Transcript Diseño de mezclas asfálticas resistentes al ahuellamiento, predicción y control de calidad Gerardo Botasso Profesor, Investigador, Consultor Internacional Quito, 22 y 23 de enero de 2015 [email protected].

Diseño de mezclas
asfálticas resistentes
al
ahuellamiento,
predicción y control
de calidad
Gerardo Botasso
Profesor, Investigador, Consultor Internacional
Quito, 22 y 23 de enero de 2015
[email protected]
El problema del ahuellamiento en las rutas argentinas
VER PUNTO 20.1.2.
RED VIAL NACIONAL (2011)
ESTUDIO SOBRE EL 73 % DE LA RED NACIONAL
PARTE NO CONCESIONADA (2011)
¿Qué es el ahuellamiento?
¿Cómo se genera?
¿De qué forma se puede estudiar y predecir?
Cuando un vehículo cargado se ubica sobre la calzada se genera sobre
la estructura del pavimento una solicitación que genera en cualquier
lugar de la estructura solicitaciones horizontales, verticales y de corte
como se observan en la figura :
Dadas las características de los
materiales y el tipo de carga, con
tiempos cortos de aplicación, de la
deformación generada
solo se
recupera una parte, siendo esta la
deformación resiliente, mientras que
la no recuperada se llamará
deformación permanente o plástica
Las deformaciones permanentes o ahuellamientos son el deterioro caracterizado por
la existencia de una sección transversal de la superficie que ya no ocupa su posición
original. En las mezclas asfálticas son uno de los modos de falla más frecuentes que se
producen sobre los pavimentos y consisten en una depresión canalizada en la huella
de circulación de los vehículos. Este proceso se ve favorecido por la acción combinada
de elevados niveles de tránsito, tránsito pesado y/o lento y altas temperaturas. Los
pavimentos asfálticos ahuellados tienen una seguridad deficiente porque los surcos
que se forman retienen suficiente agua para provocar hidroplaneo o acumulación de
hielo
Este fenómeno se registra por dos posibles sistemas de falla
El ahuellamiento por falla de la subrasante se genera por la aplicación repetida de
carga al suelo natural; subbase o base por debajo de la capa asfáltica, la cual cede y se
deforma. Frecuentemente este ahuellamiento es el resultado de una sección de
pavimento demasiado delgada sin la suficiente profundidad para reducir, a niveles
tolerables, las tensiones sobre la subrasante cuando las cargas son aplicadas.
EN GENERAL SERA LLAMADO DEFORMACION DE LA CALZADA
El otro tipo principal de ahuellamiento se debe a la acumulación de deformaciones en
las capas asfálticas. Este tipo de ahuellamiento es causado por una mezcla asfáltica
cuya resistencia al corte es demasiado baja para soportar las cargas pesadas repetidas
a las cuales está sometida.
EN GENERAL ES LO QUE SE HA DADO EN LLAMAR AHUELLAMIENTO
Las mezclas asfálticas son materiales viscoelásticos dependientes de la frecuencia de
aplicación de la carga y de la temperatura
Las propiedades mecánicas mas importantes son:
•Módulo de deformación
•Resistencia a la fatiga
•Resistencia al ahuellamiento
Carga estática
Carga dinámica
Principales factores de dependencia relacionados con la mezcla asfáltica
•Granulometría de los áridos.
•Forma, tamaño y textura de los áridos.
•Contenido de polvo mineral en la mezcla.
•Tipo y cantidad de ligante asfáltico. Modificación del asfalto.
•Contenido de vacíos en el agregado mineral y contenido de
vacíos en la mezcla asfáltica.
•Cargas por eje equivalente de los vehículos y presión de
contacto de los neumáticos con el pavimento y frecuencia.
•Las condiciones ambientales
Granulometrías de las mezclas
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
100
1000
10000
100000
Naturaleza y origen de los áridos
Asfalto
Modifica el grado de performance del asfalto al cambiar sus propiedades reológicas
Según la metodología SUPERPAVE el parámetro G*/sen δ parámetro de control de la
deformación permanente. Este mecanismo de falla ocurre a edad temprana del
pavimento en asfalto original o no envejecido y es crítico a altas temperaturas. Debe ser
como mínimo de 1 kPa en ligantes vírgenes y 2,2 kPa en ligantes envejecidos en RTFOT.
