evaluacion del comportamiento a la fatiga de mezclas asfalticas convencional y modificado con...
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EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO A LA
FATIGA DE MEZCLAS ASFALTICAS
CONVENCIONAL Y MODIFICADO CON POLIMERO SBS.
Autores:
Jorge Rodolfo Escalante Zegarra
José Leomar Fernandes Junior
OBJETIVOS
Establecer los ligantes asfálticos indicados para uso en la pavimentación asfáltica en las diferentes regiones del Perú (mapa de PG) y establecer el grado de desempeño (PG) de los ligantes asfálticos peruanos convencional PEN 60/70 y modificado con polímero SBS.
Evaluar el comportamiento a la fatiga de mezclas asfálticas realizadas con
CAP Convencional PEN 60/70 AMP-SBS (Betutec)AMP-SBS (PG 76 -22)
sin envejecimiento y con envejecimiento a corto plazo.
PROGRAMA EXPERIMENTAL
1) Determinación del grado de desempeño PG para las diferentes regiones del Perú y determinacion del ligante asfaltico adecuado para atender las condiciones de clima y transito de Perú;
2) Modificación del ligante asfáltico con polímero SBS y determinación de las propiedades de los asfaltos utilizados por el método convencional y Superpave;
3) Determinación de las propiedades del agregado utilizado;
4) Determinación del comportamiento a la fatiga de las mezclas asfálticas producidas.
Determinación del grado de desempeño de ligantes asfálticos para el Perú
120 estaciones meteorológicas (25 años) – Senamhi-Peru
TEMPERATURAS MÁXIMAS (Txx) - Tres modelos (SHRP original, LTPP Bind y FHWA)
TEMPERATURAS MÍNIMAS (Tyy) - Cuatro modelos (SHRP original, C-SHRP, LTPPBind y FHWA)
El país presenta 28 tipos de clima, de los 32 establecidos por Thornthwaite, constituyéndose en un país mega-climático.
Region de la Sierra: necesita de un ligante asfáltico con PG 58 -22
Región de la Costa y Selva: necesita de un ligante asfáltico con PG 70 -10
Sin considerar la velocidad y el volumen de transito
Por recomendación del C-SHRP el PG mas critico para las condiciones climaticas y de transito del Perú fue determinado como PG 76 -22
Con base en el PG calculado fue producido el AMP PG 76 -22
PROGRAMA EXPERIMENTAL
Agregados
Fueron determinados sus propiedades de origen y conceso.
Ligantes asfálticos
Cemento Asfáltico de Petróleo convencional PEN 60/70, proveniente de la Refinería Conchan – Lima – Perú;
Cemento Asfáltico de Petróleo modificado con polímero SBS (Betutec), proveniente de la empresa Tecnología de Materiales (TDM-Asfaltos) – Perú;
Cemento Asfáltico de Petróleo modificado con polímero SBS (PG 76 -22) producido en esta investigación, teniendo como materia prima el cemento asfáltico de petróleo peruano PEN 60/70 y el polímero SBS.
PROGRAMA EXPERIMENTAL
CARACTERÍSTICAS UNIDAD
LIGANTE ASFÁLTICO MÉTODOS
PEN 60 / 70AMP
BETUTECAMP
PG 76 -22ABNT ASTM
Penetración (100 g, 5s, 25ºC) 0,1mm 60 49 56 NBR 6576 D 5
Punto de ablandamiento ºC 51 66 68 NBR 6560 D 36
Viscosidad Brookfield cP
a 135ºC, splinde 21, 20 rpm, 455 1383 1089 NBR 15184 D 4402
a 155ºC, spindle 21, 20 rpm 178 485 581 NBR 15184 D 4402
a 175 ºC, spindle 21, 20 rpm 81 222 278 NBR 15184 D 4402
Temperatura de Corte Dinamico ºC 64 76 76 P 246
G* kPa 1,975 1,445 1,017 P 246
δ ° 81,16° 64,75° 64,09° P 246
Corte Dinámico G*/senδ ≥ 1 KPa kPa 1,999 1,598 1,130 P 246
Despues envejecimiento RTFOT
Perdida de masa % massa -0,518 -0,312 -0,304 D 2872
Temperatura de Corte Dinámico ºC 70 76 76 P 246
G* kPa 3,248 3,523 3,254 P 246
δ ° 76,28° 59,13° 59,05° P 246
Corte Dinámico G*/senδ ≥ 2,2 KPa kPa 3,343 4,104 3,794 P 246
Despues envejecimiento RTFOT / PAV
T° de Corte dinámico G* senδ ≤ 5000 KPa °C 22 19 19 P 246
Rigidez a la fluéncia BBR S≤ 300MPa e m ≥0,3 °C-22 -22 -22
D 6648
PROGRAMA EXPERIMENTAL
Mezclas Asfálticas
20% de piedra de 3/4”, 20% de piedra de 3/8” y 60% de arena chancada.
