MODULOS DINAMICOS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS SMA Y SUPERPAVE

Ing. Abel Ordóñez Huamán - ohabel@yahoo.comIng. Silene Minaya González - silenemg@yahoo.comInstituto de Investigaciones de la Facultad de Ing. Civil

Universidad Nacional de Ingeniería

RESUMEN:

El nuevo método de diseño de pavimentos asfálticos AASHTO 2002 requiere que las mezclas asfálticas sean modeladas como materiales visco-elásticos a través del parámetro denominado módulo dinámico E*. El parámetro E* permitirá construir la curva maestra del comportamiento deformacional de la mezcla asfáltica en función de la temperatura y del tiempo de carga (valor de la frecuencia de la carga cíclica).

El presente trabajo presenta los resultados de los ensayos de compresión confinada cíclica y la obtención del módulo dinámico, E* realizados en el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería en muestras de mezclas asfálticas tipo SMA – “stone mastic asphalt” y Superpave. Los resultados indican que el comportamiento deformacional de las mezclas SMA utilizando fibras celulosas y asfaltos modificados es superior al comportamiento de las mezclas Superpave.

1. INTRODUCCIÓN

Con el auspicio del Instituto de Investigaciones de la FIC-UNI se desarrolló el proyecto de investigación “Aproximación al Conocimiento Superpave”, trabajo que permitió realizar la publicación “Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas”, (Ref. 1) así como tomar conocimiento de las mezclas tipo SMA (Ref. 2). Así, actualmente se tienen documentos técnicos que explican en detalle las consideraciones de diseño de la metodología Superpave y SMA, así como la aplicación de los conceptos mecanísticos en la ingeniería de pavimentos (Ref. 3). Recientemente se ha culminado el proyecto “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, (Ref. 4) basado en pruebas experimentales realizadas en el Laboratorio de Mecánica de Suelos y Pavimentos de la FIC-UNI.

La metodología Superpave considera un método de diseño volumétrico, basado en la aplicación de las relaciones volumétricas y gravimétricas. El Superpave incorpora conceptos de la mecánica de los materiales: rigidez, elasticidad y visco-elasticidad de los materiales involucrados en la estructura del pavimento. (Ref. 5 y 6). Sin embargo, para integrarlo al método de diseño de pavimentos empírico-mecanístico AASHTO 2002 (Ref. 7) se deberá implementar un ensayo de laboratorio para determinar el parámetro deformacional elástico, de la mezcla asfáltica, esto es el Módulo Dinámico, E*.

El módulo dinámico, E* es una función de la temperatura, velocidad de carga, envejecimiento de la mezcla y las características de la mezcla como la rigidez del asfalto, gradación del agregado, contenido de asfalto y volumen de vacíos (ref. 7). Para tomar en cuenta los efectos de la temperatura y la velocidad de carga, el módulo de la mezcla asfáltica para cualquier nivel de análisis será determinada de la denominada “curva maestra” construida tomando como referencia la temperatura de 70º F. Las “curvas maestras” son construidas utilizando el

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principio de la superposición tiempo-temperatura, la Fig. 1 ilustra un ejemplo de la curva maestra.

Fig. 1 Variación de módulo dinámico en función de la frecuencia (tiempo) de carga y la temperatura y la “curva maestra”.(Ref. 7)

La curva maestra del módulo dinámico puede ser representada por la función “sigmoidal” dada por la siguiente ecuación:

donde:

tr : tiempo de carga a la temperatura de referencia (previa transformación). y : parámetros de ajuste, donde el es el mínimo valor de E* y representa el máximo valor de E*. y : parámetros que describen la forma de la función sigmoidal

El diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente y considera un buen porcentaje de ligante que le confiere una excelente durabilidad. Las características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica se alcanzan utilizando una granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros modificados y un mayor contenido de ligante. El uso de la fibra celulosa es esencial para evitar el escurrimiento del mastic en la mezcla asfáltica SMA, evitando su segregación debido al gran porcentaje de grava (70-80%) alto porcentaje de finos (10%) y menor porcentaje de arenas, (Ref. 8 y 9). El comportamiento del SMA es actualmente calificado en los EE.UU. y Canadá como de excelente bajo tráfico pesado e intenso y climas fríos, bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio.