Grado de Performance de los Asfaltos
(Fuente LEMIT)
El polvo mineral o filler natural y de aporte
Porcentaje de vacíos de la mezcla.
V deberán ubicarse entre 3 y 8 %
Cuando V menor al 3%, la mezcla es muy propensa a exudar y/o
ahuellarse.
Cuando V es mayor al 8 % la mezcla puede sufrir excesiva oxidación,
agrietamiento prematuro y desintegración además de ser más susceptible
al daño por humedad.
Método Marshall Vacíos entre 3 y 5 %
SuperPave 4 %
SMA 2 a 3 %
Microaglomerados 6%
Vacíos del agregado mineral. VAM
El VAM, vacíos del agregado mineral, es una propiedad que depende del
agregado (forma y granulometría) y del contenido asfáltico. Valores de VAM
muy bajos pueden indicar que en terreno el asfalto no tendrá suficiente espacio
y que por lo tanto podría ahuellarse ylo exudar. Valores de VAM muy altos
también se han asociado con el ahuellamiento, ya que se requerirá un mayor
contenido asfáltico para cumplir las especificaciones de diseño lo que hace a la
mezcla más deformable
Expresión que vincula las variables observadas desarrollada por Kaloush 1999
Existen variados ensayos de predicción del ahuellamiento, algunas mas o menos
costosos, o de mayor o menor complejidad entre los que se puede citar:
Los ensayos de creep por compresión axial y triaxial
Los ensayos de tracción indirecta
Los ensayos de corte
Y los ensayos de rueda cargada o wheel tracking test
El procedimiento general del ensayo consiste en medir la velocidad de
deformación o la deformación vertical que se produce en una muestra
de mezcla asfáltica, ante la aplicación de cargas sobre una rueda a una
determinada frecuencia de solicitación y temperatura de ensayo.
Parámetros necesarios que deben ser definidos
Velocidad de deformación:
Expresa la velocidad con la cual se incrementa la huella en el tiempo.
Se expresa en mm/minuto y relaciona las profundidades de huella
diferentes tiempos de ensayos
en
Velocidad de deformación media:
Promedio de velocidad de deformación para diferentes muestras de ensayos ,
en donde los valores de VDi indican las velocidades de deformación de cada
uno de los ensayos , siendo i el numero de muestras ensayadas
Velocidad de deformación media corregida:
Las normas británicas como la norma europea corrigen la velocidad de
deformación por diferencias que pudieran existir entre el ancho de rueda del
ensayo y la diferencias en la magnitud de la carga según lo considere cada
norma.
Donde W es el ancho de la rueda y
L es la carga aplicada en N
Tasa de ahuellamiento:
Mide el incremento de la huella en función del número de ciclos aplicados. Un
ciclo son dos pasadas una de ida y otra de vuelta. Se mide en u/ciclos y
relaciona las profundidades de huella en el ciclo n y m, con el numero de ciclos
n y m desarrollados para generarlos.
Profundidad de ahuellamiento:
Deformación máxima alcanzada en mm durante la cantidad de ciclos que
desarrolle el ensayo según la norma
Estabilidad Dinámica:
indica el numero de pasadas necesarias de la rueda para conseguir una
profundidad de huella de 1mm, siendo una pasada un recorrido . Se mide en
pasadas/minuto Donde X es el numero de pasadas por minuto y VD es la
velocidad de deformación en mm/minuto
Normas vigentes para el ensayo de la WTT:
1. AASHTO TP 63-03 Standard Method of Test for Determining
the Rutting Susceptibility of Asphalt Paving Mixtures Using
the Asphalt Pavement Analyzer (APA)
2. NLT 173/84 Resistencia al ahuellamiento de mezclas
bituminosas mediante la pista de ensayo de laboratorio.
3. AASHTO T 234-04METHOD OF TEST FOR HAMBURG
WHEEL-TRACK TESTING OF COMPACTED HOT-MIX
ASPHALT (HMA).
4. BS 598 Sampling and examination of bituminous mixtures for
roads and other paved areas. Part.10. Mtethods of test for the
determination of wheel tracking rate. Sin vigencia desde
2005.