PROGRAMA EXPERIMENTAL
Temperaturas de mezcla y compactaciónCAP - ASTM D 2493 (T. M. 170 ± 20 cP, T. C. 280 ± 30 cP)AMP - Fajas de viscosidad recomendada por el fabricante
Ensayo marshallDosificación controlada de agregados para cada cuerpo de prueba
Los contenidos de diseño de ligante asfáltico fueron obtenidos en dos condiciones: sin envejecimiento y con envejecimiento a corto plazo
Moldado de los cuerpos de pruebafueron moldados con el contenido óptimo de diseño calculado para cada condición de envejecimiento y tipo de ligante asfáltico
PROGRAMA EXPERIMENTAL
Ensayo de Fatiga por compresión diametral
24 horas a la temperatura de ensayo (25°C)Carga de ensayo: 20%, 30%, 40% y 45% de la RTCritério de falla: Ruptura
Desplazamiento vertical ≥ 6 mmRéplica para cada condición experimental (Total 72 CP)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Distribución del grado de desempeño de ligantes asfálticos para el Perú
Para las regiones de costa, selva y parte de los valles interandinos, los ligantes asfálticos indicados por las condiciones climatologicas son el PG 64-10 y PG 70-10.
Para la región de la Sierra, con relevo natural muy accidentado por la cordillera de los Andes, con climas variados, temperaturas que dependen de la altitud del local, los ligantes asfálticos indicados son: PG 58-10, PG 58-16, PG 58-22, PG 52-10, PG 52-16, PG 52-22. Siendo que por las condiciones geográficas y climatologicas de la sierra es recomendable utilizar un asfalto con PG 58 -22.
Por recomendación del C-SHRP el PG mas critico para las condiciones climaticas y de transito del Perú fue determinado como PG 76 -22
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Grado de desempeño PG de ligantes asfálticos estudiados
PG 64 -22PG 64 -22 PG 76 -22PG 76 -22 PG 76 -22PG 76 -22
Clasificación Superpave de los Ligantes Asfálticos
64
76 7670
76 76
22 19 19
-22 -22 -22-40
-20
0
20
40
60
80
100
PEN 60/70 Betutec PG 76 -22
Ligante Asfáltico
Tem
per
atu
ra (
ºC)
G*/senδ virgen G*/senδ despues RTFOT G*.senδ despues RTFOT/PAV BBR
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Ensayo de vida a la fatiga
Modelo de Fatiga sin envejecimiento
100
1000
10000
100000
0,10 1,00 10,00
Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)Nu
me
ro d
e a
plic
ac
ion
es
d
e c
arg
a (
N)
Asfalto PEN 60/70 Betutec
AMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60/70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)
Modelo de Fatiga sin envejecimiento
100
1000
10000
100000
1,000E-05 1,000E-04 1,000E-03
Deformación resiliente εiNú
me
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plic
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es
d
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arg
a (
N)
Asfalto PEN 60/70 Betutec AMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60/70)Potencial (Betutec ) Potencial (AMP PG 76 -22)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Modelo de Fatiga con 2 h de envejecimiento
100
1000
10000
100000
1,00 10,00Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)N
um
ero
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ne
s
de
ca
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(N
)
Asfalto PEN 60/70 BetutecAMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60/70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)
Modelo de Fatiga con 2 h de envejecimiento
100
1000
10000
100000
1,000E-05 1,000E-04 1,000E-03
Deformación resiliente εiNu
me
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plic
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N)
Asfalto PEN 60-70 BetutecAMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60-70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Modelo de Fatiga con 4 h de envejecimiento
100
1000
10000
100000
1,00 10,00Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)Nu
me
ro d
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N)
Asfalto PEN 60-70 BetutecAMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60-70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)
Modelo de Fatiga con 4 h de envejecimiento
100
1000
10000
100000
1,000E-05 1,000E-04 1,000E-03
Deformación resiliente εi
Nu
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N)
Asfalto PEN 60-70 BetutecAMP PG 76 -22 Potencial (Asfalto PEN 60-70)Potencial (Betutec) Potencial (AMP PG 76 -22)
Los modelos de Fatiga obtenidos presentaron excelentes valores de R² (> 0.97)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Asfalto Sin envejecimientoCon 2 horas de envejecimiento
Con 4 horas de envejecimiento
PEN 60/70N=3490,8(1/Δσ)4,2683 N=26600(1/Δσ)4,1743 N=82292(1/Δσ)4,8964
N=6,0x10-14(1/εi)4,2683 N=5,0x10-14(1/εi)4,1743 N=4,0x10-17(1/εi)4,8964
AMP BetutecN=12779(1/Δσ)4,6417 N=158831(1/Δσ)5,2113 N=458010(1/Δσ)5,9932
N=5,0x10-15(1/εi)4,6417 N=5,0x10-18(1/εi)5,2113 N=2,0x10-21(1/εi)5,9932
AMP PG 76 -22N=16924(1/Δσ)4,0476 N=395175(1/Δσ)4,9262 N=116237(1/Δσ)4,4286
N=4,0x10-13(1/εi)4,0476 N=7,0x10-17(1/εi)4,9262 N=7,0x10-15(1/εi)4,4286
Los modelos generados de fatiga calculada para los tres asfaltos utilizados y para todas las condiciones de envejecimiento fueron utilizados para el cálculo de vida a la fatiga através de un analisis mecanístico.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis mecanística
Realizado con ayuda del programa computacional ELSYM5.Fueron asumidas dos estructuras de pavimento muy utilizadas en vias de
alto volumen de transito en el Perú
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis mecanística
Resultados para carpeta con 10 cm de espesor.
