1. No category

1
ANÁLISIS COMPARATIVO EN LABORATORIO DE ASFALTOS DE
DIFERENTE VISCOSIDAD
1 INTRODUCCIÓN.
El propósito de este proyecto de investigación es aportar elementos de juicio
para valorar en el laboratorio el efecto que induce en las propiedades de la
mezcla asfáltica el cambio de consistencia del asfalto.
El estudio abarca el análisis de mezclas densas producidas en laboratorio con
tres distintas fuentes de agregado, tres distintas granulometrías y dos ligantes
asfálticos, con diferentes grados de consistencia (cuantificada a partir del
ensayo de viscosidad absoluta a 60°C en condición no envejecida), a saber:
Ligante asfáltico 1, de menor consistencia, correspondiente al ligante de uso
general en la producción de mezcla asfáltica en caliente en Costa Rica
durante los primeros tres trimestres de 2002.
Ligante asfáltico 2, de mayor consistencia (AC-30).
Nota: ninguno de los dos ligantes es modificado con polímeros (“neat
binders”).
En este informe se incluye :
Estudio comparativo de propiedades físico – químicas de ligantes asfálticos.
Estudio comparativo de propiedades reológicas de ligantes asfálticos.
Estudio comparativo de propiedades Marshall para mezclas de concreto
asfáltico con agregados patrón, considerando únicamente el cambio de la
variable experimental consistencia del ligante asfáltico.
Estudio comparativo de propiedades Marshall para mezclas de concreto
asfáltico con agregados patrón, considerando el cambio de las variables
experimentales consistencia del ligante asfáltico y fuente de agregado (el
cual incluye la mineralogía, las propiedades físico-mecánicas y la estructura
granulométrica).
Resistencia a la deformación plástica, en pista de ensayo a escala de
laboratorio, para especímenes de concreto asfáltico.
Resistencia al daño por humedad para especímenes de concreto asfáltico.
2
2 EVALUACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICO – QUÍMICAS PARA LIGANTES
ASFÁLTICOS.
La Tabla No. 1 presenta los resultados de los análisis de pureza y seguridad
Ambos ligantes asfálticos presentan puntos de chispa superiores al mínimo
normado de 232°C (Reglamento Técnico NCR 248:1997).
Ambos ligantes arrojan un similar resultado en el ensayo de solubilidad en
tricloroetileno (pureza), cumpliendo con el mínimo de 99.00 % (Reglamento
Técnico NCR 248:1997).
El ligante de mayor consistencia (ligante 2) presenta un menor porcentaje de
pérdida por calentamiento, tanto en el horno rotatorio de película delgada
(TFO), como en el horno rotatorio vertical de película delgada (RTFO). Esta
situación denota un menor contenido de volátiles en el ligante de mayor
consistencia.
Existe una diferencia considerable respecto al valor de la gravedad específica
que presentan ambos ligantes asfálticos. El ligante de menor consistencia
(ligante 1) es más pesado.
Tabla No. 1: Parámetros de pureza y seguridad.
Propiedades
Ligante asfáltico
Ligante 1
Ligante 2
255°C
276°C
Solubilidad en tricloroetileno
99.97 %
99.99 %
Pérdida de masa en RTFO
0.69 %
0.61 %
Pérdida de masa en TFO
0.55 %
0.42 %
1.037
1.021
Punto de chispa
Gravedad específica a 25°C
La Tabla No. 2 presenta los parámetros de consistencia (dureza) para ambos
ligantes asfálticos. El ligante de mayor viscosidad absoluta a 60°C en
condición original es más consistente, en todos los niveles de temperatura
evaluados, tanto en condición original como en condición envejecida.
3
Tabla No. 2: Parámetros de consistencia.
Propiedades
Ensayo
Ligante asfáltico
Condición
Ligante 1
Ligante 2
Penetración a 25°C
Original
80 1/10 mm
61 1/10 mm
Viscosidad absoluta a 60°C
Original
2411 Poise
3041 Poise
Viscosidad cinemática a 125°C
Original
844 cSt
1033 cSt
Viscosidad cinemática a 135°C
Original
488 cSt
578 cSt
Viscosidad cinemática a 145°C
Original
308 cSt
332 cSt
TFO
5952 Poise
7283 Poise
Viscosidad absoluta a 60°C
La Tabla No. 3 presenta los parámetros de susceptibilidad al envejecimiento y
susceptibilidad térmica. Ambos ligantes cumplen con los requisitos del
Reglamento Técnico sobre Cementos asfálticos NCR 248:1997, en tanto a que
el índice de susceptinbilidad térmica , VTS, se ubica entre 3.30 y 3.90, y la
razón de viscosidades por debajo de 3.0.
Ambos ligantes asfálticos presentan un comportamiento muy similar en cuanto
a susceptibilidad al envejecimiento y susceptibilidad térmica.
Tabla No. 3: Susceptibilidad al envejecimiento y susceptibilidad térmica.
Propiedades
Ligante asfáltico
Ligante 1
Ligante 2
Índice de susceptibilidad térmica VTS
3.37
3.41
Razón de viscosidades
2.47
2.39
La Tabla No. 4 presenta las temperaturas de mezclado y compactación para
ambos ligantes, determinadas con base en los criterios de equiviscosidad
(viscosidad cinemática de 150 a 190 cSt para el mezclado y de 250 a 310 cSt
para la compactación).
Como consecuencia de ser el ligante 2 más
consistente, las temperaturas de mezclado y compactación requeridas son
mayores.
4
Tabla No. 4: Temperaturas de mezclado y compactación.
