Diseño de Asfaltos Modificados con GCR por desempeño, para su uso en obras de
pavimentación
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VENTAJAS DESVENTAJAS
GCR
• El grano reciclado en el cemento asfáltico actúa
como un agente inhibidor del envejecimiento;
prolongando la capacidad cohesiva del mismo en el
tiempo.
• La mezcla al ser modificada se vuelve más flexible
a bajas temperaturas y a altas logra ser menos
plástica.
• El negro de humo proveniente del GCR
previene el desgaste por el roce llanta – pavimento;
además refuerza el asfalto y disminuye la oxidación y
el envejecimiento.
• El GCR da flexibilidad y mejora la
Susceptibilidad térmica, así como las
propiedades mecánicas.
• El costo de fabricar este tipo de mezclas supera al de las
mezclas convencionales y modificadas.
• El proceso de fabricación de la mezcla repercute en
mayores costos debido a que se incrementa la cantidad
requerida de cemento asfáltico, así como se incrementan
los tiempos de compactación en obra.
• El proceso de modificación por vía húmeda
requiere de equipo adicional y cambio de bombas y
tuberías, además de un incremento en la energía para
calentar la mezcla con tiempos mayores de mezclado.
• La absorción de aceites del asfalto por el GCR afecta
negativamente las propiedades de cohesividad y
adhesividad del ligante; convirtiendo la mezcla en una
mezcla seca.
Algunas ventajas y desventajas del Grano de Caucho Reciclado
Digestión del caucho en el betún asfáltico
• Características del betún asfáltico original
• Incorporación de aceites compatibilizantes
• Porcentaje de caucho
• Granulometría del caucho
Factores que influyen en la digestión
•Superficie específica
• Impurezas del caucho
• Mezclador empleado
• Tiempo y temperatura de reacción
Tabla 1. RESULTADOS DE PENETRACIÓN CEMENTOS ASFALTICOS.
FECHAELABORACIÓN
CONSECUTIVOMUESTRAS
DATOSDATOSDELA
CONTRAMUESTRA09/09/2016
PLACADEVEHICULOS
06/09/2016 Q-5628-09-16 63,0 64,6 UZN115
06/09/2016 Q-5619-09-16 62,7 61,9 SWK462
05/09/2016 Q-5618-09-16 55,6 55,4 ZNK634
DISEÑO MARSHALL MDC-19
Características
NT-3
Especímenes
PRODUCCIÓN
31/08/2016
Especímenes
PRODUCCIÓN
01/09/2016Especímenes de
DISEÑO HQEspecificación
Compactación, golpes/cara 75 75 75 75
Estabilidad óptima, N 22799 23198 16935 >9000
Flujo, mm 3.42 3.51 3.40 2 – 3,5
Densidad Bulk Kg/m3 2.373 2.359 2.307 N.A.
Gmm g/cm3 2.474 2.478 2.415 N.A.
Vacíos con aire 4.08 4,80 4,47 4 – 6
Estabilidad / flujo, KN/mm 6,7 9,3 4,9 3 - 6
Tipo de Mezcla Asfáltica
MDC-19 + CAN 60/70 Aditivado
al 1,0% PRODUCCIÓN 31/08/2016 MDC-19 + CAN 60/70 Aditivado al
1,0% PRODUCCIÓN 01/09/2016
MDC-19 + CAN 60/70
Aditivado al 1,0% DISEÑO HQ
Evaluación de la Susceptibilidad al agua de las Mezclas Asfálticas
compactadas utilizando la prueba de Tracción Indirecta (TSR).
