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Estudio del comportamiento del módulo y fatiga para
mezclas asfálticas de granulometría densa y su desempeño en los métodos de diseño de estructuras de pavimento
Presenta: M. I. Omar Adame Hernández
Dr. Jorge Alarcón Ibarra (Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo)
Dr. Pedro Limón Covarrubias (Lasfalto)
Ing. Israel Sandoval Navarro (Lasfalto)
Ing. Ignacio Cremades Ibáñez (Surfax)
Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)
• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla
• Valores de módulo dinámico y resiliente
• Leyes de fatiga
• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.
• Conclusiones
Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)
• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla
• Valores de módulo dinámico y resiliente
• Leyes de fatiga
• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.
• Conclusiones
Tipos de asfaltos empleados
AC-20 (asfalto convencional) procedente de la Refinería de Salamanca (PG
64-16).
AC-20 Salamanca (AC-20 S)
endurecido con ácido polifosfórico
(PG- 76-16).
AC-20 Salamanca (AC-20 S) + Polímero
RET + ácido polifosfórico como catalizador (PG-76-
16).
Determinación del grado PG Prueba AC- 20 S AC-20 + ácido
polifosfórico
AC-20+ Polímero RET
+ ácido polifosfórico
Punto de Inflamación Cleveland °C >260 297 384
Viscosidad rotacional a 135° C SC4-27 12 rpm (cP) 462 903 1900
Análisis al asfalto original
Módulo Reológico de corte dinámico a 76°C [G*/sen δ]
(KPa)
1,513 (64° C) 1,302 1,619
Ángulo de fase (δ) a 76 °C (°) 84,23 (64° C) 78,50 63,76
Análisis del residuo de la prueba de la película delgada RTFO ASTM D 2872
Pérdida de masa por calentamiento a 163 °C (%) 1.67 1.57 0.94
Módulo reológico de corte dinámico [G*/senδ] (KPa) 8.667 ( a 64°C) 5.075 4.641
Ángulo de fase (δ) a 76°C (°) 76.91 68.79 58.4
Análisis del residuo de la película de la prueba de envejecimiento a presión PAV ASTM D 6521
Módulo reológico de corte dinámico a 34° C [G*sen δ]
(KPa)
3625 (28°C) 1958 1691
Rigidez en Creep a -6°C, 60s S (t), (MPa) 96,195 95,81 140,651
Valor m(t) a -6°C, 60s, (adimensional) 0,335 0,330 0,307
Grado PG 64-16 PG 76-16 PG 76-16
Respuesta elástica en creep repetido, a 100 y 3200 Pa, Valores de Jnr y niveles de tráfico para los que el
asfalto será capaz de soportar.
Tipo de asfaltoTemp. De
prueba% εr a 100 Pa % εr a 3200 Pa
Rdif
(100Pa-
3200 Pa)
Jnr 3200 GradoIntensidad
de tráfico
Ekbé Salamanca 64 9 8 1 1,001 PG 64-22 H>3< 10
millones
Ekbé Salamanca +
polímero RET76 75 72 3 0,237 PG 76-22 E
>30
millones
Ekbé Salamanca + PPA 76 37 7 30 1,053 PG 76- 22 H>3 < 10
millones
% εr : Respuesta elástica en Creep repetido.
Rdif: deferencia entre % εr a 100 Pa y % εr a 3200 Pa.
Valores de Jnr inferiores a 0.5 son asfaltos que son capaces de soportar mas de 30 millones de ejes equivalentes de 8.2
ton.
Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)
• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla
• Valores de módulo dinámico y resiliente
• Leyes de fatiga
• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.
• Conclusiones
Agregados pétreos
Prueba
Resultados Especificación
PA-MA- 001-
2013
Basalto
(Guadalajara)(Andesita) Morelia
Grava
Partículas alargadas 1.60% 5.62% 15% máx.
Partículas lajeadas 0.34% 1.77% 15% máx.
