Transcript 10 152-1-13- Jorge Escalante CILA

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, CSHRP, 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 CSHRP 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
LIGANTE ASFÁLTICO
CARACTERÍSTICAS
UNIDAD
MÉTODOS
PEN 60 / 70
AMP
BETUTEC
AMP
PG 76 -22
ABNT
ASTM
0,1mm
60
49
56
NBR 6576
D5
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
Penetración (100 g, 5s, 25ºC)
Temperatura de Corte Dinamico
ºC
64
76
76
P 246
G*
kPa
1,975
1,445
1,017
P 246
°
81,16°
64,75°
64,09°
P 246
kPa
1,999
1,598
1,130
P 246
δ
Corte Dinámico G*/senδ ≥ 1 KPa
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
°
76,28°
59,13°
59,05°
P 246
kPa
3,343
4,104
3,794
P 246
P 246
δ
Corte Dinámico G*/senδ ≥ 2,2 KPa
Despues envejecimiento RTFOT / PAV
T° de Corte dinámico G* senδ ≤ 5000 KPa
°C
Rigidez a la fluéncia BBR S≤ 300MPa e m ≥0,3
°C
22
19
19
-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 compactación
 CAP - ASTM D 2493 (T. M. 170 ± 20 cP, T. C. 280 ± 30 cP)
 AMP - Fajas de viscosidad recomendada por el fabricante
Ensayo marshall
 Dosificación 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 prueba
fueron 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 RT
 Critério de falla: Ruptura
Desplazamiento vertical ≥ 6 mm
 Réplica 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
Clasificación Superpave de los Ligantes Asfálticos
Temperatura (ºC)
100
80
64
76
70
76
76
76
60
40
22
19
19
20
0
-20
-22
-22
-22
-40
PEN 60/70
Betutec
PG 76 -22
Ligante Asfáltico
G*/senδ virgen
G*/senδ despues RTFOT
PG 64 -22
G*.senδ despues RTFOT/PAV
PG 76 -22
PG 76 -22
BBR
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Ensayo de vida a la fatiga
Numero de aplicaciones
de carga (N)
Modelo de Fatiga sin envejecimiento
100000
10000
1000
100
0,10
1,00
10,00
Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)
Asfalto PEN 60/70
AMP PG 76 -22
Potencial (Betutec)
Betutec
Potencial (Asfalto PEN 60/70)
Potencial (AMP PG 76 -22)
Número de aplicaciones
de carga (N)
Modelo de Fatiga sin envejecimiento
100000
10000
1000
100
1,000E-05
1,000E-04
1,000E-03
Deformación resiliente εi
Asfalto PEN 60/70
AMP PG 76 -22
Potencial (Betutec )
Betutec
Potencial (Asfalto PEN 60/70)
Potencial (AMP PG 76 -22)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Numero de aplicaciones
de carga (N)
Modelo de Fatiga con 2 h de envejecimiento
100000
10000
1000
100
1,00
10,00
Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)
Asfalto PEN 60/70
AMP PG 76 -22
Potencial (Betutec)
Betutec
Potencial (Asfalto PEN 60/70)
Potencial (AMP PG 76 -22)
Numero de aplicaciones
de carga (N)
Modelo de Fatiga con 2 h de envejecimiento
100000
10000
1000
100
1,000E-05
1,000E-04
1,000E-03
Deformación resiliente εi
Asfalto PEN 60-70
AMP PG 76 -22
Potencial (Betutec)
Betutec
Potencial (Asfalto PEN 60-70)
Potencial (AMP PG 76 -22)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Numero de aplicaciones
de carga (N)
Modelo de Fatiga con 4 h de envejecimiento
100000
10000
1000
100
1,00
Diferencia de tensiones Δσ (Mpa)
Asfalto PEN 60-70
AMP PG 76 -22
Potencial (Betutec)
10,00
Betutec
Potencial (Asfalto PEN 60-70)
Potencial (AMP PG 76 -22)
Numero de aplicaciones
de carga (N)
Modelo de Fatiga con 4 h de envejecimiento
100000
10000
1000
100
1,000E-05
1,000E-04
1,000E-03
Deformación resiliente εi
Asfalto PEN 60-70
AMP PG 76 -22
Potencial (Betutec)
Betutec
Potencial (Asfalto PEN 60-70)
Potencial (AMP PG 76 -22)
Los modelos de
Fatiga obtenidos
presentaron
excelentes valores
de R² (> 0.97)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
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.