Artículo 450-13 Numeral 450.5.2.4.5
(Mínimo 80%)
81,0 87,7 87,3
Ensayo de pista para Rueda de Hamburgo en Inmersión para Mezclas
Asfálticas compactadas en Caliente AASHTO T 324-04 Deformación Máxima
12,5 mm
5,60 mm 7,32 mm 4,90 mm
El valor promedio Máximo de la Velocidad de Deformación V105/120= 15,0
μm/min
AASHTO T 324-04
10,1 μm/min 10,3 μm/min 10,7 μm/min
Vida a la Fatiga de Mezclas Asfálticas
AASHTO T321-07 / UNE-EN 12697-24 ANEXO D (MicroStrain Diseño (108 µε) y
número de ciclos mínimos soportados 1 millón)
1´380.500 1´491.000 1´000.000
Sub-Rasante
Rodaje
Base
Sub-Base
Modelo de Deformación Causada por altas Temperaturas y Cargas Excesivas
REOLOGÍA
Las propiedades reológicas se definen a partir
de la relación existente entre fuerzas o
sistemas de fuerzas externas y su respuesta,
ya sea como deformación o flujo. Todo fluido
se va deformar en mayor o menor medida al
someterse a un sistema de fuerzas externas.
Las fuerzas externas se representan
matemáticamente como el cortante y la
respuesta dinámica del fluido y se cuantifica
como la velocidad de deformación.
Método de diseño de pavimentos SUPERPAVE
(Strategic Highway Research Program, SHRP)
especificación estándar para ligantes asfálticos
graduados por desempeño ASTM D 6373-07 /
AASHTO M 320
Determinación de las
propiedades Reológicas de
Ligante asfáltico usando un
Reómetro de Corte Dinámico
(Dynamic Shear Rheometer)
AASHTO T 315
El reómetro somete al asfalto al
corte y mide su respuesta. Un
material elástico tiene una
respuesta inmediata, un material
viscoso tiene una respuesta lenta.
Este retraso en la respuesta se conoce como el ángulo de
fase. Un material elástico tiene un δ=0, un material viscoso
tiene un δ=90. Ya que el asfalto es un material viscoelástico,
0<δ<90.
Performance Graded Asphalt
Grading System Based on Climate
PG 70-22
PerformanceGrade
Average 7-daymax pavement
design temp
Min pavementdesign temp
PG Binder Grades
0 10 20 30 40 50 60-10-20-30-40 70 80
PG 64-22
PG 70-28
The Rule of 90
PG 64-22 Probably Unmodified
PG 70-28 Probably Modified
This is the benefit of
the modifier
TEMPERATURE ºC
Conceptos básicosMódulo Complejo (G*): Es una medida de la resistencia total de una material a ladeformación cuando se somete repetitivamente al corte. El mismo tiene doscomponentes: una elástica y una viscosa.
Loss modulus= componente viscosa (G’’)Storage modulus = componente elástica (G’)
Ángulo de Fase (δ): La respuesta del asfalto a temperaturas intermediaspresenta ambos comportamientos, elástico y viscoso. Si la respuesta fuerapuramente elástica sería inmediata, sin embargo la componente viscosa haceque se retarde. El ángulo de fase es un indicador de las proporcionesrecuperables y no recuperables.
δ = 0° (respuesta puramente elástica) hasta 90° (respuesta puramente viscosa)
Conceptos básicos
CLASIFICACION DE ASFALTOS• Determinacion reologica puntual
• Performance Grade (PG) en laboratorio
• Pruebas reologicas repetitivas
• Desempeño del ligante PG en el campo
• Asfaltos modificados presentan mejor desempeño
• Modificacion segun economia y recursos de construccion
• La metodologia actual produce informacion
• mas informacion
• mejor informacion
• informacion limitada e incierta
• mas informacion reologica
• DSR puede generar MAS informacion reologica.
• Pero … tiempo de evaluacion corto
• Oposicion a barrido de frequencia - (horas)
OPCIONES• Barrido de frequencia en rango limitado - tiempo
El incremento en terminologia, metodologia y parametros asociados a ligantes asfalticos indican que estamos
• Objetivo Zero Shear Viscosity (ZSV)
extrapolacion numerica
• Stress Relaxation
• Creep Repetitivo
• Barridos de amplitude
• Barridos de tiempo
• Interconversiones viscoelasticas … ???