Densidad 2.66 2.62 N/A
Desgaste de los Ángeles 10% 17% 30 máx.
Absorción 1.28 2.37 N/A
Arena
Equivalente de arena 70 46 50 mín.
Densidad 2.6 2.53 N/A
Absorción 2.04 3.39 N/A
Azul de metileno 11 ml/g 36 ml/g 15 ml/g máx.
Angularidad 40.72 36 40 mín.
Granulometría
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
% Q
UE
PASA
MALLAS
ZONA DE ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS (ABERTURA EN MILIMETROS)
0.0
74
0.1
49
0.3
0
0.6
0
1.1
8
2.3
6
4.7
5
9.5
1
12.7
19.0 25.4
38.1
200 100 50 30 16 8 4 3/8" 1/2"3/4" 1"11/2"
Características de la mezcla compactada
Característica volumétrica
Material
Basalto GuadalajaraAndesita
Morelia
Porcentaje de vacíos de la mezcla (%) 4.60% 3.85%
Porcentaje de asfalto efectivo (%) 6.15 6.15
Contenido óptimo de asfalto (%) 6.2 6.2
Variables analizadas • AC-20 Salamanca+ andesita
• AC-20 Salamanca + basalto
• AC-20 Salamanca + ácido polifosfórico + andesita
• Ac-20 Salamanca + ácido polifosfórico + basalto
• AC-20 Salamanca + polímero RET + ácido Polifosfórico (catalizador) + Andesita
• AC-20 Salamanca + polímero RET + Ácido Polifosfórico (catalizador) + Basalto
• Módulo Dinámico • Módulo resiliente• Ley de fatiga
Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)
• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla
• Valores de módulo dinámico y resiliente
• Leyes de fatiga
• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.
• Conclusiones
Módulo dinámico
Es un parámetro esencial para calcular los espesores de carpeta asfáltica en los
nuevos métodos de diseño de pavimentos asfálticos.
Describe la relación esfuerzo-deformación de materiales visco-elásticos.
0 5 6 7 84321
Ciclos
Defo
rma
ció
n
Carg
a M
Pa
Valores de módulo dinámico (MPa)
Tipo de mezcla
(componentes)10 Hz 5 Hz 1 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz 10 Hz 5 Hz 1 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz
Andesita Basalto
AC-20 S 8725 7707 4778 3856 2162 10707 7727 4796 3926 2409
AC-20 S + ácido
polifosfórico10030 8447 4931 3941 2167 11211 9695 6150 4999 3224
AC-20 S+ Polímero
RET + ácido
polifosfórico
10101 8786 5276 4261 2193 12040 10071 6303 5389 2342
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
10 Hz 5 hz 1.0 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz
Mó
du
lo d
inám
ico
(M
Pa)
Frecuencia (Hz)
Gráfico de módulo dinámico
AC-20 S + andesita
AC-20 S + ácido polifosfórico + andesita
AC20 S + polímero RET + ácido polifosfórico +andesita
AC-20 S + basalto
AC-20 S + ácido polifosfórico + basalto
AC20 S + polímero RET + ácido polifosfórico +basalto
P
Carga
Deformación
total
0.9 s
Deformación
acumulada
Deformación
elástica
0.1 s
1 ciclo
Módulo resiliente
3440 3492
5359 5303
36403872
Gráfico de módulo resiliente (valores en MPa)
AC-20 S + andesita AC-20 S + basalto
AC-20 S + ácido polifosfórico + andesita AC-20 S + ácido polifosfórico + basalto
AC-20 S + polímero RET+ ácido polifosforico + andesita AC-20 S + polímero RET+ ácido polifosfórico + basalto
Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)
• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla
• Valores de módulo dinámico y resiliente
• Leyes de fatiga
• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.
