Pav Asfalticos en Zonas de Altura

MAESTRIA EN CIENCIAS CON MENCION EN INGENIERIA DE TRANSPORTES FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

10ma y 11va Sesin:

Pavimentos Asflticos en zonas de AlturaIng. M.Sc. J.Rafael Menndez A.

Sylabo 1. a).Conceptos generales a).Conceptos b).Tipos de pavimentos b).Tipos c). Evolucin de los mtodos de diseo a).Modelos matemticos e idealizacin del comportamiento a).Modelos b).Aplicacin en el anlisis de pavimentos b).Aplicacin c). Programas de cmputo

INTRODUCCIN

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REVISIN DEL METODO MECANISTICO CALIBRADO

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MATERIALES Y ENSAYOSa).Ensayos Especiales a).Ensayos b).Estabilizacin b).Estabilizacin c). Geosintticos d).Asfaltos modificados d).Asfaltos

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PAVIMENTOS ESPECIALESa). Pavimentos de altura b) Cargas extraordinarias d).Pavimentos reciclados d).Pavimentos d).Pavimentos segmentados

Pavimentos EspecialesEspecialesMaestra UNI

Ing. J. Rafael Menndez A. 07/2005

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Procedimiento de anlisis



Modelo de Agrietamiento Trmico (Shahin y McCullough,1972)Datos de Clima- Gradiente Trmico

Propiedades del Asfalto-Punto de Ablandamiento f(tiempo) -Indice de Penetracin f(tiempo)

Caractersticas de la Mezcla-% Volumen de asfalto -% Volumen de agregados -% Vacos en la carpeta -t: Coeficiente de contraccin trmica

Rgimen Trmico de la Carpeta- Relacin de Transferencia de calor.

Smi

Rigidez (Sm)i Temperatura

Resistencia (H)

Temperatura

Esfuerzo Trmico (t,T)(T) = tSm(t,T)T

Acumulacin de DaoNf=f1(t)-f2(Sm)-f3 t=H/Sm

Prediccin de Agrietamiento por baja Temperatura (a)Prob.[falla]=Prob.[(t,T)- H >0]

Prediccin de Agrietamiento por Fatiga Trmica (b)-Proporcin Dao/Acum. C=(1/Ni) -Prob.[falla]=Prob.[logC > 0]

Proporcin de Dao = (a+b)

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Esfuerzos por temperatura



Marco TericoS(t,T) = /Tf

(Rigidez)

Carga Temperatura del aire CTensin trmica Tensin por carga

(T) = S(t,T).T (Hills y Brien) (T S(t,T).To

Nf = 1(t)-2(Es)-3 (Miner) T(mx)Enfriamiento Gradiente trmico Esfuerzo inducido por el gradiente trmico. S T(mx) resistencia, ocurre la grieta

Carpeta asfltica Base granular Subrasante

Compresin

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Introduccin

El asfalto como material aglomerante con su capacidadde adhesin, estabilidad propiedades reolgicas y bajos costos, pero su evolucin en servicio son difciles de prever

Situacin de la investigacin y la generacin deinformacin confiable para el entendimiento de la influencia de la temperatura en zonas de altura.

Introduccin

Primera experiencia Nacional en la construccin de

pavimentos de altura (dcada de los 80). 200 Km. en la Carretera Central.

Incorporacin de nuevos tramos considerados de altura(dcada de los 90). 2000 Km., porcin importante de la red vial Nacional.

El diseo de pavimentos y la capacidad de respuesta

para un perodo de anlisis. Respuesta capaz de absorber esfuerzos y deformaciones generadas por cargas de trfico y origen trmico.

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Temperatura de falla



Esfuerzos crticos



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Patrn de fallas



Agrietamiento transversal parcial

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Agrietamiento transversal a medio carril

Agrietamiento transversal mltiple

8

Agrietamiento en bloque

Fisuras por baja temperatura



9

Ahuellamiento y rotura por baja temperatura



Balance de energa en una superficie asfltica



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Temperatura en la mezcla asfltica

Difusividad trmica de HMA =0.121 m2/diaPavimentos EspecialesEspecialesMaestra UNI Ing. J. Rafael Menndez A. 07/2005

Temperatura en la mezcla asfltica



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Variacin del modulo de elasticidad del HMA con la temperatura



Gradiente trmico con la profundidad



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Resistencia a la tensin de la mezcla asfltica



Esfuerzo de rotura funcin de la rigidez de la mezcla



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Enfoque del Problema Consideraciones de medio ambiente adoptados por los mtodos de diseo.