• Steady Shear Viscosity a muy baja velocidad de cizalla
• Mezcla de procedimientos reologicos
en camino a la 'reologia' de asfalto
Pruebas Superpave Para Propiedades Fisicas de Asfalto
-20 20 60 135
Agrietamiento
Termico
Agrietamiento
por FatigaDeformación
Permanente
Maleabilidad
Bombeo
Temperatura de Pavimento, °C
Velocidad de Trafico
Volumen de trafico
Estructura del Pavimento
Estabilidad de Almacenamiento
Tipo de Aditivo
Mezcla y Compactacion
Vel de Enfriamiento
Rigidez
Transicion Vitrea
RTFOPAV ORIGINAL
Especificaciones SUPERPAVE para asfaltos
Temperature
135 CTmaxTavgTmin
S<300 MPa
PAV - aged
G*sind<5000KPa
RTFO
G*/sind>2.2KPa
ORIGINALG*/sind>1KPa
h<3 PasORIGINAL
Asfaltos Modificados – ‘realidades’
Comportamiento reologico es No-Newtoniano
Presentan comportamiento Elastico a las
temperaturas de mezcla y compactacion
Cambio de Grado por tiempo-temperatura no
es siempre valido
Las pruebas BBR y DT a 10C arriba de Tmin del
pavimento no son siempre validas
Son sistemas multiface que pueden causar
incompatibilidad y separacion de faces durante
almacenamiento y manejo
Acumulacion de Deformacion
Condiciones de carga y relajacion pueden cambiarse para simular velocidad y volumen de trafico
SHRPPG
No additive
Plastomero
Elastomero
Routing slope
• Cada material tiene un juego unico de propiedades
viscoelasticas determinadas en pruebas de flujo
oscilatorio, prueba de, creep/recovery test, o prueba de
relajacion de esfuerzo.
• Si cada prueba se realiza dentro de la region lineal
viscoelastica del material, la informacion provista debe ser
la misma a pesar de que las prueas proveen differents
secciones de la caracterizacion reologica completa.
Transformaciones Viscoelasticas
25
Acumulación de Deformación Permanente: Fenómeno controlado por esfuerzo.
Wc = π . σo . ε . senδ; ε = σo/ G* ; Wc = π . σo2 [1/ G*/sen δ ]
Sen δ = G”/G*. (G” Módulo viscoso). Medición relativa de la componente no elástica
G* y δ dependen de la temperatura y de la frecuencia
Agrietamiento por Fatiga
• Fenómeno controlado por esfuerzo en capas gruesas.
• Fenómeno controlado por deformación en capas delgadas.
• Mas intenso en capas delgadas.
Wc = π . σ . εo . senδ; σ = εo . G*; Wc = π . εo2. G* . senδ
El trabajo realizado se puede disipar produciendo agrietamiento, propagación degrietas, flujo plástico, calor. Por tanto Superpave limita el valor de (G*. senδ)
La medición se hace después de PAV
70,0; 2,103
76,0; 1,200
82,0; 0,672
70,0; 2,200
76,0; 1,096
82,0; 0,585
64,0; 3,250
70,0; 1,629
76,0; 0,840
64,0; 3,410
70,0; 1,829
76,0; 0,981
76,0; 2,590
82,0; 1,400
88,0; 0,771
70,0; 2,871
76,0; 1,670
82,0; 0,964
58,0 60,0 62,0 64,0 66,0 68,0 70,0 72,0 74,0 76,0 78,0 80,0 82,0 84,0 86,0 88,0
Gráfica comparativa PG Asfalto Original Formulas GCR
AM GRC 15% HQ (ORIGINAL) AM GRC 10% + 1% EVA HQ (ORIGINAL)
AM GRC 10% + 1% SBS HQ (ORIGINAL) AM GRC 20% + TB1 2% HQ (ORIGINAL)
AM GRC 10% + 0.5% ELVALOY + 0.3% PPA (ORIGINAL) AM GRC 10% + 1.0% SBS + 1.0% EVA HQ (ORIGINAL)
64; 5,73
70; 3,26
76; 1,71
70,0; 6,400
76,0; 3,560
82,0; 2,000
70,0; 5,270
76,0; 2,920
82,0; 1,620
64,0; 5,610
70,0; 3,490
76,0; 2,000
70,0; 6,690
76,0; 3,700
82,0; 1,930
64,0; 6,450
70,0; 3,530
76,0; 1,800
58,0 60,0 62,0 64,0 66,0 68,0 70,0 72,0 74,0 76,0 78,0 80,0 82,0 84,0 86,0 88,0
Gráfica comparativa PG Asfalto RTFOT Formulas GCR
AM GRC 15% HQ RTFOT RESIDUO AM GRC 10% + 1 % EVA + 1% SBS HQ RTFOT RESIDUO
AM GRC 10% + 0.5% Elvaloy + 0.3% PPA HQ RTFOT RESIDUO AM GRC 20% + TB1 2% HQ RTFOT RESIDUO
AM GRC 10% + 1% SBS HQ RTFOT RESIDUO AM GRC 10% + 1 % EVA HQ RTFOT RESIDUO
Grado PG + Jnr (MSCR)
• El grado PG se determina como se hace actualmente.
