadas de las palabras inglesas “PERFOMANCE GRADE”.(b) El criterio, o propiedad, a ser normado permanece constante y varía latemperatura a la cual debe ser satisfecho este criterio.(c) Las propiedades físicas medidas en los ligantes Superpave estándirectamente relacionadas con comportamiento en campo a través deprincipios de ingeniería.(d) Se contempla el rango total de temperaturas a la cual estará sometidoel ligante en función de las condiciones climáticas y periodo de servicio.(e) La especificación Superpave requiere que el ligante sea ensayado atres condiciones o etapas de trabajo (e-1) condición del ligante al salir dela refinería y que debe ser transportado y almacenado, antes de sermezclado con el agregado; (e-2) condición del ligante durante el procesode manejo en planta y mezclado con el agregado (envejecimiento a cortoplazo); y (e-3) condición del ligante durante su vida de servicio, es decir, a

    partir de su colocación y compactación en la carretera.(f) Los ensayos y especificaciones están dirigidos a controlar tres tipos defallas específicas de las mezclas asfálticas: (f-1) deformación permanentea altas temperaturas; (f-2) agrietamiento por fatiga a temperaturasintermedias; y (f-3) agrietamiento térmico a bajas temperaturas.(g) Las unidades empleadas en los ensayos y especificaciones están deacuerdo a lo indicado en el Sistema Internacional de Unidades (SI).

    • Los ensayos “Superpave®”

    La Tabla 4 resume los diferentes ensayos Superpave sobre el ligante asfáltico,

    sus propósitos y los parámetros de comportamiento con los que estánasociados.

    Tabla 4Resumen de los ensayos Superpave® sobre los ligantes asfálticos

    Ensayo Propós ito Parám etro de com portam iento

    Punto de Inflamación Copa Abierta ClevelandSeguridad industrial durante la operación de laplanta de asfalto

    Ninguno

    Viscosímetro rotacional (RV)Medición de las propiedades del ligante a altastemperaturas durante la etapa de construcc ión

    Temperaturas de bombeo y mezclado

    Película delgada rodante en estufa (TFROT)Simulación del envejecimiento del ligante durantelas etapas iniciales de mezclado, transporte ycolocación

    Resistencia al envejecimiento durante laconstrucción de la capa asfáltica

    Cámara de envejecimiento a presión (PAV)Simulación del envejecimiento del ligante a lo largode la vida de servicio, una vez que la capaasfáltica ha sido puesta en servicio

    Resistencia al envejecimiento durante lavida de servicio de la capa asf áltica

    Reómetro de corte directo (DSR)Medición de las propiedades del ligante atemperaturas medias y altas durante la vida deservicio

    Resistencia a la deformación permanente(ahuellamiento) y agrietamiento por fatiga

    Reómetro de viga a flexión (BBR)Medición de las propiedades del ligante atemperaturas bajas durante la vida de serv icio

    Resistencia al agrietamiento por fatigatérmica

    Ensayo de tensión directa (DTT)Medición de las propiedades del ligante atemperaturas bajas durante la vida de serv icio

    Resistencia al agrietamiento por fatigatérmica

     

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    38/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-32

    A continuación se describen los nuevos ensayos Superpave:

    Ensayo de Punto de Inflamación en Copa Abierta Cleveland (COC)

    Este ensayo ya fue anteriormente descrito y se mantiene en la especificaciónSuperpave como medida de seguridad industrial ya que en toda planta deasfalto existen dos puntos de llama (caldera de aceite térmico y quemador osoplete del tambor secador), y permite conocer la temperatura mínima para lainflamación en presencia de una llama externa. La especificación Superpaveestablece un mínimo de 230°C para todos los tipos de ligantes.