Las investigaciones desarrolladas en la FIC-UNI, también tuvieron por finalidad llenar un vacío respecto al superior comportamiento mecánico de las mezclas SMA a las mezclas Superpave. Aplicaciones en proyectos viales realizadas en EE.UU. y en países Latinoamericanos como Brasil y Argentina así lo demuestran. Sin embargo, trabajos experimentales basados en ensayos de laboratorio en EE.UU y Brasil no conseguían demostrar mediante ensayos de laboratorio la superioridad mecánica del SMA sobre el Superpave, (Ref. 10 y 11).

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La National Center for Asphalt Technology de Auburn University - NCAT de EE.UU. en el año 1993, realizó una investigación cuyo objetivo era comparar mediante ensayos de laboratorio el comportamiento mecánico de las mezclas densas convencional y las mezclas SMA, con la finalidad de entender mejor su comportamiento. Las conclusiones a las que llegaron fueron que la resistencia al corte de las mezclas SMA arrojaban valores ligeramente mayor y menor que las mezclas densas. La estabilidad Marshall de las mezclas SMA fue siempre significativamente menor que para el caso de mezclas densas lo que indicaría que este tipo de ensayo no representa el comportamiento de las SMA; el flujo en las mezclas SMA es mayor que en mezclas densas lo que indicaría (erróneamente) que las SMA son más flexibles. Los ensayos de resistencia a la tracción indirecta y modulo resiliente fueron siempre menores en SMA con respecto a las mezclas densas. Esto indicaría que las SMA no son tan rígidas en tensión como las mezclas densas y que los valores de módulo resiliente no serían (erróneamente) altos. La deformación permanente se evaluó con el ensayo de flujo estático en que ambas mezclas obtuvieron valores semejantes. El ensayo de deformación permanente dinámica mostró que las mezclas SMA tuvieron deformaciones permanentes ligeramente mayores que las densas, sin embargo, estos resultados de la NCAT son contradictorios con el comportamiento de campo.

La conclusión más importante a la que llegaron en el proyecto de investigación de la NCAT, fue que estos ensayos pueden dar un indicativo del comportamiento de la mezcla, pero que son necesarios nuevos métodos de laboratorio para poder evaluarlas. Los investigadores de la NCAT concluyeron que los resultados del reporte de la NCAT no aconsejaban ser usados para comparar el comportamiento mecánico de las mezclas SMA y densas convencional, y que la comparación sólo se podría dar en el campo, por lo menos por algún tiempo, hasta tener un ensayo más realístico.

2. ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS

Aunque los modificadores de asfalto se vienen usando por más de 50 años, se ha renovado el interés en los últimos años debido a que las especificaciones del asfalto como el Superpave exigen que este cumpla los requisitos de rigidez a altas como a bajas temperaturas de servicio. Muchos de los cementos asfálticos no cumplen con estas especificaciones en regiones con climas extremos, necesitando ser modificados, (Ref. 12)

Los asfaltos modificados permiten presentan varias características como la menor rigidez o viscosidad del asfalto a altas temperaturas de preparación facilitan el bombeo del ligante asfáltico líquido, así como el mezclado y compactación. La mayor rigidez a altas temperaturas de servicio (verano) reducen las deformaciones permanentes y corrugaciones producto del corte por flujo de la mezcla. La menor rigidez y rapidez de relajación a bajas temperaturas de servicio (invierno) reduce el agrietamiento térmico.

