FUNDAMENTOS DE CARACTERIZACION DE LIGANTES

ASFALTICOS POR EL METODO SUPERPAVE

Jorge Escalante Zegarra

INTRODUCCIÓN

El método Superpave (Superior Performing Asphalt Pavement) es el

resultado de las investigaciones realizadas por el SHRP (Strategic

Highway Research Program), emprendido con la administración

Federal de Carreteras (FHWA) en los Estados Unidos.

El programa surgió con el fin de mejorar el desempeño y durabilidad

de las carreteras, realizándose investigaciones entre octubre de 1987

y marzo de 1993.

INTRODUCCIÓN

El producto final es un sistema llamado SUPERPAVE (Superior

Performing Asphalt Pavement); representa un sistema provisto para

especificar cemento asfáltico y agregado mineral; desarrollar diseños

de mezclas asfálticas; analizar y establecer predicciones de

desempeño del pavimento, y que tiene como objetivo final contribuir a

lograr pavimentos más durables, y minimizar los costos de

conservación y operación de la infraestructura vial.

El Programa SHRP (Strategic Highway Research Program) resulto

en la especificación de ligantes asfálticos basada en el Grado de

Desempeño (PG, Performance Grade) y clasifica los ligantes de

acuerdo con las condiciones climáticas y el tipo de solicitación de

tráfico a las que el pavimento será sometido. Datos como

temperatura máxima del pavimento durante siete días consecutivos,

temperatura mínima del pavimento, confiabilidad, tiempo de carga y

volumen de tráfico son usados en la especificación de ligantes

Superpave para seleccionar el ligante apropiado para el trabajo a ser

realizado.

ESPECIFICACIÓN DE LIGANTES

CLASIFICACIÓN SUPERPAVE PARA LIGANTES

ASFÁLTICOS

La especificación Superpave para ligantes asfálticos define el grado de

desempeño (PG) con base en registros de temperaturas ambiente de

estaciones meteorológicas por un período mínimo de 20 años. Se

calcula el promedio y la desviación estándar de las temperaturas

máximas del aire de los siete días consecutivos mas calurosos del año

y el promedio y la desviación estándar de la temperatura mínima del

aire del día mas frío del año. Posteriormente, son calculadas las

temperaturas del pavimento.

El grado de desempeño varia en niveles, cada nivel equivale a 6°C,

tanto en altas como en bajas temperaturas.

Sistema de Clasificación basado en el clima temperaturas máximas y

mínimas del pavimento

PG 64 - 22

Clasificación por

Desempeño

Temperatura máxima del

pavimento

Temperatura mínima

del pavimento

CLASIFICACIÓN SUPERPAVE PARA LIGANTES

ASFÁLTICOS

Los asfaltos definidos por el método Superpave son:

CLASIFICACIÓN SUPERPAVE PARA LIGANTES

ASFÁLTICOS

Clasificación a Alta Temperatura Clasificación a Baja Temperatura

PG 46 -34, -40, -46

PG 52 -10, -16, -22, -28, -34, -40, -46

PG 58 -16, -22, -28, -34, -40

PG 64 -10, -16, -22, -28, -34, -40

PG 70 -10, -16, -22, -28, -34, -40

PG 76 -10, -16, -22, -28, -34

PG 82 -10, -16, -22, -28, -34

Banco de Datos sobre Clima

– 6500 estaciones en los EUA y Canadá

Temperaturas del Aire

– Temperatura máxima de siete días consecutivos, mas

calientes del año (promedio y desviación estándar)

– Temperatura mínima (promedio y desviación estándar)

Cálculo de las temperaturas del pavimento: selección del PG

> 20 años

Determinación de las temperaturas máxima y mínima

El cálculo de la temperatura máxima y mínima del aire depende de la

confiabilidad requerida (z) y de la desviación estándar de los datos

(σ):

CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL AIRE

zTT médiaMAXar

zTT médiaMINar

Donde:

TMAXar = Promedio de las temperaturas máximas del aire de 7 días

consecutivos (°C);

TMINar = Temperatura mínima del aire (°C).