Ligante
asfáltico
Temperatura de compactación
Temperatura de mezclado
Mínima (°C)
Máxima (°C)
Mínima (°C)
Máxima (°C)
Ligante 1
143
147
152
157
Ligante 2
145
149
155
160
3 PROPIEDADES REOLÓGICAS PARA LIGANTES ASFÁLTICOS.
Las Tablas No. 5, 6 y 7 presentan los resultados de análisis reológico para
ambos ligantes de interés, de acuerdo con la metodología de evaluación por
grado de desempeño SUPERPAVE.
La Tabla No. 5 presenta los valores de ángulo de fase medidos para diferentes
temperaturas y condiciones de envejecimiento para ambos ligantes.
Nota: el ángulo de fase se relaciona con la naturaleza visco-elástica de un
ligante, en el entendido de que un material elástico perfecto (sólido) presenta
un ángulo de fase de 0°, y un material plástico perfecto (fluido) presenta un
ángulo de fase de 90°.
A pesar de que el ligante asfáltico 1 es menos consistente (menos duro),
presenta ángulos de fase inferiores (más elástico) a temperaturas altas de
desempeño. Menores ángulos de fase se relacionan con una relativamente
mayor componente elástica del módulo de rigidez, con respecto a la
componente plástica.
A temperaturas intermedias de desempeño, en una condición de
envejecimiento avanzada (simulada por medio del dispositivo de
envejecimiento a presión PAV), el ligante asfáltico 1 presenta un mayor ángulo
de fase (mayor componente viscosa del módulo de rigidez en términos relativos
con respecto a la componente plástica).
5
Tabla No. 5: Angulo de fase determinado a partir de evaluación reológica.
Prueba de ensayo
Condición
Ligante asfáltico
Temperatura
Ligante 1
Ligante 2
Original
82°C
87.7°
87.9°
Original
70°C
86.3°
86.1°
Original
58°C
81.7°
82.7°
RTFO
82°C
84.2°
85.5°
RTFO
70°C
80.9°
82.3°
RTFO
58°C
75.8°
77.6°
PAV
28°C
52.3°
52.0°
PAV
22°C
48.0°
47.1°
PAV
16°C
44.5°
42.5°
La Tabla No. 6 presenta los parámetros de resistencia a la deformación plástica
medida a altas temperaturas de desempeño y con niveles no avanzados de
envejecimiento (condición crítica de susceptibilidad a la deformación plástica).
Considerando los resultados de la Tabla No. 6, el ligante asfáltico 1 tiene una
temperatura máxima de desempeño de 67.9°C, mientras que el ligante asfáltico
2 tiene una temperatura máxima de desempeño de 69.2°C. Por tanto, ambos
clasifican como ligantes PG 64 (xx). El ligante asfáltico 2, sin embargo,
evidencia un marginal beneficio relativo con respecto a la resistencia a la
deformación plástica (temperatura máxima de desempeño 1.3°C mayor).
En virtud de la variación anual de temperatura en Costa Rica, no se evalúa el
PG para la temperatura mínima (menor a O°C)
Notas:
(1) La nomenclatura PG yy (xx) se refiere a una temperatura máxima de
desempeño “yy” y una temperatura intermedia de desempeño “xx”.
(2) Se define como temperatura máxima de desempeño aquella para la cual
tanto la condición original como la condición envejecida en RTFO, del
ligante, determinan cumplimiento a los requisitos mínimos del módulo de
resistencia a la deformación plástica.
Por tanto, temperaturas de
desempeño y/o condiciones de carga que excedan la temperatura máxima
de desempeño determinan una alta susceptibilidad a la deformación plástica
por contribución del ligante asfáltico.
(3) Conviene tener en cuenta que la resistencia a la deformación plástica en
una mezcla de concreto asfáltico es mayoritariamente contribución de la
estructura granulométrica (forma y distribución de las partículas de
agregado), especialmente en los casos donde los ligantes no han sido
modificados con polímeros.
La temperatura máxima de desempeño
permite clasificar ligantes de acuerdo con su resistencia a la deformación
plástica, pero dicho aporte, cuando el ligante no es modificado con
6
polímeros, es poco significativo para la resistencia a la deformación plástica
de la capa asfáltica.
Tabla No. 6:
Parámetro de resistencia a la deformación plástica
determinado a partir de evaluación reológica.
Prueba de ensayo (G* / sen δ)
Condición
Ligante asfáltico
Temperatura
Ligante 1
Ligante 2
Original
82°C
0.227 kPa
0.248 kPa
Original
70°C
0.708 kPa
0.829 kPa
Original
58°C
3.054 kPa
4.045 kPa
RTFO
82°C
0.532 kPa
0.607 kPa
RTFO
70°C
1.883 kPa
2.221 kPa
RTFO
58°C
7.985 kPa
10.918 kPa
Nota: de acuerdo con la metodología SUPERPAVE, el criterio de aceptación
para ligantes, en cuanto al parámetro de resistencia a la deformación plástica,
es de un mínimo de 1.00 kPa en estado original, y un mínimo de 2.20 kPa en
estado envejecido en RTFO.
La Tabla No. 7 presenta los parámetros de tendencia al agrietamiento por
fatiga para ambos ligantes, considerando temperaturas medias de servicio y
una condición de envejecimiento avanzada (simulada a través del dispositivo
de envejecimiento a presión PAV).
Considerando los resultados de la Tabla No. 7, el ligante asfáltico 1 tiene una
temperatura intermedia de desempeño de 16.2°C, mientras que el ligante
asfáltico 2 tiene una temperatura intermedia de desempeño de18.0°C. De
acuerdo con los criterios estándar para clasificación, ambos ligantes
corresponden a un PG 64 (19)1. El ligante 1, sin embargo, presenta
marginalmente menor susceptibilidad al agrietamiento por fatiga (temperatura
intermedia de desempeño 1.8°C menor) de conformidad con este criterio de la
temperatura intermedia.