Los polímeros pueden fabricarse para cumplir una amplia gama de propiedades ingenieriles, sin embargo, pueden dividirse en elastómeros (caucho) y plastómeros (plástico). Los elastómeros usados como modificadores de asfalto incluyen a los cauchos naturales, caucho estireno-butadieno SBR, estireno-butadieno-estireno SBS, entre otros. Los elastómeros resisten deformaciones de esfuerzos aplicados extendiendo y recuperando su forma rápidamente cuando el esfuerzo deja de aplicarse. Estos polímeros adicionan muy poca resistencia a los cementos asfálticos hasta que son estirados. Sin embargo, su resistencia a la tensión se incrementa con la elongación. Los plastómeros o plásticos usados como modificadores de asfalto incluye el polietileno, polipropileno, etil-vinil-acetato EVA, polivinil cloruro PVC, etc. Los plastómeros tienen un resistente, rígido red tridimensional que es resistente a las deformaciones. Estos polímeros exhiben fácil resistencia inicial bajo carga pero pueden fracturarse bajo deformación.

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3. POLÍMERO SBS (ESTIRENO-BUTADIENO-ESTIRENO)

El polímero SBS está formado por bloques de poliestireno y polibutadieno unidos químicamente, presentan fuerte interacción en base bituminosa por ser compatibles tanto en los componentes aromáticos como los no aromáticos. El poliestireno se funde arriba de los 90ºC y el rango en que el polibutadieno se torna rígido está próximo a -90ºC, por esa razón el SBS es el modificador mas usado del cemento asfáltico tanto en zonas donde las temperaturas son muy altas como en zonas donde las temperaturas son muy bajas. Con la incorporación del polímero SBS, el asfalto modificado puede tener para ciertos grados de temperatura, características de un ligante ideal, es decir, propiedades constantes y susceptibilidad térmica pequeña en todas las variaciones climáticas a las que estaría sometido.

El polímero producido, patentado y más utilizado en Brasil es el SBS. En el presente trabajo de investigación se utilizó asfaltos modificados con polímeros SBS denominados Betuflex 80/60 y 60/60 de Ipiranga Asfaltos. El principal propósito de utilizar modificadores SBS en mezclas asfálticas en caliente es incrementar la rigidez de la mezcla a altas temperaturas, volverlo más elástico y resistente al agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias de servicio y no modificar su rigidez a bajas temperaturas de servicio para resistir el agrietamiento térmico.

Tabla 1 Datos referentes al Asfalto Modificado con SBS de Ipiranga Asfaltos

Propiedades BETUFLEX 60/60 BETUFLEX 80/60Punto de ablandamiento, ºC 50 - 65 75 - 90Penetración (100g, 5s, 25ºC), dmm 50 – 70 50 - 70Recuperación elástica a 25ºC, mín 60 85 Indice de susceptibilidad térmica, mín Cero +2Viscosidad a 175ºC, cps, máx 450 450Densidad a 20/4ºC 1.00 - 1.04 1.00 - 1.04Compatibilidad a 163ºC, 5 dias, máx 4 4 235Punto de fulgor, ºC, mín 235

En zonas de temperaturas muy altas, que pasan el punto de ablandamiento del cemento asfáltico puro y cuando el flujo es prácticamente viscoso, el SBS forma una malla que envuelve el ligante fluido, manteniendo una alta consistencia. A partir de la fusión completa del rango de los estirenos, la mezcla de cemento asfáltico-SBS pasa a ser fluido viscoso. En zonas de temperaturas muy bajas, el cemento asfáltico tiene un comportamiento rígido con correspondientes agrietamientos; el SBS disminuye bastante el punto de ruptura Fraass de la mezcla, dándole elasticidad.

4. FIBRA CELULOSA Y ENSAYOS DE ESCURRIMIENTO

En esta investigación se emplearon fibras en su condición suelta y fibra celulosa VIATOP 66, cedida por J.R. Rettenmaier & Soehne de Brasil representante de la matriz alemana, en forma de pellets, compuesta por 66.6% en peso de fibra y 33.3% de asfalto. La cantidad requerida en la mezcla se determinó conforme al valor máximo obtenido en el ensayo de escurrimiento, que fue 0.3% en peso de la muestra.