Asfalto
PEN 60/70
AMP Betutec
AMP PG 76 -22
Sin envejecimiento
Con 2 horas de
envejecimiento
Con 4 horas de
envejecimiento
N=3490,8(1/Δσ)4,2683
N=6,0x10-14(1/εi)4,2683
N=12779(1/Δσ)4,6417
N=5,0x10-15(1/εi)4,6417
N=16924(1/Δσ)4,0476
N=4,0x10-13(1/εi)4,0476
N=26600(1/Δσ)4,1743
N=5,0x10-14(1/εi)4,1743
N=158831(1/Δσ)5,2113
N=5,0x10-18(1/εi)5,2113
N=395175(1/Δσ)4,9262
N=7,0x10-17(1/εi)4,9262
N=82292(1/Δσ)4,8964
N=4,0x10-17(1/εi)4,8964
N=458010(1/Δσ)5,9932
N=2,0x10-21(1/εi)5,9932
N=116237(1/Δσ)4,4286
N=7,0x10-15(1/εi)4,4286
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
Modelo
MR
(kgf/cm2)
Δσ
(Mpa)
N
N=3490,8(1/Δσ)4,2683
N=26600(1/Δσ)4,1743
N=82292(1/Δσ)4,8964
21353
44229
57502
0,8383
1,2288
1,3991
7411
11255
15894
N=12779(1/Δσ)4,6417
N=158831(1/Δσ)5,2113
N=458010(1/Δσ)5,9932
23348
51058
61893
0,880
1,3204
1,4491
23131
37317
49588
N=16924(1/Δσ)4,0476
N=395175(1/Δσ)4,9262
N=116237(1/Δσ)4,4286
31194
65249
55213
1,0273
1,4856
1,3719
15176
56230
28655
Ligante Asfáltico: CAP PEN 60/70
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimiento
Con 4 h. de envejecimiento
Ligante Asfáltico: AMP BETUTEC
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimiento
Con 4 h. de envejecimiento
Ligante Asfáltico: AMP PG 76 -22
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimiento
Con 4 h. de envejecimiento
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis mecanística
 Los resultados mostraron que los AMP presentaron mayor vida a la fatiga
que el CAP convencional.
Vida de Fatiga de las mezclas estudiadas
Vida a la Fatiga
(N)
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
CAP PEN 60/70
Betutec
AMP PG 76 -22
Ligante Asfáltico
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
Modelo
MR
(kgf/cm2)
Δσ
(Mpa)
N
N=3490,8(1/Δσ)4,2683
N=26600(1/Δσ)4,1743
N=82292(1/Δσ)4,8964
21353
44229
57502
0,9484
1,4527
1,6782
4377
5596
6523
N=12779(1/Δσ)4,6417
N=158831(1/Δσ)5,2113
N=458010(1/Δσ)5,9932
23348
51058
61893
1,0010
1,5733
1,7461
12720
14972
16222
N=16924(1/Δσ)4,0476
N=395175(1/Δσ)4,9262
N=116237(1/Δσ)4,4286
31194
65249
55213
1,1892
1,7958
1,6416
8393
22093
12942
Ligante Asfáltico: CAP PEN 60/70
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimiento
Con 4 h. de envejecimiento
Ligante Asfáltico: AMP BETUTEC
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimiento
Con 4 h. de envejecimiento
Ligante Asfáltico: AMP PG 76 -22
Sin envejecimiento
Con 2 h. de envejecimiento
Con 4 h. de envejecimiento
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%.
Vida de Fatiga de las mezclas estudiadas
Vida a la Fatiga
(N)
25000
20000
15000
10000
5000
0
CAP PEN 60/70
Betutec
AMP PG 76 -22
Ligante Asfáltico
Sin envejecimiento
Con 2 h de envejecimiento
Con 4 h de envejecimiento
CONCLUSIONES
Distribuición del Grado de Desempeño – PG
 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.
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
Granulometria de la Mezcla
 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.
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
Gracias
Jorge Rodolfo Escalante Zegarra
Grupo TDM - Universidade de Sao Paulo / EESC
Lima, Perú
[email protected]
[email protected]
José Leomar Fernandes Junior
Universidade de Sao Paulo /EESC
Sao Carlos - SP, Brasil
[email protected]