Notas:
(1) La temperatura intermedia de desempeño corresponde a la temperatura
mínima a la cual el ligante envejecido en PAV cumple con el requisito
máximo de tendencia al agrietamiento por fatiga. A temperaturas menores
a la temperatura intermedia de desempeño, el ligante asfáltico podría
experimentar susceptibilidad al agrietamiento por fatiga.
En tales
circunstancias la componente viscosa del módulo de rigidez es elevada, de
manera que el nivel de energía disipada con los ciclos repetidos de carga es
alto, y hay acumulación de microdeformaciones, que eventualmente
conlleva a la ruptura de fibra (agrietamiento).
1
PG 64 (19): se refiere a una temperatura intermedia de 19°C.
7
(2) Considérese que la susceptibilidad al agrietamiento por fatiga en una capa
de mezcla asfáltica depende no sólo del ligante asfáltico, sino que también
interviene el agregado, el paquete estructural completo (espesores y
módulos de rigidez) y el espesor de la capa asfáltica. La temperatura
intermedia de desempeño permite estimar únicamente la contribución
relativa del ligante asfáltico a dicho tipo de deterioro. Adicionalmente el
proceso de producción y de colocación de la mezcla también puede inducir
de forma significativa al agrietamiento por fatiga en la capa asfáltica,
(3) En investigaciones realizadas en Estados Unidos se ha encontrado que
existe correlación entre el parámetro de tendencia al agrietamiento por
fatiga y la tendencia al daño por humedad (agrietamiento y
desprendimientos por desnudamiento), en casos donde los ligantes no son
modificados.
Tabla No. 7:
Parámetro de tendencia al agrietamiento por fatiga
determinado a partir de evaluación reológica.
Prueba de ensayo (G* x sen δ)
Condición
Ligante asfáltico
Temperatura
Ligante 1
Ligante 2
PAV
28°C
1270 kPa
1612 kPa
PAV
22°C
2497 kPa
3131 kPa
PAV
16°C
5152 kPa
6367 kPa
Nota: de acuerdo con la metodología SUPERPAVE, el criterio de aceptación
para ligantes, en cuanto al parámetro de susceptibilidad al agrietamiento por
fatiga, es de un máximo de 5000 kPa, después de someter el asfalto al
envejecimiento por vapor (PAV).
4
PARÁMETROS MARSHALL PARA MEZCLA ASFÁLTICA .
4.1 Absorción
Para analizar el efecto de un cambio en la consistencia del ligante sobre los
parámetros Marshall, se fabricó mezcla asfáltica usando los ligantes 1 y 2, y
tres distintas fuentes de agregado, denominadas en este estudio A, B y C. Las
fuentes A y B provienen de la zona de Guápiles y la fuente C proviene de la
Región Central. Todas las fuentes son aplicadas regularmente en las obras de
pavimentación de nuestro país.
La mezcla fue sometida a un curado de 2 horas a 145°C inmediatamente
después de ser mezcladas, para luego compactarlas utilizando el mazo
Marshall.
La Tabla No. 8 presenta los resultados de absorción de asfalto para los
diferentes agregados patrón usados. Nótese como en dos de los casos el uso
de un tipo de ligante más consistente ha determinado una reducción en el
8
contenido de asfalto absorbido (A y C), mientras que en el otro caso, el uso de
un tipo de ligante más consistente se ha asociado con un incremento en el
contenido de asfalto absorbido (B). Hay evidencia, por tanto, de que la
composición química diferenciada de los ligantes (contenidos porcentuales de
saturados, asfaltenos, aromáticos y resinas) y la mineralogía del agregado son
factores más relevantes que la consistencia del ligante, en cuanto a la
absorción de asfalto.
Tabla No. 8: Comparación de porcentajes de absorción de asfalto.
Agregado patrón
Ligante asfáltico (*)
Ligante 1
Ligante 2
A
1.03
0.94
B
1.16
1.20
C
1.97
1.79
(*) Porcentaje de asfalto en términos porcentuales por peso total de mezcla.
En la Tabla No.9 se presentan los porcentajes de absorción de agua para cada
caso
Tabla No. 9: Comparación de porcentajes de absorción de agua.
Agregado
Absorción agua (%)
A
1.8
B
2.3
C
3.0
En la Tabla No.10 se presenta la relación de absorción de asfalto/ absorción de
agua para cada caso.
Tabla No. 10: Relación de absorción de asfalto/ absorción de agua en
porcentaje.
Agregado
Ligante asfáltico (*)
Ligante 1
Ligante 2
A
57
52
B
50
52
C (**)
66
60
(*) Se indica en términos porcentuales, el peso de asfalto absorbido por peso
de agregado, respecto al peso de agua absorbido por peso de agregado.
(**) Nótese la diferencia marcada entre la fuente C (Región Central) y las
restantes (Guápiles)
9
4.2 Comparación de parámetros volumétricos con diferentes contenidos
de asfalto y diferentes consistencias de ligante.
Se prepararon mezclas de concreto asfáltico considerando tres agregados (A,
B y C), usando tanto el ligante asfáltico 1 como el ligante asfáltico 2,
dosificados en los mismos porcentajes. La Tabla No. 11 presenta los
parámetros Marshall promedio, para las mezclas de concreto asfáltico
preparadas con los agregados A, B y C. La Tabla No. 12 presenta los
resultados de un análisis de variancia (ANOVA), desarrollado
independientemente para cada fuente, con el propósito de evaluar la
significancia estadística de cambios en los parámetros Marshall, en función de
cambios en la consistencia del ligante.