El ensayo de escurrimiento se realiza en mezclas propensas al escurrimiento como las mezclas SMA, debido al alto porcentaje de filler en su distribución granulométrica. Con este método es posible medir la cantidad de material escurrido de una muestra de mezcla asfáltica no compactada a elevadas temperaturas, comparables a aquellas usadas durante la producción, almacenamiento, transporte y colocación. Según la norma AASHTO T 305 el escurrimiento de

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la mezcla es aquella porción del material que se separa de la muestra y se deposita fuera de la cesta durante el ensayo. El ensayo consiste en colocar cierta cantidad de mezcla asfáltica suelta (1200 200 gr) en una cesta puesta sobre una bandeja. El conjunto se lleva al horno por una hora a diferentes temperaturas. Se realizaron ensayos en mezclas asfálticas sin fibra y con 0.4% de fibra suelta. El asfalto usado fue PEN 60-70, el filler utilizado es cemento portland. El contenido de ligante para todos los ensayos fue 7%.

5. COMPORTAMIENTO VISCO-ELASTICIO DE MEZCLAS ASFALTICAS

El ensayo para determinar el módulo complejo consiste en aplicar una carga del tipo sinusoidal de manera continua, sin período de descanso. El módulo complejo es uno de los muchos métodos para describir la relación esfuerzo-deformación de materiales visco-elástico. El valor numérico del módulo es un número complejo, la parte real representa la rigidez elástica y la parte imaginaria caracteriza la humedad interna de los materiales.

De acuerdo a Huang, (Ref.13), el valor absoluto del módulo complejo se denomina Módulo Dinámico. El módulo dinámico varía con la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. La Teoría del Módulo Complejo se aplica con modelos matemáticos. La siguiente figura muestra el modelo de Kelvin sometido a una carga sinusoidal.

Fig. 2: Modelo Visco-elásticode Kelvin

La carga sinusoidal se puede representar por un número complejo.

Donde:o amplitud de los esfuerzos velocidad angular y se relaciona con la frecuencia f según:

la ecuación diferencial se puede escribir:

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E1

e iωt

La solución de ésta ecuación se expresa como:

es la amplitud de la deformación y es el ángulo de desfase entre la deformación y el esfuerzo.

Reemplazando se obtiene:

cuya solución es:

y

El módulo complejo se define como:

ó

el módulo dinámico es el valor absoluto del módulo complejo:

Como se observa el módulo dinámico relaciona el esfuerzo aplica sobre la máxima deformación retardada alcanzada, durante el ciclo de carga. Durante el trabajo experimental se aplicaron cargas lentas, por limitaciones del equipamiento, cargas similares a las aplicadas en estacionamientos, tramos en pendientes, intersecciones viales, etc.

6. PROGRAMA EXPERIMENTAL

El programa experimental se inicia con ensayos no confinados, tipo Marshall, repitiendo el programa realizado en otros países. Los resultados obtenidos verifican que las mezclas SMA tienen menor valor de estabilidad que las mezclas densas convencionales y Superpave, cuando se utilizan ensayos de compresión no confinada. Estos ensayos no son compatibles con los esfuerzos confinantes que se producen en el campo, por lo tanto no son representativos, sobre en la familia de las mezclas asfálticas que utilizan granulometría incompleta (ausencia de arenas) como el SMA, Gap Grade, Open Grade Friction Course, etc.

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Los resultados obtenidos del ensayo de estabilidad Marshall en muestras densas convencionales, Superpave y SMA realizados a 60ºC y temperatura ambiente indicaron que la estabilidad de mezclas convencionales es aproximadamente 50% mas que las mezclas SMA. Los valores de estabilidad de las mezclas Superpave son similares al de las mezclas convencionales, este resultado era de esperar porque la estructura granular de las mezclas densas convencionales y Superpave son en general muy similares.

El programa experimental propuso primero el ensayo de compresión confinada utilizando el equipamiento CBR, aunque los resultados fueron alentadores, se cuestionó el patrón de esfuerzos verticales transmitidos del tipo no uniforme, sobre todo en el contacto del pistón de carga-mezcla. Por ello, se propuso realizar ensayos de compresión edométrica mediante la colocación de un disco metálico del tamaño del diámetro de la muestra uniformizando los esfuerzos verticales transmitidos a la muestra y los esfuerzos de confinamiento.