Condición ModeloMR
(kgf/cm2)Δσ
(Mpa)N
Ligante Asfáltico: CAP PEN 60/70
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimientoCon 4 h. de envejecimiento
N=3490,8(1/Δσ)4,2683
N=26600(1/Δσ)4,1743
N=82292(1/Δσ)4,8964
213534422957502
0,83831,22881,3991
74111125515894
Ligante Asfáltico: AMP BETUTEC
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimientoCon 4 h. de envejecimiento
N=12779(1/Δσ)4,6417
N=158831(1/Δσ)5,2113
N=458010(1/Δσ)5,9932
233485105861893
0,8801,32041,4491
231313731749588
Ligante Asfáltico: AMP PG 76 -22
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimientoCon 4 h. de envejecimiento
N=16924(1/Δσ)4,0476
N=395175(1/Δσ)4,9262
N=116237(1/Δσ)4,4286
311946524955213
1,02731,48561,3719
151765623028655
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis mecanística
Los resultados mostraron que los AMP presentaron mayor vida a la fatiga que el CAP convencional.
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
Vid
a a
la F
ati
ga
(N
)
CAP PEN 60/70 Betutec AMP PG 76 -22
Ligante Asfáltico
Vida de Fatiga de las mezclas estudiadas
Sin envejecimiento Con 2 h de envejecimiento Con 4 h de envejecimiento
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis mecanística
Resultados para carpeta con 7,5 cm de espesor.
Condición ModeloMR
(kgf/cm2)Δσ
(Mpa)N
Ligante Asfáltico: CAP PEN 60/70
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimientoCon 4 h. de envejecimiento
N=3490,8(1/Δσ)4,2683
N=26600(1/Δσ)4,1743
N=82292(1/Δσ)4,8964
213534422957502
0,94841,45271,6782
437755966523
Ligante Asfáltico: AMP BETUTEC
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimientoCon 4 h. de envejecimiento
N=12779(1/Δσ)4,6417
N=158831(1/Δσ)5,2113
N=458010(1/Δσ)5,9932
233485105861893
1,00101,57331,7461
127201497216222
Ligante Asfáltico: AMP PG 76 -22
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimientoCon 4 h. de envejecimiento
N=16924(1/Δσ)4,0476
N=395175(1/Δσ)4,9262
N=116237(1/Δσ)4,4286
311946524955213
1,18921,79581,6416
83932209312942
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis mecanística
Los resultados mostraron que la reducción del espesor de la carpeta de 10 cm a 7,5 cm hizo que la vida a la fatiga se reduzca en aproximadamente 50%.
0
5000
10000
15000
20000
25000
Vid
a a
la F
ati
ga
(N
)
CAP PEN 60/70 Betutec AMP PG 76 -22
Ligante Asfáltico
Vida de Fatiga de las mezclas estudiadas
Sin envejecimiento Con 2 h de envejecimiento Con 4 h de envejecimiento
CONCLUSIONES
Fue establecido el mapa de distribución del PG del ligante asfáltico para las diferentes regiones del Peru;
Se concluyo que para la Region de la Sierra se necesita de un ligante asfáltico con PG 58 -22 y para las regiones de la Costa y Selva, de un ligante asfáltico con PG 70 -10. Sin considerar el volumen y velocidad de trafico.
Distribuición del Grado de Desempeño – PG
Ligante Asfaltico
Los ligantes asfálticos modificados por polímero presentaron mejor comportamiento que el ligante asfáltico convencional, presentando bajo índice de susceptibilidad térmica, mayor grado de desempeño PG y mayor resistencia al envejecimiento, asi como propiedades de elasticidad que incrementan la resistencia a la fatiga.
CONCLUSIONES
El control riguroso de la granulometria, utilizando todas las mallas especificadas por el Superpave, resulto en una buena repetibilidad en los resultados de los ensayos mecánicos.
Granulometria de la Mezcla
Vida a la Fatiga
Los resultados del análisis mecanístico mostraron que los AMP presentaron vidas a la fatiga mayores que el CAP PEN 60/70, para todas las condiciones de envejecimiento.
AGRADECIMIENTOS
GraciasGracias
Jorge Rodolfo Escalante ZegarraGrupo TDM - Universidade de Sao Paulo / EESC
Lima, Perú[email protected]@gmail.com
José Leomar Fernandes JuniorUniversidade de Sao Paulo /EESC
Sao Carlos - SP, [email protected]