    Ensayo de viscosímetro rotacional (RV)

    La especificación Superpave ha adoptado este ensayo con el fin de determinarla viscosidad de los ligantes a las temperaturas de trabajo –siempre mayores a

    los 100 °C –, con el fin de asegurarse de que el ligante este suficientementefluido como para ser bombeado con facilidad y para permitir un adecuadomezclado y cubrimiento del agregado. Este ensayo se ha escogido ya quepermite ensayar asfaltos vírgenes modificados, que por su alta viscosidad nopueden ser ensayados en viscosímetros capilares, como los que han sidoanteriormente descritos. La especificación Superpave establece un máximo deviscosidad de 3 Pa-s a una temperatura de 135°C, siendo esta temperatura lamínima de mezclado en las normas de construcción de mezclas en planta encaliente. El ensayo ha sido normalizado por la ASTM bajo el código D 4402(Viscosidad Brookfield); la Figura 23 presenta el principio de operación delviscosímetro rotacional.

    Figura 23: Principio de funcionamiento del viscosímetro rotacional

    El equipo aplica una torsión para mantener una velocidad rotacional constantede 20 rpm en un cilindro vertical mientras la muestra se mantiene a unatemperatura de 135°C. Esta torsión esta directamente relacionada con laviscosidad de la muestra, la cual es leída directamente en la pantalla delviscosímetro, tal como se muestra en la Figura 24.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    39/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-33

    Figura 24: Diagrama esquemático del Viscosímetro Brookfield

    Ensayo de envejecimiento en TFROT

    El ensayo TFROT (ASTM D2872), que ya ha sido descrito anteriormente, seincluye como parte de la metodología Superpave con el fin de simular elenvejecimiento a corto plazo que sufre un ligante durante el tiempo en quecircula caliente por las tuberías y tanques de una planta de mezclado (unascinco horas), y posteriormente durante el tiempo en que es mezclado con elagregado (cercano a un minuto). El ensayo de TFROT fue seleccionado ya quepermite exponer continuamente el ligante al calor y a la corriente de aire

    caliente durante su movimiento de rotación dentro del equipo; por otra parte,permite, gracias a este movimiento rotacional de la muestra, el que, en caso deemplear modificadores de ligante, el que estos se mantengan dispersos en elasfalto, sin formar una capa o piel que evite el envejecimiento uniforme de latotalidad de la muestra bajo ensayo. Las muestras de asfalto condicionado porTFROT serán posteriormente sometidas al ensayo de DSR. En lasespecificaciones Superpave se indica adicionalmente, en cuanto al residuo delmaterial sometido al TFROT, el que la perdida de masa no exceda el 1%.

    Ensayo de Envejecimiento en Cámara a Presión (PAV)

    Este ensayo fue incluido como parte de Superpave con el fin de simular elproceso de envejecimiento al que estará sometido un ligante asfáltico duranteun lapso –estimado entre 5 y 10 años– de su vida de servicio como parte delpavimento. El ensayo se ejecuta sobre las muestras que ya han sidosometidas al ensayo de TFROT, ya que un ligante antes de ser colocado,como parte de la mezcla en el pavimento, ha sufrido un envejecimiento previodurante su calentamiento y mezclado en planta.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    40/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-34

    El equipo de PAV consiste de un cilindro metalico que permite aplicar aire apresión hasta alcanzar los 2070 kPa, a un grupo de muestras que se colocandentro de una rejilla (bastidor) a la temperatura de ensayo, la cual puede serde 90°C, 100°C o 110°C, y la cual se debe mantener durante un periodo de 20

    horas. Luego de este lapso las muestras se colocan dentro de un horno, a unatemperatura de 163°C, durante 30 minutos, con el fin de eliminar cualquier aireque haya podido quedar atrapado dentro de la muestra.

    Las muestras que han sido condicionadas con el PAV son posteriormentesometidas a ensayos de DSR, BBR y DDT, tal como se comentara masadelante. La Figura 25 muestra un corte esquemático de una cámara PAV.

    Figura 25: Equipo de Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV)

    Ensayo de Reómetro de Viga a Flexión (BBR)

    Debido a la alta rigidez de un ligante a bajas temperaturas, puede sufriragrietamiento por temperatura, aun cuando no estuviese sometido al paso delas cargas, especialmente cuando la caída de temperatura es muy brusca. Amedida que el pavimento se contrae, comienzan a generarse esfuerzos dentrode la estructura del pavimento, que pueden exceder la capacidad de relajación

    de la mezcla asfáltica, y el pavimento se agrieta como el medio para aliviar losesfuerzos internos.