El ensayo de compresión edométrica, consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso a un especimen confinado lateralmente. La carga vertical aplicada transmite una presión uniforme entre 5 y 10 kg/cm2. La carga de velocidad lenta, equivalente a un tiempo por ciclo de 5 segundos, dado que no se cuenta con prensa de carga cíclica, se aplica con el pistón de carga a un disco metálico del diámetro del especimen. Los especimenes cilíndricos fueron de 2.5 pulgadas de altura y 4 pulgadas de diámetro.

La siguiente Figura muestra resultados de un ensayo típico realzado sobre una mezcla SMA realizado a 60º C.

Fig. 3 Resultados de Ensayo de Compresión Edométrica Cíclico7. RESULTADOS EXPERIMENTALES

Fueron calculados los parámetros volumétricos de cada espécimen utilizando las relaciones volumétricas de las mezclas asfálticas, (Ref.14). Los resultados se presentan de manera resumida, detalles del trabajo pueden verse en la Ref. 4.

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COMPRESION EDOMETRICASMA TMN 3/ 4", 6.5% BETUFLEX 80/ 60, VIATOP

MUESTRA 1A, Tºensayo = 60ºC

Presion vs Asentamiento

0

4

8

12

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4Asentamiento (mm)

Pre

sio

n (

kg

/cm

2)

Modulo Elastico vs Nº ciclos

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4 5Nº ciclos

E (

kg

/cm

2)

Presion 10 kg/cm2

Presion 5 kg/cm2

Fig. 4: Mezclas SMA y Superpave, Tº ensayo = 0ºC

Las mezclas SMA presentan mayores módulos que las muestras Superpave. Las mezclas con Betuflex presentan mayores módulos que las muestras preparadas con asfalto PEN 60/70.

Fig. 5: Mezcla SMA y Superpave, Tº ensayo = 60ºC

A 60ºC los resultados tienen la misma tendencia respecto a la superioridad del SMA sobre el Superpave. El módulo elástico promedio de las mezclas SMA preparadas con asfalto PEN 60/70 y Betuflex 60/60 tienen un valor de 1000 kg/cm2; y para SMA preparado con Betuflex 80/60 el módulo es 1100 kg/cm2.

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Fig. 6: Mezcla SMA con diferentes tipos de asfalto, Tº ensayo de 0ºC

Las mezclas SMA con 7% de asfalto Betuflex presentan mayores módulo respecto al asfalto PEN 60/70.

Fig. 7: Mezcla SMA con diferentes tipos de asfalto, Tº ensayo de 60ºC

Para mezclas SMA con 7% de asfalto el Betuflex 60/80 presenta mayor módulo que el Betuflez 60/60 y el PEN 60/70. Los resultados experimentales pueden ser explicados en la siguiente Tabla:

Tabla 3: Resultados ExperimentalesTipo de Mezclas Tipo de asfalto Tº ensayo Tipo de % asfalto E (kg/cm2)

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fibra Prom.

SMA 19 mm

PEN 60-7060ºC Viatop 7 1000

0ºC Viatop 7 1100

BETUFLEX 60/6060ºC Viatop 7 1000

0ºC Viatop 7 1200

BETUFLEX 80/60

60ºC Viatop 7 1100

0ºC Viatop 7 1200

Para las mezclas SMA ensayadas a 60ºC los resultados tienen la misma tendencia, indican que el módulo elástico promedio de las mezclas SMA preparadas con asfalto PEN 60/70 y Betuflex 60/60 tienen un módulo elástico de 1000 kg/cm2; y para SMA preparado con Betuflex 80/60 el módulo es 1100 kg/cm2. Del proyecto de investigación se puede concluir que el asfalto modificado en la mezcla es más benéfico para temperaturas muy bajas, debido a que mantienen o incrementan el módulo elástico de la mezcla.