• Conclusiones
Tipo de Mezcla Número de repeticiones de carga
750 ms 650 ms 550 ms
AC-20 S + andesita 42584 67394 157406
AC-20 S + ácido polifosfórico + andesita 85402 221697 297774
AC-20 + ácido polifosfórico + polímero RET + andesita 180337 297127 618975
AC-20 S + basalto 58816 91500 219707
AC-20 S + ácido polifosfórico + basalto 94176 190363 311754
AC-20 + ácido polifosfórico + polímero RET + basalto 262492 327883 739637
Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)
• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla
• Valores de módulo dinámico y resiliente
• Leyes de fatiga
• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.
• Conclusiones
Estructuras de pavimento adoptadas
Capa
Espesores Valor de VRS
Sección 121 (espesor en
cm)
Sección 3221
(espesor en cm)
Sección 4221
(espesor en cm)
Valor de VRSValor
máximo de VRS SCT
Carpetaasfáltica
30 15 5 (N/A) (N/A)
Base 25 35 25 100 120
Sub rasante 35 35 35 20 20
Terraplén 200 200 200 5 20
Vida a fatiga en millones de ejes equivalentes para las estructuras de pavimento flexible con diferentes valores de módulo dinámico
de la carpeta asfáltica
An
de
sita
Tipo de
capa
vida previsible para módulo dinámico a
10 Hz= 8725 MPa (EKBÉ)
vida previsible para módulo
dinámico a 10 Hz= 10030 MPa
(asfalto endurecido)
vida previsible para módulo
dinámico a 10 Hz= 10101 MPa
(asfalto modificado) deformación o
fatiga sección
4221
deformación o fatiga
sección 3221
deformación o
fatiga sección
121
deformación o
fatiga sección
4221
deformación
o fatiga
sección 3221
deformación
o fatiga
sección 121
deformación
o fatiga
sección 4221
deformación
o fatiga
sección 3221
deformació
n o fatiga
sección
121
Carpeta
asfáltica
4.7 32.8 >150 5.8 46.6 >150 5.9 47.4 >150
Base 6.1 >150 >150 7.6 >150 >150 7.7 >150 >150
Bas
alto
Tipo de
capa
vida previsible para módulo dinámico a
10 Hz= 10706 MPa (EKBÉ)
vida previsible para módulo
dinámico a 10 Hz= 11211 MPa
(asfalto endurecido)
vida previsible para módulo
dinámico a 10 Hz= 12039 MPa
(asfalto modificado) deformación o
fatiga sección
4221
deformación o fatiga
sección 3221
deformación o
fatiga sección
121
deformación o
fatiga sección
4221
deformación
o fatiga
sección 3221
deformación
o fatiga
sección 121
deformación
o fatiga
sección 4221
deformación
o fatiga
sección 3221
deformaci
ón o fatiga
sección
121
Carpeta
asfáltica
6.5 55 >150 7 62 >150 8 74.8 >150
Base 8.5 >150 >150 9.2 >150 >150 10.5 >150 >150
Vida útil a fatiga determinada por el DISPAV-5 en millones de ejes equivalentes para la sección
4221 (sección para tráfico ligero).
4,7
6,55,8
7
5,9
8
AC-20 S AC-20 S + ácido polifosfórico
AC-20 + polímero RET + ácido polifosfórico
BA
SALT
O
BA
SALT
O
BA
SALT
O
AN
DES
ITA
AN
DES
ITA
AN
DES
ITA
Vida útil a fatiga determinada por el DISPAV-5 en millones de ejes equivalentes para la sección
3221 (sección para tráfico mediano)..
32,8
55
46,6
62
47,4
74,8
AC-20 SAC-20 S + ácido polifosfórico
AC-20 S + polímero RET + ácido polifosfórico
BA
SALT
O
BA
SALT
O
BA
SALT
O
AN
DES
ITA
AN
DES
ITA
AN
DES
ITA
Sección 121
Para este caso, con secciones de pavimento el DISPAV-5 estalimitado a indicar que el pavimento soportará mas de 150millones de ejes equivalentes de (8.2 ton), por lo que no esposible detectar las diferencias entre las diferentes mezclas.