Instituto del Asfalto, MS 1/91 Efecto Tmedia anual de helada representativa Si < 7C Posible 15.5C No >24C

Gua AASHTO 9 - 3La consecuencia de los factores ambientales se traducen trminos de prdida de serviciabilidad

OkhotskTemperatura CTemperatura C

Cusco

Meses

Meses

Mtodos de clculo de los esfuerzos por baja temperatura y fatiga trmica



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Mtodos1. Mtodos basados en la dureza del asfalto 2. Mtodos basados en la dureza de la mezcla



Mtodos basados en la dureza del asfalto

Mdulo de rigidez (stiffness ) mximo delasfalto



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Mtodos basados en la dureza del asfaltoCalculo del esfuerzo trmico presente en la fase asfalto de la mezcla presente durante su enfriamiento






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Determinacin de la

temperatura de rotura en base a la penetraciones a 25 y 5C



Mtodos basados en la dureza de la mezcla asfltica

Mdulo de rigidez

mximo para el asfalto y rigidez de la mezcla



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Mtodos basados en la dureza de la mezcla asfltica

Esfuerzo trmico en lamezcla durante el enfriamiento



Evaluacin de pavimentos en zonas de altura en el Per



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Enfoque del Problema Pavimento de altura Referencia altimtrica 3,500 msnm. Control de especificaciones. . Control y procesos constructivos. . Se relacion mdulos de subrasante con grietas. . Los cambios de temperatura causaban cambios en la rigidez de las capas asflticas(IP). . Grietas si IP> 0.9; rigideces (ECPD) > 4000 Kg/cm2 y < agrietamiento a rigideces (ECPD)>3000 Kg/cm2.

Garca, Herrera y Greenstein MTC Carretera Central: San Mateo - La Oroya - Cerro de Pasco (81 - 83)

Enfoque del Problema. 86- 88, Morococha- La Oroya . 91- 92, San MateoMorococha . 95- 96, Morococha- La Oroya . 97, La Oroya- Huayre . 98- 99, La OroyaHuayre . 95- 97, Huayre- Chicrin

MTC-Carretera Central

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Desarrollo de la Investigacin Calibracin del ModeloProporcin de dao medido en campoTramo Evaluado San Mateo - Morococha Morococha - La Oroya Huayre- Chicrin Proporcin de Dao 0.10180 0.02930 0.00096 Ao de Servicio 08 04 03

Factores de calibracin en el modeloTramo Evaluado San Mateo - Morococha Morococha - La Oroya Huayre- Chicrin Criterio Shell - 01 13.021 18,535 15,762 Criterio Shell - 02 32.8 26.9 31.4 Criterio Inst. Asfalto 107.0 112.0 98.9

Evaluacin de ResultadosAgrietamiento por baja temperatura

Resistencia a la tensin

Esfuerzo-Ao 01E s f u e r z o s K g /c m 2 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 -6 -4 -2

Resistencia-Ao 01

Esfuerzos kg/cm2

EsfuerzoTrmico

Carretera de prueba de Santa Ana Mezcla LVA 150/200 Razn de enfriamiento 10C/hr. Temp. de predicc. de fractura 35C

Temperatura C

0 2 4 6 Temperatura C

8

10 12

14

Mecanismo de falla por baja Temperatura(McLeod 1970)

Tramo: San Mateo - Morococha; desarrollo de Esfuerzos / Resistencia, mximo gradiente trmico = 17.6 C

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Evaluacin de ResultadosAgrietamiento por baja temperaturaE s f u e r z o s K g /c m 2E s fu e rz o s K g /c m 2

Esfuerzo-Ao 01

Resistencia-Ao 01

Esfuerzo-Ao 01 100 10 1 0.1 0.01 0.001

Resistencia-Ao 01

100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0.0001 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Temperatura C

Temperatura C

Tramo: Morococha - La Oroya; desarrollo de Esfuerzos / Resistencia Mximo gradiente trmico = 28.5C

Tramo: Huayre - Chicrin; desarrollo de Esfuerzos / Resistencia Mximo gradiente trmico = 20.9C

Evaluacin de ResultadosAgrietamiento por baja temperaturaEsfuerzo Es fuerzos Kg/c m210 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

ResistenciaEsfuerzos Kg/cm2

Esfuerzo16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6

Resistencia

8

10

12

14

Tiempo en aos

Tiempo en aos

Tramo: San Mateo - MorocochaEsfuerzo14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8

Tramo: Morococha - La OroyaResistencia

Esfuerzos Kg/cm2

10

12

14

Tiempo en aos

Tramo: Huayre - Chicrin

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Evaluacin de ResultadosAgrietamiento por baja temperaturaResistencia ala o esfuerzo, psiArea considerada para bajas temperaturas Area considerada para fatiga trmica Sector sin esfuerzos trmicos

A 70F generalmente se inicia la acumulacin de dao trmicamente inducido 20F

Temperatura F

Temperaturas asociadas a los tipos de agrietamiento trmico (Carpenter,1983)Estacin Marcapomacocha La Oroya Cerro de Pasco Promedio anual (C) Mnima -1.5 -0.3 -1.4 Promedio mes ms fro (C) Mxima Mnima 12.0 -4.5 20.4 -4.8 13.1 -4.4 Mxima y mnima observados (C) Mxima Mnima 12.9 -4.7 21.5 -7.1 14.3 -6.6

Mxima 11.6 20.4 12.3

Mximas y mnimas temperaturas representativas, procesadas a partir de datos proporcionados por el SENAMHI

Evaluacin de ResultadosAgrietamiento por fatiga trmicaSan Mateo-Morococha Morococha-La Oroy a Huay re-ChicrinSan Mateo-Morococha Morococha-La Oroy a Huay re-Chicrin