Con base en la Tabla No. 12 se comenta:
El cambio en el tipo de ligante determina un cambio significativo en el
parámetro de gravedad específica bruta (Gmb), y, por ende, en el contenido
de vacíos de aire (Va).
El cambio en el tipo de ligante determina cambios significativos para el
parámetro de flujo en el caso del agregado C, únicamente. De manera que
la evidencia es que el efecto del cambio de ligante en el parámetro flujo
depende de la fuente de agregado y no es posible generalizar.
El cambio en el tipo de ligante determina cambios significativos para el
parámetro de estabilidad en el caso del agregado B, únicamente. De
manera que la evidencia es que el efecto del cambio de ligante en el
parámetro estabilidad depende de la fuente de agregado y no es posible
generalizar que para todos los casos un cambio en el tipo de ligante
determinará un cambio en la estabilidad.
El cambio en contenido de asfalto no determina cambios significativos en
los parámetros de estabilidad y flujo Marshall, para ninguna de las fuentes
evaluadas. Considérese, sin embargo, que los contenidos de asfalto
evaluados oscilan dentro de un rango con amplitud de 1.0% (PTM)
10
Tabla No. 11: Comparación de parámetros Marshall (valores promedio).
Contenido de
asfalto (% PTM)
5.50
Agregado
patrón (*)
Ligante asfáltico
B
6.00
6.50
6.00
C
6.50
7.00
Parámetros Marshall
Gmb
Gmm
VA (%)
Estabilidad (kg)
Flujo (1/10 mm)
Ligante 1
Ligante 2
2.338
2.348
2.483
2.491
5.8
5.7
1506
1675
30
31
Ligante 1
Ligante 2
Ligante 1
Ligante 2
Ligante 1
Ligante 2
Ligante 1
Ligante 2
Ligante 1
Ligante 2
2.360
2.367
2.370
2.388
2.275
2.286
2.284
2.285
2.277
2.295
2.476
2.481
2.439
2.465
2.425
2.419
2.394
2.399
2.394
2.399
4.7
4.6
2.8
3.1
5.5
5.5
4.6
4.8
4.9
4.4
1500
1773
1438
1696
1318
1328
1344
1350
1294
1310
27
30
31
30
35
38
36
39
35
48
(*) Resultados para el agregado patrón A no disponibles.
Tabla No. 12: Evaluación de significancia estadística para cambios en parámetros Marshall (*)
Gmb
Estabilidad
Agregado
patrón
Consistencia Contenido Interacción Consistencia Contenido Interacción
Flujo
Consistencia
Contenido
Interacción
B
Sí (**)
Sí (**)
Sí (**)
Sí (**)
No
No
No
No
No
C
Sí
No
No
No
No
No
Sí
No
No
(*) Análisis de variancia llevado a cabo para cada fuente de agregado, con un nivel de confianza estadística del 90%
(**) Efectos significativos con un nivel de confianza estadística de más de 99 %.
11
4.3
Comparación de parámetros volumétricos con contenido óptimo de
asfalto, y diferentes agregados y consistencias del ligante.
Para comparar mezclas con volumetría semejante (fundamentalmente en
porcentaje de vacíos de aire), se fabricaron especímenes Marshall con los
porcentajes óptimos de asfalto (tales que las respectivas mezclas asfálticas
compactadas por el método Marshall presentan contenidos de vacíos de 4.0% a
5.0%), aplicando las tres fuentes de agregado (A, B y C) y los dos ligantes (1 y 2).
En la Tabla No. 13 se presentan los porcentajes óptimos de asfalto, por peso total
de mezcla, obtenidos a partir del diseño Marshall.
Tabla No. 13: Porcentajes óptimos de asfalto por peso total de mezcla.
Contenido óptimo de asfalto (%PTM)
Fuente
Ligante 1
Ligante 2
A
5.3
5.0
B
5.7
5.7
C
6.5
6.8
Nuevamente se observa como la mineralogía de la fuente y la composición
química del ligante tienen una mayor relevancia que la consistencia del ligante, ya
que usando el ligante 2 (de mayor consistencia) y la fuente de agregado A, el
porcentaje óptimo de asfalto disminuyó (respecto al caso con ligante 1); mientras
que al dosificar el ligante 2, pero empleando la fuente de agregado C, el
porcentaje óptimo de asfalto aumentó en comparación con el porcentaje obtenido
con el ligante 1.
En la Tabla No. 14 se presentan los promedios de los parámetros Marshall
obtenidos al evaluar especímenes Marshall para mezclas dosificadas con los
porcentajes óptimos de asfalto. En la Tabla No. 15 se presentan los resultados del
análisis de variancia (ANOVA) para los parámetros de estabilidad, flujo y gravedad
específica bruta considerando dos factores experimentales: la consistencia del
ligante y la fuente de agregado (la cual incluye la mineralogía, las propiedades
físico-mecánicas y la estructura granulométrica); además se consideró la
interacción entre ambos factores.
12
Tabla No. 14: Valores promedio de parámetros Marshall para condiciones similares de vacíos.
Fuente
A
B
C
% óptimo
de asfalto
5.6
5.3
6.1
6.1
7.0
7.3
Ligante
Gmb
Gmm
VA (%)
Estabilidad (kg)
Flujo (1/10 mm)
1
2
1
2
1
2
2.388
2.372
2.361
2.356
2.304
2.292
2.491
2.494
2.464
2.467
2.408
2.388
4.1
4.9
4.2
4.5
4.3
4.0
1965
2407
1445
1629
1243
1334
24
25
33
33
38
36
Tabla No. 15: Resultados de significancia del análisis de varianza para parámetros Marshall en mezclas de
similar volumetría
Parámetro
Estabilidad
Flujo
Gmb
Factor experimental (*)
Fuente
Consistencia
Interacción
Sí (**)
Sí (**)
Sí
Sí (**)
No
No
Sí (**)
No
No
(*) Nivel de confianza del 90%.