    El equipo de BBR es un aparato simple que mide cuanto puede deformarse unligante –sometido a una carga constante– cuando se encuentra a bajastemperaturas y se comporta como un sólido elástico. El principio de operaciónse ilustra en la Figura 26, y consiste en someter a una muestra, con lasdimensiones de una pequeña muestra prismática (viga), a una carga en su

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    41/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-35

    punto medio durante un tiempo de cuatro minutos. El sistema de mediciónregistra la carga y la deflexión de la viga y se calcula su resistencia a lafluencia (creep) y la rata de deformación.

    Figura 26: Equipo de Reómetro de Viga a Flexión (BBR)

    Debido a las condiciones climáticas de Venezuela, bajo las cuales no sucedenbajas temperaturas, no se considera necesario profundizar en el sentido deeste ensayo.

    Ensayo de Tensión Directa (DTT)

    Diversos estudios relacionados con el comportamiento de los asfaltos a bajastemperaturas han demostrado una buena correlación entre su rigidez y elalargamiento que este soporta antes de romperse. Los asfaltos que soportanun considerable alargamiento son denominados “dúctiles”, mientras que losque se rompen con poco alargamiento son llamados “frágiles”. Es importanteque un ligante soporte un mínimo de alargamiento. Generalmente los asfaltosmas viscosos son mas frágiles y los menos viscosos mas dúctiles.

    La Figura 27 ilustra en forma esquemática el ensayo DDT, que es ejecutado alas temperaturas en que el ligante tiene un comportamiento frágil, es decir en

    el rango entre 0°C y -36°C. El ensayo se ejecuta sobre muestras previamentecondicionadas (envejecidas) por TFROT y PAV.

    Al igual que el ensayo BBR, debido a las condiciones climáticas de Venezuela,bajo las cuales no suceden bajas temperaturas, no se considera necesarioprofundizar en el sentido de este ensayo.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    42/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-36

    Figura 27: Esquema del Ensayo de Tensión Directa (DDT)

    Ensayo de reómetro de corte directo (DSR)

    En este ensayo, conocido también como reómetro dinámico de corte, seemplean equipos que han sido utilizados durante muchos años en la industriadel plástico y sirve para evaluar el comportamiento del ligante en función deltiempo de carga y la temperatura de aplicación. El DSR es usado para evaluar

    las propiedades reológicas (comportamiento viscoso y elástico) a temperaturasintermedias y altas, en función de los siguientes parámetros: (a) Modulocomplejo de corte (G*) y (b) ángulo de fase (δ-delta). El Modulo Complejo (G*)puede ser considerado como la resistencia total del ligante a ser deformadocuando este es sometido a un esfuerzo cortante repetitivo. El G* consiste dedos componentes: el Módulo de almacenamiento (G’) o su parte elástica(recuperable) y el Módulo de perdida (G’’) o su componente viscoso (norecuperable). El ángulo de fase (δ) es un indicador de la cantidad relativa dedeformación recuperable y no recuperable.

    Tal como se muestra en la Figura 28, los ligantes se comportan como sólidos

    elásticos cuando están a muy bajas temperaturas (G’), pero a altastemperaturas (muy por arriba de las temperaturas que alcanzan en unpavimento en una carretera) se comportan como fluidos viscosos (G’’). A lastemperaturas que puede alcanzar en un pavimento, en consecuencia, el ligantese comporta como un material visco-elástico que, cuando es cargado, parte desu deformación será recuperable y otra parte no lo será.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    43/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-37

    Figura28:Componentes del Modulo Complejo (G*)

    El principio de operación del DSR es muy simple: el ligante es colocado entreuna placa fija y otra que oscila. Cuando se aplica un movimiento de giro(torsión) a la placa oscilante, esta se mueve del punto A al punto B (Figura 29).Del punto B regresa hasta el punto C, pasando nuevamente por A. Del puntoC, finalmente regresa al punto A. El movimiento total comprende un ciclo deoscilación. Si ocurriesen dos ciclos en un segundo la frecuencia de oscilaciónseria de dos ciclos por segundo o dos hertz (Hz). Todos los ensayosSuperpave® son ejecutados a una frecuencia de 1.59 Hz, lo que esequivalente a 10 radianes por segundo, y que a su vez representa un vehículoviajando a una velocidad aproximada de 90 kph.