NIVEL DE CONFIANZA

El porcentaje de probabilidad

Frecuencia de temperaturas

observadas

(Área total bajo la curva = 100 %)

Tpromed. Tdis

Confiabilidad es el área

bajo la curva a la izquierda

de la Tdis

> Usando distribución normal

TEMPERATURA OBSERVADA DEL AIRE

36 40

7- Dias de maxima temperatura del aire

50 % confiabilidad

98 % confiabilidad

Verano promedio

Verano muy caliente

desviacion estandart de 2°C

36

40

-23 -31

0 10 20 30 40 50 60 -10 -20 -30 -40

Invierno promedio

> Desviación

estandart de 4°C

Invierno muy frio

TEMPERATURA OBSERVADA DEL AIRE

CALCULAR LA TEMPERATURA DEL PAVIMENTO

Calculado por el software Superpave SHRP

Alta Temperatura

– 20 mm abajo de la superficie del pavimento

Baja Temperatura

– En la superficie del pavimento

Temp. del pavimento= f ( Temp. del Aire, profundidad, Lat., )

CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL PAVIMENTO

Modelo SHRP Original (McGennis et al., 1994)

78,17)2.422289,000618,0(9545,0 2 LatLatTT MAXarMAX

Modelo C-SHRP (Canada)

MINarMIN TT

7,1859,0 MINarMIN TT

Modelo LTPP Bind (Mohseni, 1996 ) Basado en 30 pistas experimentais

25log137,15002468,077585,032,54 10

2 HLatTT MAXarMAX

25log264,6003966,071819,056,1 10

2 HLatTT MINarMIN

Modelo LTPP Bind (LTPP-FHWA, 1998 e Bosscher, 2000 )

2/122 )52,04,4()25log(26,6004,072,056,1 zHLatTT MINarMIN

Modelo LTPP Bind (Mohseni e Carpenter, 2004 ) – ICM ICM baseado em dados de aproximadamente 8000 estações meteorológicas

5,0mod

222 )(0029,0837,07,32 eloMAXarMAX zLatTT

CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL PAVIMENTO

.............................................................................

Determinación de las temperaturas máxima y mínima

pavimento = aire

pavimento > aire

0 10 20 30 40 50 60 -10 -20 -30 -40 70

56

60

-23 -31

Determinación de las temperaturas máxima y mínima

0 10 20 30 40 50 60 -10 -20 -30 -40 70

PG 64-34 (98% confiabilidad)

PG 58-28 (50 % confiabilidad)

Grado PG - seis grados de incremento

CASO PRACTICO

DISTRIBUCIÓN DE PG DE ACUERDO AL SHRP.

Jorge Escalante Zegarra

SELECCIÓN DEL GRADO PG POR PROGRAMAS

COMPUTACIONALES

Existen en los Estados Unidos diferentes programas que sirven para

seleccionar el PG del ligante asfáltico para cada local de trabajo,

entre ellos el SHRP Bind, LTPP Bind, AASTHO Superpave Software.

LTPP The Long-Term Pavement Performance program (LTPP) es el programa

de investigación de desempeño de pavimentos mas largo, jamás

realizada, la recopilación de datos a partir de 2.000 tramos de prueba

de pavimento durante un período mayor a 20 años.

Los datos del LTPP se están recogiendo en una base de datos

conocida como el Sistema Nacional de Gestión de la Información

(NIMS). La base de datos incluye información sobre el medio ambiente,

el tráfico, inventario, supervisión, mantenimiento, materiales y de

rehabilitación para cada sección del examen.

EFECTO DEL TRÁFICO: VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE

CARGA Y TRÁFICO ACUMULADO

• El SHRP en la selección del ligante considera cargas de camiones a

velocidades altas (90 km /h.) simulado en el DSR.

• Para velocidades menores es necesario incrementar en uno o dos

niveles el PG requerido.

• Incrementar el tiempo de carga sobre el pavimento equivale a

incrementar la temperatura del mismo.

Por ejemplo, si para una carga normal el grado PG 64 -22 es el

recomendable, se debe utilizar el grado PG 70 -22 en caso que las

cargas fuesen lentas o un PG 76 -22 si las cargas fuesen estacionarias.