(**) Efectos significativos con un nivel de confianza estadística de más del 99%.
13
A partir de la Tabla No. 15 se determinó, para este estudio, lo siguiente:
El parámetro estabilidad se ve influenciado tanto por la fuente de agregado,
la consistencia del ligante y la interacción producida entre ambos factores.
Los parámetros de flujo y gravedad específica bruta (Gmb), sólo se ven
influenciados por la fuente de agregado; la consistencia y la interacción
entre estos factores no determinan cambios significativos en flujo y
gravedad específica bruta.
Según los resultados obtenidos del análisis estadístico, las propiedades de las
fuentes tienen una mayor relevancia que la consistencia del ligante (mayor
significancia). Nótese, por tanto, que al contrastar los resultados de los Apartados
4.2 y 4.3 se evidencia una mucho menor significancia del factor experimental
consistencia, con respecto al factor experimental fuente.
Cabe recalcar que cuando se considera la fuente, también se está considerando la
estructura granulométrica de la mezcla (en todos los casos se trabajó con mezclas
densas), ya que con cada fuente se aplicó una granulometría distinta (la propia de
la planta particular que aplica cada fuente específica en la producción en caliente
de mezcla asfáltica).
El hecho de que combinaciones específicas de consistencia y fuente determinen
cambios significativos en el parámetro de estabilidad Marshall evidencia la
dependencia específica de la fuente de agregado, con respecto al cambio en las
propiedades de la mezcla al aplicar uno u otro ligante.
5 DEFORMACIÓN PLÁSTICA SIMULADA CON ENSAYO DE PISTA A ESCALA DE
LABORATORIO.
Con el fin de evaluar la resistencia a la deformación plástica en mezclas
preparadas con combinaciones específicas de distintas fuentes de agregado (A, B
y C) y distintos ligantes (1 y 2), se moldearon especímenes cilíndricos de 15.0 cm
de diámetro, 7.5 cm de espesor y vacíos de 7.0±1.0 %, los cuales fueron
sometidos a cargas repetidas en la pista de ensayo a una temperatura de 60°C.
La carga fue aplicada por una rueda, que se desplaza hacia delante y hacia atrás,
sobre una manguera de hule con 100 psi de presión, la cual descansa sobre los
especímenes de prueba (figura 1). La profundidad de la rodera es medida
después de 8000 ciclos de carga. En las figuras 2 y 3 se muestran fotos del
equipo y de los especímenes cilíndricos.
Los resultados de la prueba se muestran en la Tabla No. 16.
14
Figura No. 1: Esquema del funcionamiento del APA
Figura No. 2: Especímenes cilíndricos
ensayados en el APA
Figura No. 3: Equipo APA
15
Tabla No. 16: Deformaciones promedio luego de 8000 ciclos de carga en pista de
ensayo de laboratorio.
Deformación (mm)
Fuente A
Fuente B
Fuente C
Ligante
Promedio
Desv. Est. Promedio
Desv. Est. Promedio
Desv. Est.
1
3.5
0.3
4.0
0.4
5.7
0.4
2
4.6
0.7
3.9
0.8
6.9
0.9
Por medio de un análisis de variancia (ANOVA), se evaluó la significancia de
diferencias en deformación plástica obtenidas. El análisis contempla dos factores
experimentales: la consistencia del ligante y la fuente del agregado (la cual incluye la
mineralogía, las propiedades físico-mecánicas y la estructura granulométrica), y,
además considera la interacción entre ambos factores. Los resultados del análisis se
muestran en la Tabla No. 17.
Tabla No. 17: Análisis de varianza para la deformación plástica.
Significancia del factor experimental (*)
Parámetro
Deformación
Consistencia
Fuente
Interacción
No
Sí (**)
No
(*) Nivel de confianza del 90%.
(**) Efecto significativo con un nivel de confianza estadística de más del 99%.
Según el análisis estadístico, para este estudio en particular, la fuente del agregado
(incluyéndose en este factor la mineralogía, las propiedades físico-mecánicas y la
estructura granulométrica) determina un cambio significativo en la deformación plástica.
No hay evidencia, al 90% de confianza, que la consistencia del ligante asfáltico o la
interacción entre la consistencia y la fuente de agregado se relacionen con cambios
significativos en este parámetro.
Dado que el factor fuente de agregado produce cambios significativos en la
deformación permanente, se hizo un análisis estadístico de contrastes, para determinar
si existe diferencia entre las deformaciones promedio obtenidas con las fuentes de
agregado provenientes de la zona de Guápiles (fuentes A y B) y las deformaciones
promedio obtenidas con la fuente de agregado proveniente de la Región Central (fuente
16
C). Al 90% de confianza hay evidencia significativa que las deformaciones promedio
obtenidas con los agregados provenientes de la zona de Guápiles son diferentes
(menores) a las deformaciones promedio obtenidas con los agregados provenientes de
la Región Central. Considérese, sin embargo, que dicha aseveración es específica
para las fuentes de agregado específicas de este estudio.
6 RESISTENCIA RETENIDA CON CONDICIONAMIENTO A 24 HORAS
Con el fin de evaluar la pérdida de resistencia al daño por inmersión, se realizaron
ensayos de falla por tensión diametral y compresión uniaxial, usando los porcentajes
óptimos de asfalto, tres fuentes de agregado (A, B y C), y los ligantes 1 y 2. Los
valores promedio obtenidos para cada caso se presentan en la Tabla No. 18.