    Figura 29: Equipo DSR

    La relación entre el esfuerzo aplicado (τ) y la deformación resultante (γ) seemplea para calcular el valor de G*:

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    44/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-38

    G* =τmax / γmax

    El tiempo transcurrido entre la carga aplicada y la deformación resultante

    corresponde al ángulo de fase ( ). Para un material perfectamente elástico,sucede una respuesta instantánea y, por lo tanto, el valor de es cero. Cuandose ensaya un líquido viscoso, tal como un cemento asfáltico muy caliente, nohay muy poca recuperación de la deformación y el tiempo de fase es muylargo; en este caso se aproxima a los 90 grados. Tal como ha sidomencionado, los ligantes asfálticos a las temperaturas de trabajo muestran uncomportamiento esfuerzo-deformación comprendido entre estos dos extremos.

    Figura 30: Respuesta esfuerzo-deformación de un material viscoelástico

    El equipo DSR se emplea en la especificación Superpave® para medir laspropiedades de los ligantes a temperaturas de servicio máximas e intermedias.El valor para la “temperatura máxima” de ensayo se determina promediandolas mas altas temperaturas del pavimento durante lapsos de siete díascontinuos, y se toma el promedio máximo resultante. La “temperaturaintermedia” se fija en un promedio aproximado entre la máxima “temperatura

    alta” y la temperatura mínima, siendo esta el menor valor de temperatura quealcanza el pavimento en el sitio en que será colocado.

    La medición de los valores de G* y δ  se efectúan tres veces con el equipoDSR: en sus condiciones de (1) ligante original (no envejecido), (2) envejecidoen TFROT y por ultimo (3) envejecido en el equipo PAV. Las muestras deligante original y envejecido en TFROT se ensayan a la temperatura máximapara determinar su habilidad para resistir la deformación permanente o

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    45/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-39

    ahuellamiento. Las muestras condicionadas mediante el PAV se ensayan a latemperatura intermedia para determinar la capacidad del ligante para resistir elagrietamiento por fatiga.

    Tipos de ligantes según el Grado PG

    La Tabla 5 presenta los tipos de ligantes “PG” de acuerdo al SistemaSuperpave® y en la Tabla 8 se detallan los requisitos físicos establecidos en laespecificación AASHTO MP1-93 para cada Grado PG.

    Tabla 5Grados de ligante PG

    Nota: los caracteres XX y YY corresponden a la máxima y mínima temperatura de trabajo en elpavimento esperado en el sitio de trabajo.

    Para determinar las temperaturas máximas y mínimas en el sitio de la obra,para así definir el tipo de “Grado PG”, y por lo tanto las temperaturas alta,intermedia y baja para la ejecución de los ensayos, Superpave proponedisponer de una base de datos de temperatura del aire lo suficientementeamplia, con un mínimo de 20 años de registro, en el sitio de proyecto y definirpara cada ano los siete (7) días continuos de mayor temperatura. El promedioque resulte más alto se toma como la máxima temperatura del aire. Latemperatura mínima, por otra parte, se toma como la menor temperaturadurante los años de registro. La temperatura intermedia se establece como elpromedio aritmético de la máxima y mínima temperatura, y a este promedio sele suman 4°C.