• El nivel de tráfico esperado en el pavimento también tiene influencia en la temperatura alta de la clasificación del PG

SELECCIÓN DE LIGANTES ASFÁLTICOS EN FUNCIÓN DEL NIVEL DE TRÁFICO Y LA

VELOCIDAD

N Proyecto

(106)

Ajuste del grado del ligante PG

Velocidad de Trafico

Parado

(V < 20 km/h)

Lento

(V = 20 a 70 km/h)

Normal

(V > 70 km/h)

< 0.3 - - -

0.3 a < 3 2 1 -

3 a <10 2 1 -

10 a < 30 2 1 -

≥ 30 2 1 1

SUPERPAVE PLUS (SP+)

La experiencia acumulada en los últimos años ha demostrado que la

relación entre G*/sen δ, es muy pobre, particularmente si se trata de

asfaltos modificados.

En consecuencia, muchas instituciones han introducido ensayos

adicionales a la especificación SUPERPAVE que permiten reducir esta

limitación, creando lo que se conoce como el SUPERPAVE Plus

MSCR

El Creep repetido surgió como parte de la gama de ensayos SP+

permitiendo evaluar la deformación acumulada en un material asfáltico

tras la aplicación de ciclos bien definidos de carga y recuperación. Sin

embargo, se observó que a cargas iguales, era necesario aplicar al

menos 100 ciclos para obtener resultados representativos.

En consecuencia, se propuso el ensayo MSCR (Multiple Stress Creep

and Recovery) como una mejor opción para estimar el rol que jugaría

un asfalto convencional o modificado en el desempeño de un

pavimento.

En un asfalto modificado clasificado por grado de desempeño PG

según protocolo SUPERPAVE, el polímero es evaluado como una

carga que aporta propiedades viscoelásticas al modificado. Las cargas

y deformaciones aplicadas en un ensayo de MSCR permiten activar

realmente la red polimérica evaluando su resistencia a la deformación y

su capacidad de recuperación.

Como resultado de este ensayo se calculan dos parámetros de

importancia que son, el cociente entre la deformación no recuperable y

la carga aplicada (Jnr) y el porcentaje de recuperación de la muestra

para cada ciclo. Finalmente, estos valores se reportan como el

promedio de cada uno de los diez ciclos para cada valor de carga.

MSCR

CLASIFICACION CON EL MSCR

Hoy en día, muchas agencias a nivel mundial han propuesto el uso del ensayo

de MSCR como una herramienta de clasificación adicional para pavimentos,

más aún si estos se encuentran modificados. La principal diferencia entre la

nueva especificación por MSCR y el método de clasificación SUPERPAVE, es

la forma en la que el salto de un nivel de clasificación a otro es medido.

En este sistema, si el grado estándar es un PG64 basado en las condiciones

climáticas, pero se busca un PG76 debido a altas cargas vehiculares por

ejemplo, el material asfáltico deberá probarse y cumplir con la especificación

SUPERPAVE a 76°C, temperatura a la cual el pavimento nunca estará.

Cuando se usan asfaltos modificados, este tipo de análisis pueden reportar

resultados engañosos

Muchos sistemas poliméricos se “suavizan” muy rápidamente a altas

temperaturas. Con el ensayo de MSCR el material asfáltico puede ser probado

a la temperatura medioambiental más alta promedio que se espera para el

pavimento en servicio, enfocándose en las condiciones de tráfico y no en la

temperatura.

CLASIFICACION CON EL MSCR

Por ejemplo, la especificación MSCR para tráfico de alta velocidad requiere de

un Jnr menor de 4.0 kPa-1 y para baja velocidad o tráfico pesado el valor de

Jnr deberá encontrarse entre 2 y 1 kPa-1 pues es necesaria una mayor

resistencia a la formación de ahuellamientos, independientemente de la

temperatura de clasificación PG.

De acuerdo con lo anterior, AASHTO propone la relación de clasificación que

se muestra en la tabla 1 usando como referencia el ensayo de MSCR

Especificación AASHTO por análisis MSCR

Preguntas?

Jorge Escalante Zegarra