0.25Probabilidad de Falla0 2 4 6 8 10 12 14

0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14

Probabilidad de Falla

0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 Tiempo en Aos

Tiempo en Aos

Pronstico de agrietamiento por fatiga, criterio de esfuerzos constantes Shell 01San Mateo-Morococha

Pronstico de agrietamiento por fatiga, criterio de deformaciones constantes Shell 02Morococha-La Oroy a Huay re-Chicrin

0.50

Probabilidad de Falla

0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0 2 4

Tiempo en Aos

6

8

10

12

14

Pronstico de agrietamiento por fatiga, criterio de esfuerzos constantes Inst. Asfalto

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Validacin de HiptesisPrimera HiptesisPrediccin a partir de modelos mecansticos, considerando niveles de gradiente trmico y propiedades de los asfaltos y caractersticas de las mezclas. mezclas.Ao San MateoMorococha MorocochaLa Oroya Huayre - Chicrin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0.0000 0.0000 0.0011 0.0080 0.0239 0.0475 0.0749 0.1020 0.1271 0.1515 0.1711 0.1894 0.0000 0.0003 0.0073 0.0294 0.0582 0.0869 0.1131 0.1357 0.1562 0.1736 0.1894 0.2033 0.0000 0.0000 0.0010 0.0080 0.0250 0.0485 0.0735 0.0985 0.1210 0.1401 0.1587 0.1736

Probabilidad de ocurrencia de agrietamiento por fatiga trmica

Validacin de HiptesisSegunda HiptesisUso de la Gua AASHTO, basado en el concepto de Serviciabilidad PSITOTAL = PSITRAFICO + PSIMEDIO AMBIENTE PSIAGRIETAMIENTO POR FATIGA = PAFT x PSITOTAL

TRMICA

PSIAFT

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ConclusionesSe ratifica que la variable ms influyente es el gradiente trmico, se considera tambin como importantes, el proporcionamiento de las mezclas bituminosas y propiedades del asfalto. El modelo implementado representa el comportamiento del pavimento ante la accin del gradiente trmico en un determinado perodo de tiempo, expresado como Proporcin de Dao. Los resultados, han sido contrastados con mediciones reales de campo.

ConclusionesDe acuerdo con el modelo ensayado, el mecanismo de agrietamiento por baja temperatura tiene poca probabilidad de ocurrencia. Por lo tanto el mecanismo de agrietamiento por fatiga trmica se considera como el responsable ms importante en el deterioro de los pavimentos construidos en zonas de altura. El criterio de falla que se ajusta en forma ms adecuada a efectos de pronosticar el ciclo de vida de pavimentos asflticos sometidos a problemas de fatiga trmica, es el desarrollado por Shell (Bonnaure et. al., 1980), para pruebas de esfuerzos constantes.

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ConclusionesDe acuerdo con la teora estadstica, las Proporciones de Dao encontrados en los tramos de estudio expresan la probabilidad que la falla ocurra en un perodo dado, para lo tanto si la distribucin de la poblacin es de tipo normal, la Proporcin de Dao puede considerarse como una probabilidad de deterioro por efecto trmico en el rendimiento de una carpeta asfltica. Si los resultados del modelo de deterioro expresan la probabilidad que se desarrolle agrietamiento por fatiga trmica sobre una superficie de concreto asfltico, la prdida de Serviciabilidad deseada al final del perodo de anlisis de acuerdo a la filosofa de diseo AASHTO, quedar afectada por la proporcin de dao estimada por el modelo.

Conclusiones. Finalmente se debe aclarar que la presente investigacin solo ha desarrollado un acercamiento al efecto de deterioro por efecto trmico, el cual puede ser complementado mediante el uso de modelos de anlisis multicapa e introducir el efecto de cargas de trfico; este sumado al anlisis de deterioro estudiado en el presente trabajo, permitir una aproximacin completa del comportamiento de nuestros pavimentos.

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RecomendacionesSe recomienda, como una alternativa que contempla los efectos de altura en nuestro medio, el proceso de diseo de la Gua AASTHO-93, considerando la incorporacin del efecto de deterioro por fatiga trmica, en trminos de Prdida de Serviciabilidad. El modelo recomendado para este fin, es el propuesto por la Universidad de Texas(Shahin y McCullough, 1972). Para el efecto el modelo se apoya en clculos y estimaciones Tericas - Experimentales. La investigacin desarrollada toma informacin climtica, composicin de mezcla y propiedades de asfaltos usados en la fase constructiva y puesta en servicio. Ello ha conllevado suponer un tipo de comportamiento especialmente del asfalto, sin embargo es recomendable a efectos de lograr un mayor acercamiento sobre la influencia de la temperatura, evaluaciones peridicas a fin de posibilitar mayores puntos de calibracin.

Asfalto + polmero



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Analisis de mezcla asfltica con polmero para el aeropuerto de Juliaca



Asfalto + polmero



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Asfalto + polmero



Segregacin trmica



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Influencia de la segregacin trmica



Segregacin trmica



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Segregacin Trmica



Segregacin Trmica



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Segregacin Trmica



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Documents

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