    Las nuevas especificaciones Superpave®, sin embargo, están basadas en lastemperaturas del pavimento y no en las del aire. La temperatura máxima dediseño esta definida a una profundidad de 20 mm por debajo de la superficiedel pavimento, y la mínima se toma en su superficie. Utilizando distintasmetodologías y modelos existentes, Superpave® desarrollo las siguientesecuaciones para correlacionar las temperaturas del pavimento con lastemperaturas del aire:

    Tipo de ligante Temperaturamáxima

    (°C )

    Temperaturas mínimas(°C )

    PG-XX–YY  46 –34, –40, –46PG-XX–YY  52 –10, –16, –22, –28, –34, –40, –46PG-XX–YY  58 –16, –22, –28, –34, –40PG-XX–YY  64 –10, –16, –22, –28, –34, –40PG-XX–YY  70 –10, –16, –22, –28, –34, –40PG-XX–YY  76 –10, –16, –22, –28, –34PG-XX–YY  82 –10, –16, –22, –28, –34

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    46/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-40

    (a) Temperatura máxima (T 20mm)

    T20mm =   78.17)9545.0(*)2.42*2289.02*00618.0(   −++−  Lat  Lat Taire  

    Donde:T20mm  = temperatura máxima a una profundidad de 20 mm delpavimento (°C)Taire = promedio de las máximas temperaturas del aire durante 7 díascontinuos (°C)Lat = Latitud geográfica del proyecto en grados

    (b) Temperatura mínima (T superf )

    Tsuperf  = 7.1*859.0   +Taire  

    Donde:Tsuperf  = temperatura mínima de diseño en la superficie (°C)

    Taire = Temperatura mínima del aire (°C)

    Se incluye, además, un procedimiento para mejorar la confiabilidad en laselección del ligante, el cual consiste en afectar las temperaturas del aire, tantola máxima como la mínima en el valor de dos veces la desviación estándar,

    con lo cual se introduce una confiabilidad estadística del 98%. Según algunosinvestigadores este nivel de confianza implica valores muy conservadores en elproceso de selección del tipo de ligante. Adicionalmente, las temperaturasmáximas y mínimas de los Grados PG especificados por Superpave deben seriguales o mayores a las calculadas para 50% de confiabilidad (valorespromedios) o 98% de confianza, lo que significa que, según el criterioempleado, de no cumplirse con un determinado grado, será necesarioseleccionar el Grado PG inmediatamente superior, lo que en la practicasignifica que se incrementara en 6 C las temperaturas, ya que los Grados PGmostrados en la Tabla 5 varían de seis en seis grados, tanto para temperaturasmáximas como para las mínimas.

    Adicionalmente Superpave recomienda que en climas muy calidos, transitopesado a muy baja velocidad (como en los accesos a los peajes o alcabalas),o en vías con un muy alto numero de repeticiones de ejes equivalentes dediseño (mas de 30 millones), se incremente en uno o dos Grados PG latemperatura máxima del ligante.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    47/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-41

    Es importante señalar que el Sistema Superpave® advierte que la seleccióndel tipo de ligante, siguiendo los criterios anteriormente expuestos, norepresenta una garantía del buen comportamiento del pavimento, ya que lafatiga es muy dependiente de la carga vehicular y de la estructura del

    pavimento. La deformación permanente de una mezcla, por otra parte, estadirectamente relacionada con su capacidad para absorber los esfuerzos, lo quedepende en gran parte de la interrelación asfalto-agregado, y de laspropiedades mismas del agregado que sea empleado en la mezcla asfáltica.Puede concluirse, finalmente, que la selección de un tipo de Grado PGcomprende una serie de factores que el Ingeniero de Pavimentos debeconsiderar para la predicción del posible comportamiento del pavimento.

    La Especificación Superpave® 

    La especificación Superpave® para los ligantes asfálticos parte del principio de

    que las propiedades  establecidas para un ensayo permanecen constantesindependientemente del tipo de ligante “PG” propuesto o seleccionado, pero quela temperatura a la cual debe ser obtenida cambia de grado a grado de ligante,dependiendo del rango de temperaturas que caracterizan el clima en el lugar enque el ligante “PG” vaya a ser empleado. Los ligantes, en consecuencia, sondenominados no solo como “PG”, sino que su identificación se complementa condos pares de dígitos: el primer par corresponde a la temperatura máxima a lacual ha de trabajar el pavimento, y el segundo par, precedido de un signonegativo (–), significa la temperatura mínima que se espera que alcance elpavimento en este sitio de trabajo. Así, un ligante “PG-64–28” debe serempleado en un sitio en el cual las temperaturas máximas y mínimas esperadas 

    por el pavimento varíen entre los +64 C y los ( –)28 C.

