Procedimientos de Garantíade Calidad para Mezclas Asfálticas en …sipr.ciapr.org/wp-content/uploads/2019/05/Presentacion... · 4/1/2019 1 Procedimientos de Garantíade Calidad

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Procedimientos de Garantía de Calidad

para MezclasAsfálticas en

Proyectos de la ACT

Carlos J. Hernández Ayala Alexander García Santos

Miguel Ortíz GonzálezMiguel A. Estrella Colón, PE, MSCE

Oficina Asesora de Pruebas de Materiales

Autoridad de Carreteras y TransportaciónDepartamento de Transportación y Obras Públicas

3 de abril de 2019San Juan, PR

Agenda

• Introducción

• Clasificación “Performance Grade (PG)”

• Pruebas al CementoAsfáltico

• Diseño de MezclasAsfálticas

• Inspección de MezclasAsfálticas

Introducción

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Oficina Asesora de Pruebas de Materiales (OAPM)

Referencia: https://en.wikipedia.org/wiki/The_Scoutmaster

LaboratorioCentral

MezclasAsfálticas

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Estructura de

Pavimento

Referencia: American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). 1993. Guide for Design of Pavement Structures, Volumen 1, Washington, D.C., p. I-4.

Algunos Aspectos que Afectan la Durabilidad de los Pavimentos Flexibles en PR

Algunos Aspectos que Afectan la Durabilidad de los Pavimentos Flexibles en PR

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Clasificación“Performance Grade (PG)” del Cemento

Asfáltico(“Asphalt Binder”)

Definiciones

• Asphalt binder = Includes both modified and unmodified asphalt cements. Modifiers added to the asphalt cement are restricted to non-particulate organic modifiers with largest dimension no greater than 250 μm. (μ = 1/100,000th = 10¯6 )

• Asphalt cement = Dark brown to black cementitious material in which the predominant constituents are components that occur in nature or are obtained in petroleum processing. Restricted to materials that have been produced or supplied without modification.

Referencia: Asphalt Institute (AI). 2007. Asphalt Binder Testing: Technician’s Manual for Specification Testing of Asphalt Binders, Manual Series No. 25 (MS-25), First Edition, Lexington, KY, pp. 1.

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Cemento Asfáltico (“Asphalt Binder”)

Referencia: Asphalt Handbook, Asphalt Institute Manual Series No. 4 (MS-4), 7th edition, 2007.

Modificadores/ “Polymer-Modified Asphalt”“Types of modifiers

Modified asphalts are often generically called “polymer modified asphalts.” Polymers are probably the most common type of modification, but today’s modified asphalts may be produced in several ways. According to the Asphalt Institute’s “(MS-4) Asphalt Handbook”, modifiers and additives being used to boost performance include polymers, chemical modifiers, extenders, oxidants andantioxidants, hydrocarbons and anti-stripping additives.

• “Polymers” cover a broad range of modifiers, with elastomers (rubbers or elastics) and plastomers (plastics) being the most commonly used types. Styrene-butadiene rubber (SBR) and styrene-butadiene-styrene (SBS) are frequently used elastomers. Research conducted as part of the National Cooperative Highway Research Program found that SBS is the most often used modifier. These modifiers are used to reduce rutting and to improve fatigue and thermal cracking resistance.

• Crumb rubber is an elastomer made from ground tires. Several technologies are in place for using ground tire rubber. This material is used primarily to address rutting.

• Plastomers are used to improve the high temperature (rutting) properties of modified materials. Low density polyethylene (LDPE) and ethylene vinyl acetate (EVA) are examples of plastomers used in asphalt modification.

• The most commonly used chemical modifier is polyphosphoric acid (PPA). This modifier may be used in combination with polymers to increase the high-temperature stiffness.

• Other modifiers that may be used include asphalt binder extenders (primarily sulfur) and hydrocarbon materials. Hydrocarbons can produce either hardening or softening effects. Materials can be added to increase rutting resistance. Softening agents orrejuvenators are used to lower the viscosity of aged asphalt binders in mixes containing recycled asphalt pavement (RAP).”

Referencia: http://asphaltmagazine.com/the-benefits-of-modified-asphalts/

Modificadores/ “Polymer-Modified Asphalt”

Referencia: Bahia, H. U., Hanson, D. I., Zeng, M., Zhai, H., Khatri, M. A., and Anderson, R. M.. NCHRP Report 459: Characterization of Modified Asphalt Binders in Superpave Mix Design, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board, Washington, D.C., 2001, pp. 13.