5. BS EN 12697-22:2003 Bituminous mixtures. Test methods for
hot mix asphalt. Wheel tracking. Comunidad europea 2004.
6. NF EN 12697-22 2004 mélanges bitumineux Methodes
déssai pour mélange hydrocarboné a chaud Partie 22 essai
dórnierage.
7. PT/t231 Defortmation resistance of asphalt mixtures by the
wheel trcking test. Autralian Aphalt association.
Existen diferencias entre los instrumentales utilizados, pero se podría decir que las
características generales de mayor utilización en los equipos disponibles en Argentina son los
que se ajustan al procedimiento B de la Norma BS EN 12697-22:2003
Diámetro ext de la rueda:200-205 mm
Ancho de la rueda: 50+/- 5mm
Espesor de la goma de la rueda: 20+/-2mm
Dureza de la goma 80+/- 5 HRD
Carga aplicada: variable ó 700 +/-10 N
Recorrido de la rueda: 230+/-10mm
Frecuencia: 26,5+/-1 ciclo por minuto
Dimensiones de la probeta: 300 x 300 mm
Espesor de la probeta: variable o 50 mm
Temperatura: variable o 60ºC
Mediciones de las deformaciones: en la parte central de la probeta
en una long de +/-50mm con respecto al centro del área cargada
en el punto medio transversal medidos en al menos 25 puntos
equiespaciados para obtener el valor medio del perfil. Medición
en movimiento sin detener el equipo.
Medición Inicial: a partir del 5 ciclo.
Duración: 10.000 ciclos o hasta 20 mm de ahuellamiento. Mínimo
2000 ciclos.
Numero de probetas: mínimo 2 probetas.
Forma de compactación: Por amasado o vibrado
Gráficos de ahuellamiento cuando realizan variaciones en el tamiz ¾”
Grafica- 5: Curvas ensayos WTT. Mezclas M90, M93, M95, M97, M100.
Grafico de ahuellamiento en la misma mezcla variando el tipo de ligante
6
DEFORMACION (mm)
5
4
3
con CA-30
con CA-10
2
1
0
0
2000
4000
6000
CICLOS
8000
10000
12000
Variación en función de la temperatura de compactación.
WTS: Pendiente media de ahuellamiento
(mm.10-3ciclos)
RD: Profundidad media de la huella (mm): lectura en la probeta
PRD: Profundidad de ahuellamiento medio proporcional (%):
No existe aún hoy en Argentina un valor limite en el proceso de diseño, ni en el control
de calidad de las mezclas asfálticas producidas
En base a las experiencias españolas, los trabajos del Dr. Agnus Dei y las ultimas
experiencias de la Dra. Angelone se propone considerar como referenciales los
siguientes parámetros:
WTS: Pendiente media de ahuellamiento
(mm.10-3ciclos)
PRD: Profundidad de ahuellamiento
medio proporcional (%):
< 0.100
mm/103ciclos
<5.5 %
Para las condiciones operativas del equipo y clima templado a cálido
Las mezclas asfálticas diseñadas por metodología Marshall o
SuperPave, pueden o no fallar por deformaciones plásticas
permanentes, el cumplimiento de los valores habitualmente
exigido no incluye valoración alguna del desempeño de la mezcla
frente a ciclos de carga y temperatura combinados.
El ensayo normalizado en la Comunidad Europea es hoy en día el
que se ha difundido como ensayo de rueda cargada en Argentina.
El ensayo conocido como WTT, norma BS EN 12697-22:2003,
define condiciones operativas que representan un estándar de
solicitación, frecuencia y temperatura que se puede mantener
constante en los entornos exigidos o pueden hacerse las
variaciones que se consideren necesarias.
En base a la experiencia realizada se puede poner como limites de
aceptación y de control los especificados en la filmina anterior.
Debe incluirse esta determinación en los diseños y en los
controles de calidad
No se pueden diseñar mezclas asfálticas con capacidad de aporte estructural sin
considerar en el diseño y luego en el control de calidad la valoración a las
deformaciones plásticas permanentes.
La no realización de esta valoración genera incertidumbres y riesgos de fracasos
Muchas gracias!