    Tal como ha sido señalado, la Especificación Superpave® (AASHTO MP1-93)esta relacionada con el comportamiento del pavimento, por lo cual esta dirigida aatender los tres parámetros principales que caracterizan su desempeño: (a)deformación permanente o ahuellamiento; (b) agrietamiento por fatiga y (c)agrietamiento por baja temperatura o fatiga térmica. Adicionalmente incluyeaspectos relacionados con seguridad, bombeo y manejo, y evalúa el aspecto delenvejecimiento a corto y largo plazo.

    El parámetro de deformación permanente (ahuellamiento)

    Para que un ligante presente una adecuada resistencia al ahuellamiento, serequiere que posea tanto un alto valor de Modulo Complejo (G*) como un bajoAngulo de fase (δ). A un mayor G* corresponde una mayor rigidez del ligante, yen consecuencia mayor será su resistencia al ahuellamiento. Por otra parte, unmenor δ  significa que el ligante tendrá mayor elasticidad, es decir podrárecuperar la deformación que le sea generada por una carga aplicada.

  • 8/20/2019 39839586 Apuntes Pavimentos Volumen 2 Abril 2008

    48/279

      Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

    1-42

    Las determinaciones de G* y δ  se realizan a altas temperaturas, tanto a lasmuestras de ligante original como a las envejecidas por TFROT. Las muestrasbajo esta ultima condición representan al ligante en sus momentos iniciales delperiodo de comportamiento, es decir inmediatamente después de haber sido ya

    colocada y compactada la mezcla en la carretera y en el momento exactamenteantes de que comience su posible envejecimiento “por estar en servicio”. Ya quepor el envejecimiento sobre la vía se incrementa la rigidez del asfalto (aspectoque será comentado al tratar sobre la química de los asfaltos), se mejora sucapacidad de resistir el ahuellamiento. El ensayar los ligantes en el momentoinmediatamente anterior al inicio de su vida de servicio es, por lo tanto, critico encuanto a su resistencia a la deformación permanente. La especificación haestablecido el ensayo de DSR sobre el ligante original (antes del TFROT) comouna medida de seguridad para aquellos ligantes cuyos residuos del TFROT noindiquen la realidad de su envejecimiento durante las etapas de manejo ymezclado en planta y su transporte, extendido y compactación en obra.

    La Especificación Superpave® incorpora el criterio de resistencia a ladeformación permanente por medio de la expresión “G*/senδ”, y los valoresindicados son de al menos 1.00 kPa para el ligante original y un mínimo de 2.20kPa después que haya sido envejecido en el TFROT. Ambas determinacionesdeben ser ejecutadas a la máxima temperatura de trabajo. El primer limite fueestablecido por los investigadores SHRP en base al buen desempeño queestaban presentando los C.A. del tipo A-10 a temperaturas moderadas (de hasta60C) y que, ensayados al DSR en su condición original, resultaron con valoresmínimos de G*/senδ de 1.0 kPa. El criterio de un mínimo valor de 2.20 kPa paraG*/senδ  fue establecido, por otra parte, en función de que estos mismos AC-10

    presentaban un Índice de Envejecimiento (viscosidad después de TFROT /viscosidad original) entre 2 y 2.5, es decir que se volvían entre 2 y 2,5 vecesmas rígidos cuando fueron envejecidos en el TFROT. Para fijar este valor de2.20 kPa se tomo el valor promedio del rango observado.

    El parámetro de resistencia al agrietamiento por fatiga

    La Especificación Superpave® incorpora un “factor de fatiga” por medio de laexpresión “G* x senδ”, y establece un máximo de 5000 kPa para las muestrasque han sido condicionadas tanto en el TFROT como en el PAV. El ensayo seejecuta a una