Según se observa en la Tabla No. 18, tanto la resistencia condicionada como la no
condicionada presentan valores levemente mayores cuando se usa el ligante 2 (mayor
viscosidad). Esta situación se repite tanto para el caso de falla por tensión diametral
como para el caso de falla por compresión uniaxial.
En el caso de la resistencia retenida (%) a la tensión diametral, se observa un aumento
significativo cuando se usa el ligante 2 (mayor viscosidad). Para la resistencia retenida
a la compresión uniaxial (%), la situación es diferente, no presentándose una diferencia
significativa para ambos ligantes.
Los ensayos de tensión diametral y compresión uniaxial evalúan propiedades distintas
en la mezcla asfáltica. En el ensayo de tensión diametral la resistencia del mastique
asfáltico es de mayor consideración, mientras que en el ensayo de compresión uniaxial
el aporte a la resistencia de la estructura granulométrica es de mayor peso relativo. Es
por esta razón, que en la Tabla No.19 se observa una diferencia en los resultados del
análisis de varianza, en cuanto a la significancia de la consistencia del ligante en el
porcentaje de resistencia retenida.
Para analizar el efecto de la consistencia del ligante y la fuente del agregado (incluida
la mineralogía, las propiedades físico-mecánicas y la estructura granulométrica), se
aplicó un análisis de variancia (ANOVA) con dos factores experimentales: consistencia
del ligante y fuente, además de la interacción entre ambos. Los resultados de dicho
análisis se presentan en la Tabla No. 19.
De este análisis se concluye que,
al 90% de confianza, los dos factores
experimentales considerados (consistencia del ligante y fuente), producen cambios
significativos en la resistencia en estado seco y en la resistencia condicionada, tanto
para la falla por tensión diametral como para la falla por compresión uniaxial.
Dado que el factor fuente de agregado produce cambios significativos en la resistencia
en estado seco y condicionado, se hicieron análisis estadísticos de contrastes, para
determinar si existe diferencia entre las resistencias promedio obtenidas con las
17
fuentes de agregado provenientes de la zona de Guápiles y las resistencias promedio
obtenidas con la fuente de agregado proveniente de la Región Central. Estos análisis
se hicieron tanto para las resistencias en estado seco como para las condicionadas.
Así, al 90% de confianza hay evidencia estadística que las resistencias promedio
obtenidas con los agregados provenientes de la zona de Guápiles son diferentes
(mayores) a las resistencias promedio obtenidas con los agregados provenientes de la
Región Central.
En cuanto al porcentaje de resistencia retenida, la fuente produce cambios
significativos en ambos casos (tensión diametral y compresión uniaxial).
En síntesis, hay evidencia de un incremento en resistencia, tanto a la compresión
uniaxial como a la tensión diametral al aplicar el ligante 2. Adicionalmente, hay un
incremento en el porcentaje de resistencia retenida a la tensión diametral al aplicar el
ligante 2. La magnitud de dichos cambios en resistencia (estado seco y condicionado)
es función específica de la combinación fuente de agregado y consistencia del ligante.
18
Tabla No. 18: Resultados promedio de ensayos de pérdida de resistencia por inmersión.
Fuente A
Unidad Ligante 1 Ligante2
Tensión diametral
Carga resistida en condición seca
kPa
1228
1288
Carga resistida en estado condicionado (*)
kPa
976
1093
Resistencia retenida
%
79
85
Compresión uniaxial
Carga resistida en condición seca
kPa
3700
5400
Carga resistida en estado condicionado (*)
kPa
2700
3600
Resistencia retenida
%
72
66
Parámetro
Fuente B
Fuente C
Ligante 1 Ligante 2
Ligante1
Ligante 2
735
622
85
817
757
93
737
636
86
977
886
91
2700
2500
92
3300
3100
93
2710
2390
88
2310
2750
86
(*) Inmesión en agua a 60°C por 24 horas.
Tabla No. 19: Resultados del análisis de variancia (ANOVA) para la pérdida de resistencia por inmersión (*).
Tensión diametral
Parámetro
Compresión uniaxial
Consistencia
Fuente
Interacción
Consistencia
Fuente
Interacción
Resistencia no condicionada
Sí (**)
Sí (**)
Sí
Sí (**)
Sí (**)
Sí (**)
Resistencia condicionada
Sí (**)
Sí (**)
Sí
Sí (**)
Sí (**)
No
Sí
Sí
No
No
Sí (**)
No
Resistencia retenida
(*) Se indica si cada factor es significativo al 90% de confianza.
(**) Efecto significativo con un nivel de confianza estadística de más del 99%.
19
7 CONCLUSIONES
7.1 Ligante asfáltico
Las siguientes conclusiones aplican para el rango de viscosidades analizado. La
investigación realizada no aporta elementos para extrapolar a otros rangos de
consistencia del asfalto, ni a crudos de distinto origen.
En cuanto a propiedades físico – químicas y reológicas de los dos ligantes evaluados,
es posible concluir:
Ambos ligantes evaluados presentan similares condiciones de seguridad y
pureza, de acuerdo con los parámetros determinados. A pesar de que se ha
encontrado que el ligante de mayor consistencia (AC-30) presenta un menor
contenido de volátiles (ensayos en TFO y RTFO), dicha diferencia en contenido
de volátiles no determina una diferencia de consideración con respecto a la
susceptibilidad térmica (grado relativo con que la consistencia se incrementa en
un proceso de pérdida de volátiles y oxidación).
Se han encontrado similares condiciones en cuanto a susceptibilidad térmica y
susceptibilidad al envejecimiento, para ambos ligantes.