• Jnr es un valor que se determina en el asfalto envejecido porRTFO, lo requerido depende de la intensidad y velocidad deltráfico.
¿Qué es Jnr?
• Es la deformación permanente resultante al aplicar una unidad
de esfuerzo.
• Cuanto menor es Jnr, menor será la deformación permanente
en el asfalto.
Grado PG + Jnr (MSCR)
Ventajas de Jnr
•Basado y relacionado con el desempeño en campo.
•Evalúa la dependencia del comportamiento del asfalto a diferentes esfuerzos.
•Evalúa la memoria elástica del asfalto.
•El tiempo de prueba es corto: menos de 20 minutos.
•Se obtiene de una prueba de Creep repetido (MSCR).
•Actualmente los reómetros pueden determinar Jnr de manera automática.
•Mediante Creep Repetido (MSCR) y Jnr se obtiene información más valiosa.
•Relacionado directamente con la intensidad y la velocidad del tráfico.
Creep Repetido Multi-Esfuerzo (MSCR) y Jnr
0 5 10 15 20 25 30
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Esfue
rzo ap
licado
(Pa)
tiempo global (s)
0 5 10 15 20 25 30
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
RecuperaciónDeformación
Defor
mació
n (%)
tiempo global (s)
PG 76-22A temperatura de PG del proyecto Temperatura 76°C
Cálculos
0 2 4 6 8 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20 Un ciclo
Deformación no recuperada
Deformación recuperada%
De
form
ació
n
Tiempo global (s)
Deformación inicial
Jnr =Deformación no
recuperadaEsfuerzo aplicado
%RE = Deformación recuperada
Deformación inicial
A temperature de PG del proyecto A dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa
Creep Repetido Multi-Esfuerzo (MSCR) y Jnr
0 250.000 500.000 750.000 1000.0001250.0001500.000
time global (s)
0
5.0000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
stra
in
1.000
10.00
100.0
1000
10000
shear stress (Pa)
PG70 - Multi Stress Creep_Recovery
3200
1600
800
400
200
100
50
25
Sample Conditioning Time at 64°C
Como seleccionar el asfalto mediante PG y Jnr?
Paso 1- Seleccionar PG de acuerdo al clima
PG 76-22
Paso 2- Seleccionar nivel de acuerdo a intensidad y velocidad del tráfico
< 3 millones
< 20 y detenido
< 20
>20 <70
>70 S : Estandar
H : Pesado
V : Muy pesado
E : Extremo
PG 76-22 H
Paso 3- Requisitos de acuerdo a intensidad y velocidad del tráfico
S : Estándar
H : Pesado
V : Muy pesado
E : extremo
4 máx.
2 máx.
1 máx.
0,5 máx.