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las conclusiones y recomendaciones que se pueden aprovechar de los trabajos realizados fueron:

Los ensayos de compresión confinada, sea del tipo edométrico o triaxial representan de manera más realista el comportamiento mecánico de las mezclas asfálticas, comparados con ensayos no confinados como el Marshall, además de arrojar un parámetro deformacional como el módulo dinámico, E*, parámetro recomendado para ser utilizado en el método AASHTO 2002, cuyo valor debe ser obtenido a partir de ensayos de laboratorio de acuerdo al nivel 1 de jerarquización de la metodología.

Los ensayos del tipo confinado son los únicos que permiten evaluar correctamente el comportamiento de mezclas de granulometrías abiertas, donde prevalece el contacto piedra-piedra, como el SMA, de mayor módulo elástico, respecto a las mezclas convencionales.

Las mezclas tipo (con granulometría) Superpave presentan un comportamiento mecánico similar a las mezclas convencionales densas, esto indica que la fortaleza del Superpave radica básicamente en las especificaciones para la gradación del ligante asfáltico.

Los ensayos de compresión edométricas, son más simples y rápidos de ser ejecutados, por lo que será utilizado a nivel ingenieril, respecto a los ensayos triaxiales; arrojando un parámetro de diseño compatible con el modelo elástico multicapa que propone la Guía de Diseño AASHTO 2002 para el análisis de esfuerzos y deformaciones.

El uso de modificadores de asfalto será necesario en proyecto de pavimentación ubicados en lugares con temperaturas de servicio extremas, esto es, para climas cálidos y fríos, debido a que amplían el comportamiento elástico de la mezcla a un mayor rango de temperaturas.

Se ha demostrado la factibilidad de preparar en el laboratorio las mezclas asfálticas basados en agregados básicamente gruesos, con poco contenido de arena, como es el caso del SMA, con el uso en muy pequeños porcentajes de fibras celulosas para evitar el problema del

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escurrimiento durante la preparación, lo que permitirá recomendar su uso en las carreteras de climas fríos, como ya ocurre, en otros países como EEUU., Canadá y Europa.

Referencias Bibliográficas

1. Minaya, S. y Ordóñez, A “Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas”. 200 pags. FIC-UNI. 2004.

2. Ordóñez, A. y Minaya, S., “Superpave y SMA: Conceptos Mecanísticos en la Ingeniería de las Mezclas Asfálticas”, V Congreso Nacional de Asfalto, Lima, noviembre 2002.

3. Minaya, S. y Ordóñez, A “Diseño Moderno de Pavimentos”. 365 pags. Texto de Enseñanza Universitaria. (a ser publicado). 2005.

4. Minaya, S. “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”. Tesis de Maestría FIC-UNI. 167 pags. 2005.

5. Department of Transportation. Federal Highway Administration, “Superpave Asphalt Mixture Design”. Version 8. 2002.

6. Asphalt Institute, “Superpave Mix Design”, 2001.

7. National Cooperative Highway Research Program, “Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures 1-37A”, marzo 2004.

8. National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures-State-of the Practice”, enero 1999.

9. National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures- State-of-the-Practice”. U.S. Dep. of Transp. FHWA. 2002.

10.Brown, E., Manglorkar, H., “Evaluation of Laboratory Properties of SMA Mixtures”, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, Octubre 1993.

11.Lago Mourao, F. “Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA”, Tesis para Optar el Grado de Master en Ingeniería Civil, Universidad Federal de Río de Janeiro, octubre 2003.

12.Da Costa Amaral S., “Estudos de Misturas Asfálticas Densas com agregados do Estado do Pará, Utilizando Asfalto Convencional (CAP-40) e Asfalto Modificado com Polímero SBS (Betuflex B65/60)”, Tesis para Optar el Grado de Master en Ingeniería Civil, Universidad de Sao Paulo –USP, Brasil, 2000.

13.Huang, Y., “Pavement Analysis and Design”, primera edición, Prentice Hall 1993.

14.Ordóñez, A. y Minaya, S., “Manual de Laboratorio. Ensayos para Pavimentos”. Volumen I. FIC-Universidad Nacional de Ingeniería. 200 pags. 2001.

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