Mayores temperaturas de mezclado y compactación para el ligante de mayor
consistencia (AC-30). La compactación de campo requeriría de los ajustes
correspondientes de energía y de temperatura de compactación, con respecto al
uso de un ligante con un menor grado de consistencia. Igualmente, aplicarían
ajustes a la temperatura de procesamiento en planta.
Similares condiciones reológicas. Ambos ligantes clasifican como PG 64 (19)2,
de acuerdo con la metodología de grado de desempeño. El ligante de mayor
consistencia (AC-30) presenta un beneficio marginal (1.3°C) en cuanto a
resistencia a la deformación plástica, pero un decremento marginal (1.8°C) en
cuanto a la susceptibilidad al agrietamiento por fatiga. En términos reales,
dichas diferencias son poco significativas, considerando, adicionalmente, que
ninguno de los ligantes es modificado (los beneficios de la modificación con
polímeros van más haya de cambios en el grado de desempeño), y que existen
muchos otros factores relevantes al evaluar el desempeño de la mezcla asfáltica
por deformación plástica y agrietamiento por fatiga.
La composición química del asfalto y la mineralogía del agregado inducen
cambios en las propiedades de las mezclas, independientemente de la
consistencia del ligante.
2
Se refiere a la temperatura intermedia.
20
7.2 Mezcla asfáltica
En cuanto a parámetros Marshall en mezclas de concreto asfáltico y los dos ligantes
evaluados, es posible concluir, para la dosificación óptima de asfalto:
El cambio en el contenido de asfalto absorbido evidencia tener más relación con
cambios en composición química del ligante y mineralogía del agregado, que
con respecto a un cambio en la consistencia del ligante. No es factible prever
qué tipo de ligante asfáltico determinará mayores o menores absorciones, para
la generalidad de los casos.
Hay evidencia significativa de que la fuente de agregado (incluyéndose aquí la
mineralogía, las propiedades físico-mecánicas y la estructura granulométrica)
determina cambios significativos en los parámetros de estabilidad, flujo y
gravedad específica bruta.
Hay evidencia significativa que un cambio en la consistencia del ligante produce
cambios significativos en la estabilidad Marshall.
En cuanto a la deformación plástica en mezclas de concreto asfáltico preparadas
usando agregado patrón y los dos ligantes evaluados, es posible concluir:
Hay evidencia estadística al 90% de confianza, que un cambio en la fuente de
agregado (incluida aquí la mineralogía, las propiedades físico-mecánicas y la
estructura granulométrica) provoca cambios significativos en la deformación
plástica (luego de 8000 ciclos de carga); no así el cambio en la consistencia del
ligante.
Hay evidencia estadística que las deformaciones promedio obtenidas con los
agregados provenientes de la zona de Guápiles (dos fuentes) son menores a
las deformaciones promedio obtenidas con el agregado proveniente de la
Región Central (una fuente específica). Conclusión no aplicable a la generalidad
de fuentes, únicamente a las de este estudio.
En cuanto a la resistencia al daño por humedad en mezclas de concreto asfáltico
preparadas usado agregado patrón y los dos ligantes evaluados, es posible concluir:
Un cambio en la consistencia del ligante y en la fuente de agregado (incluida
aquí la mineralogía, propiedades físico-mecánicas y la estructura
granulométrica) induce un cambio significativo en la resistencia en estado seco
y en la resistencia condicionada (24 horas), tanto para el ensayo de tensión
diametral como para el ensayo de compresión uniaxial. La magnitud de dicho
cambio depende de la combinación específica fuente-ligante.
Hay evidencia estadística que la fuente de agregado (incluida aquí la
mineralogía, las propiedades físico-mecánicas y la estructura granulométrica)
determina cambios significativos en el porcentaje de resistencia retenida a la
tensión diametral y a la compresión uniaxial.
21
Hay evidencia estadística que las medias de las resistencias secas y
condicionadas obtenidas con las agregados provenientes de la zona de Guápiles
(dos fuentes específicas) son distintas a las obtenidas con los agregados
provenientes de la Región Central (una fuente específica).
7.3 Resumen de resultados
Dentro del ámbito de la investigación realizada se comenta:
No existe un beneficio o perjuicio generalizable en aplicar el ligante 1 (menor
consistencia) o el ligante 2 (mayor consistencia) en cuanto a volumetría Marshall
y flujo Marshall. Existe, sin embargo, un incremento en estabilidad Marshall al
utilizar el ligante 2, aunque la magnitud de dicho incremento es, a su vez,
específica de la fuente de agregado.
No existe un beneficio o perjuicio generalizable en aplicar el ligante 1 o el ligante
2 en cuanto a resistencia a la deformación plástica; lo anterior al evaluar el flujo
Marshall y la deformación plástica en la pista de ensayo de laboratorio.
Existe un incremento en resistencia a la falla por tensión diametral y compresión
uniaxial, tanto en estado seco como condicionado, asociado con el uso del
ligante 2 (más viscoso). La mineralogía del agregado y la composición química
del asfalto son factores importantes en relación con la susceptibilidad al efecto
del agua en la mezcla asfáltica.
En cuanto a influencia sobre las propiedades de la mezcla asfáltica, se ha
encontrado que es mucho más significativo un cambio en la fuente de agregado
(mineralogía, granulometría, etc), que un cambio en la consistencia del ligante
(contrastando los ligantes 1 y 2 de este estudio).
7.4
Comentarios finales
1. Las temperaturas de mezclado mayores, asociadas al AC-30, requieren ajustes
operativos de planta.
2. Las temperaturas de compactación mayores, asociadas al AC-30, requieren de
cuidados adicionales en la colocación y compacatción. El nivel y la uniformidad
de densificación de capas asfálticas se considera crítico para un adecuado
desempeño de la mezcla a largo plazo.