≥ 0
≥ 25
≥ 30
≥ 40
Jnr % RE
ESAL Velocidad Nivel requerido
Información requerida del proyecto
a 3200 Pa
-
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
- 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
%€(3
.2k
Pa
)
Jnr(3.2kPa)
Jnr(58°C)
Jnr(61°C)
Jnr(64°C)
Jnr(67°C)
Jnr(70°C)
Jnr(73°C)
Jnr(76°C)
Jnr(79°C)
Jnr(82°C)
EX
TREM
EESA
L's
> 3
0m
ill
VER
Y H
IGH
ESA
L's
10
-3
0m
ill
HIG
HESA
L's
3-
10
mill
STA
ND
AR
DESA
L's
< 3
mill
CON RESPUESTA
ELASTICA
SIN RESPUESTA
ELASTICA
CLASIFICACIÓN POR DESEMPEÑO
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200
% S
TRA
IN
TIEMPO (Segundos)
GRAFICA CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO (MSCR) ASFALTOS MODIFICADOS CON GCR A 64°C
GCR 20% + TB1 2% RTFOT
GCR 15% RTFOT
GCR 10% + SBS 1.0% RTFOT
GCR 10% + EVA 1.0% RTFOT
GCR 10% + ELVALOY 0.5% + PPA 0.3% RTFOT
GCR 10% + SBS 1% + EVA 1% RTFOT
0
20
40
60
80
100
120
140
0 50 100 150 200
% S
TRA
IN
TIEMPO (Segundos)
GRAFICA CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO (MSCR) ASFALTOS MODIFICADOS CON GCR A 70°C
GCR 20% + TB1 2% RTFOT
GCR 15% RTFOT
GCR 10% + SBS 1.0% RTFOT
GCR 10% + EVA 1.0% RTFOT
GCR 10% + ELVALOY 0.5% +PPA 0.3% RTFOTGCR 10% + SBS 1% + EVA 1%RTFOT
Caracterización de la fatiga con Linear Amplitude Sweep (LAS)El Barrido de Amplitud Lineal (LAS) cubre como determinar la resistencia del ligante asfáltico al dañopor medio de cargas cíclicas usando amplitudes de carga que incrementan linealmente (AASHTO TP101).
Se hace usando el DSR a la temperatura intermedia del pavimento determinada por el grado dedesempeño (PG). Se usa ligante envejecido en RTFO y/o en PAV.
Se hacen dos pruebas sucesivas: La primera es un barrido de frecuencia y obtiene información de laspropiedades del material sin dañar. La segunda es un barrido de amplitud y su intención es medir lascaracterísticas de daño del material.
El resultado de estas dos pruebas se analiza a través de VECD, Visco-Elastic Continuum Damage. Alfinal del ensayo, se obtiene una ley de fatiga que permite calcular la cantidad de tráfico que podríasoportar el asfalto.
Linear Amplitude Sweep (LAS)
¿Qué es VECD?
VE - Viscoelástico:
• Depende de la velocidad
• Completamente recuperable
CD - Continuum Damage:
Un continuum es un cuerpo que puede ser continuamente subdivididoen elementos infinitesimalmente más pequeños, siendo suspropiedades las mismas que las del material parental.
De este análisis se desprende la curva característica de daños. Estacurva ha sido propuesta como una propiedad fundamental de todomaterial, que gobierna el crecimiento del daño bajo toda condición –esfuerzo, deformación, frecuencia o velocidad, y temperatura.
y = 6E+06x-3,762
y = 8E+06x-3,836
y = 1E+07x-3,821
y = 1E+07x-3,883
y = 2E+07x-3,982
y = 2E+07x-3,617
1,00E-01
1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02
20,0
Nf
/ES
AL
s
(In
dic
ad
or
del
volu
men
de
trafi
co)
Deformacion de corte aplicada, %
(Indicador de la estructura de pavimento)
Grafica del parámetro de fatiga Nf (Normalizado a 1 millón de ESALs) versus la
deformación de corte aplicada al asfalto en una escala Log-Log
Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 15%GCR
Ley de fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR+1% SBS
Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR + 1% EVA
Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR+0.5% ACRILATO + 0.15 PPA
Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR+1% SBS+ 1% EVA
Potencial (Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 20% GCR + 2% TB1)
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