Análisis de costos
sección 4221
Basalto Andesita
Concepto AC-20 S AC-20 + ácido
polifosfórico
AC-20 +
polímero RET +
ácido
polifosfórico
AC-20 S AC-20 + ácido
polifosfórico
AC-20 +
polímero RET +
ácido
polifosfórico
Mezcla asfáltica $2,876.59 $2,930.12 $3,041.65 $2,861.91 $2,915.44 $3,026.97
Base $617,103.13 $617,103.13 $617,103.13 $584,794.76 $584,794.76 $584,794.76
Subrasante $751,074.91 $751,074.91 $751,074.91 $727,205.82 $727,205.82 $727,205.82
Terraplén $3,638,810.18 $3,638,810.18 $3,638,810.18 $3,375,756.22 $3,375,756.22 $3,375,756.22
Costo total $5,009,864.81 $5,009,918.34 $5,010,029.87 $4,690,618.71 $4,690,672.24 $4,690,783.77
Análisis de costos
• El incremento de costo entre un asfalto convencionaly un asfalto modificado para este tipo de estructuraapenas alcanza el 5.5 por ciento del costo total de lamezcla asfáltica.
• mientras que en el costo total del pavimento apenasalcanza el 1%.
• Con apenas 1% de inversión en la modificación delasfalto se puede llegar a aumentar la vida útil un 23%de la vida útil inicial (condición para un mismo tipo demezcla, con los mismos componentes).
Índice • Caracterización del asfalto (grado PG, Jnr)
• Caracterización del agregado y diseño de la mezcla
• Valores de módulo dinámico y resiliente
• Leyes de fatiga
• Análisis de vida útil y costo de secciones de pavimento empleando los valores de módulo y leyes de fatiga obtenidos.
• Conclusiones
Conclusiones
• El Parametro “Jnr” presenta una tendencia en losresultados muy similar a los obtenidos en las leyesde fatiga y Módulo Dinámico. A pesar de ser unaprueba propia del asfalto, el panorama que nosofrece a partir de sus resultados es de muchautilidad para poder tener una idea clara de lo que lamezcla asfáltica puede llegar a soportar.
Conclusiones
• Se determinó que el ensayo de Módulo Dinámicopresenta mayor sensibilidad y muestra claramentela diferencia de la calidad de los agregadosempleados así como la calidad del asfalto.
• Por el contrario, el Módulo Resiliente no mideclaramente la diferencia de asfaltos, pero hace unaclara diferencia entre agregados.
• Por otra parte, el método de Ingeniería de la queUNAM es el más usado en el diseño de pavimentosflexibles en México, presenta limitantes, las cualesno presentan sensibilidad en vida a fatiga ydeformación para secciones de pavimento mayoreso iguales a 15 cm de espesor. Por lo que el softwareDISPAV-5 se ve realmente limitado en el uso decarreteras de altas especificaciones en la ingenieríamexicana.
Conclusiones
• Se ha comprobado que el uso de asfaltos modificados yun agregado de buena calidad aumentan la vida útilhasta en un doble de vida en comparación a un asfaltoconvencional y un agregado de mala calidad. Además, eluso de asfaltos modificados con polímero RET soloincrementa el costo inicial el uno por ciento lo que estámás que claro que el uso de asfaltos modificados no soloaumenta la vida a fatiga sino que ahorra los costos demantenimiento y reparación en la estructura.
Conclusiones • Es fundamental contar con pavimentos que permitan
una circulación segura, rápida y cómoda que generencostos de operación bajos.
• Algunas de las carreteras en México no cuentan conpavimentos de calidad y una de las razones es la faltade estudios adecuados sobre las características de losmateriales empleados en su construcción.
¡ Muchas Gracias!
• AGRADECIMIENTOS:
• UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO
• SURFAX
• LASFALTO