Indice general
Materia
Pagina
1
INTRODUCCIÓN....................................................................................... 1
2
EVALUACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICO – QUÍMICAS PARA LIGANTES
ASFÁLTICOS. .......................................................................................... 2
3
PROPIEDADES REOLÓGICAS PARA LIGANTES ASFÁLTICOS. .......................... 4
4
PARÁMETROS MARSHALL PARA MEZCLA ASFÁLTICA . ................................. 7
4.1 Absorción......................................................................................... 7
4.2 Comparación de parámetros volumétricos con diferentes
contenidos de asfalto y diferentes consistencias de ligante. ........... 9
4.3 Comparación de parámetros volumétricos con contenido
óptimo de asfalto, y diferentes agregados y consistencias del
ligante. ........................................................................................... 11
5
DEFORMACIÓN
6
RESISTENCIA RETENIDA CON CONDICIONAMIENTO A 24 HORAS ................. 16
7
CONCLUSIONES.................................................................................... 19
PLÁSTICA SIMULADA CON ENSAYO DE PISTA A ESCALA
DE LABORATORIO.................................................................................. 13
7.1 Ligante asfáltico ............................................................................. 19
7.2 Mezcla asfáltica ............................................................................. 20
7.3 Resumen de resultados ................................................................. 21
7.4 Comentarios finales ....................................................................... 21
Indice de tablas
Tabla
Página
Tabla No. 1: Parámetros de pureza y seguridad. ........................................ 2
Tabla No. 2: Parámetros de consistencia..................................................... 3
Tabla No. 3: Susceptibilidad al envejecimiento y
susceptibilidad térmica. ............................................................. 3
Tabla No. 4: Temperaturas de mezclado y compactación. ........................... 4
Tabla No. 5: Angulo de fase determinado a partir de evaluación
reológica. .................................................................................. 5
Tabla No. 6: Parámetro de resistencia a la deformación plástica
determinado a partir de evaluación reológica............................ 6
Tabla No. 7: Parámetro de tendencia al agrietamiento por fatiga
determinado a partir de evaluación reológica............................ 7
Tabla No. 8: Comparación de porcentajes de absorción de asfalto. ............. 8
Tabla No. 9: Comparación de porcentajes de absorción de agua. ................ 8
Tabla No. 10: Relación de absorción Asfalto/Agua en porcentaje. ................ 8
Tabla No. 11: Comparación de parámetros Marshall (valores
promedio). ............................................................................. 10
Tabla No. 12: Evaluación de significancia estadística para cambios
en parámetros Marshall ....................................................... 10
Tabla No. 13: Porcentajes óptimos de asfalto por peso total de
mezcla. .................................................................................... 11
Tabla No. 14: Valores promedio de parámetros Marshall para
condiciones similares de vacíos. ........................................... 12
Tabla No. 15: Resultados de significancia del análisis de varianza
para parámetros Marshall en mezclas de similar
volumetría ............................................................................. 12
Tabla No. 16: Deformaciones promedio luego de 8000 ciclos de
carga en pista de ensayo de laboratorio. .............................. 15
Tabla No. 17: Análisis de varianza para la deformación plástica. ............... 15
Tabla No. 18: Resultados promedio de ensayos de pérdida de
resistencia por inmersión. ..................................................... 18
Tabla No. 19: Resultados del análisis de variancia (ANOVA) para la
pérdida de resistencia por inmersión. ................................... 18
ANEXO
NORMAS DE ENSAYO UTILIZADAS
Normas utilizadas para los ensayos de ligantes
Código Interno3
Nombre del ensayo
Referencia
IT-LA-01
Procedimiento para la determinación de
penetración a 25°C para ligantes
asfálticos
Procedimiento para la determinación de
viscosidad absoluta de ligantes
asfálticos a 60°C
Procedimiento para la determinación de
viscosidad cinemática de ligantes
asfálticos
Procedimiento para la determinación del
efecto de calentamiento y ventilación en
ligantes asfálticos
Punto de Inflamación
AASHTO T-49-97
ASTM D-5
IT-LA-02
IT-LA-03
IT-LA-04
N.A
N.A
3
AASHTO T-202
ASTM D-2171
AASHTO T-201
ASTM D-2170
AASHTO T-179
ASTM D-1754
AASHTO T-48
ASTM D-92
Método para determinar las propiedades AASHTO TP-5
reológicas de los ligantes asfálticos
usando el reómetro dinámico de corte
De acuerdo a la norma INTE IISO/IEC 1725:2000
Normas utilizadas para los ensayos de mezcla asfáltica
Código Interno4
Nombre del ensayo
Referencia
IT-MB-01
Procedimiento para la determinación de
la gravedad específica bruta para
pastillas Marshall
IT-MB-02
AASHTO T-166-93
ASTM D-2726-96a
ASTM D –3549-93a
AASHTO T-209-94
ASTM D-2041-95
N.A
Procedimiento para la determinación de
la gravedad específica máxima teórica
para pastillas Marshall
Procedimiento para la determinación de AASHTO T-245-97
la resistencia al flujo plástico de pastillas ASTM D-1559-76
Marshall
Compresión Uniaxial (oh)
AASHTO T-167
N.A
Compresión Uniaxial retenida (24h)
AASHTO T-165
N.A
Tensión diametral retenida
AASHTO T-283
N.A
Método estándar para determinar la
susceptibilidad a la deformación
permanente usando el Asphalt
Pavement Analyzer
Guía del usuario
del Asphalt
Pavement Analyzer
IT-MB-03
4
De acuerdo a la norma INTE IISO/IEC 1725:2000