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¿Cuál es el propósito de la Clasificación PG?

• Es una especificación para poder comprar el producto requerido, no una herramienta de predecir desempeño del pavimento.

• Esta especificación permite a la refinería o parte que modifique el cemento asfáltico el requerimiento sobre la necesidad del productodeseado por la agencia.

• Basado en una serie de pruebas a ciertas temperaturas permite enalguna medida realizar una representación lo más certera posible del comportamiento de los materiales.


Transfondo Superpave®

Referencia: Daly, W. H., NCHRP Synthesis 511: Relationship Between Chemical Makeup of Binders and Engineering Performance, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board, Washington, D.C., 2017, pp. 7.

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Superpave®

• Procedimiento de pruebas para mejorar el desempeño del “binder” para disminuir o prevenir deficiencias tales como:

1. Deformación permanente

2. Agrietamiento por fatiga

3. Agrietamiento por temperatura baja

4. Envejecimiento excesivo

5. Problemas en bombeo y manejo

Deformación Permanente“Rutting” (Ahuellamiento/Canales en Paso de Rueda Longitudinal)

• Temperaturas Altas de Servicio Clima Desértico

Temperaturas en Verano

• Cargas sostenidas Tráfico pesado lento

Intersecciones

Agrietamiento por Fatiga(“Alligator Cracking”)

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Agrietamiento por Temperatura Baja

• Temperatura BajaClimas Fríos Invierno

•Cargas AceleradasCamiones

Envejecimiento Excesivo(Largo Plazo)

Muestreo de Cemento Asfáltico(“Binder”) ACT en Terminales

Terminal Petroleum Products Supply (PPS) en GuaynaboTerminal Betteroads en Guayanilla

PR Terminals Group, en Peñuelas

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“Bituminous Material Certificate of Compliance”

Muestreo de Cemento Asfáltico (“Binder”) ACT en Terminales

Terminal Betteroads en Guayanilla

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Muestreo de Cemento Asfáltico (“Binder”) ACT en Terminales

Terminal de Petroleum Products Supply (PPS) en Guaynabo

Muestreo de Cemento Asfáltico(“Binder”) de ACT en Plantas Productoras de Mezcla Asfáltica

Muestreo de Cemento Asfáltico (“Binder”) ACT en Plantas Productoras de Mezcla Asfáltica

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Muestreo de Cemento Asfáltico (“Binder”) ACT en Mezcla Asfáltica Depositada en Proyecto

Muestreo de Cemento Asfáltico (“Binder”) ACT en Mezcla Asfáltica Depositada en Proyecto

Referencia: http://eng.auburn.edu/research/centers/ncat/about/index.html

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Razones de Pruebas para Categorías de Desempeño (“PG Specification”) Superpave®

• Propiedades principales relacionadas al desempeño de las mezclasasfálticas.• Reología (Estudio de la deformación y flujo de una materia sometida a fuerzas aplicadas).*

• Parámetros de Prueba• Basado en temperaturas de proceso de producción y construcción.

• Acondicionamiento• Factores por ambiente/clima

• Envejecimiento/Oxidación a corto y largo plazo.

* Referencia: https://en.wikipedia.org/wiki/Rheology

Superpave®

• Sistema de categoría y selección basada principalmente encondiciones climáticas

PG 64 – 22Performance Grade

Promedio de Temperatura Máxima de Diseño del Pavimento

Temperatura Mínima de Diseño del Pavimento

Nomenclatura de Grado de Desempeño (“PG”) para Diferentes Mezclas de Asfalto Crudo

https://www.pavementinteractive.org/reference-desk/materials/asphalt/superpave-performance-grading/

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Localización Geográfica de Estaciones Climáticas en PR

Equation 1 was developed during the Strategic Highway Research Program (SHRP) to predict the pavement temperature at a depth of 20 mm (0.8 in.).

T20mm = (Tair - 0.00618 lat2 + 0.2289 lat + 42.2) (0.9545) - 17.78 (Equation 1)

Where,

T is expressed in ⁰C, and the latitude is in degrees.

Referencia: Taylor, A. J. and Watson, D.. 2012. Evaluation of LTPPBind Weather Station Data for Puerto Rico to Determine Appropriate Flow Number Testing Temperatures, National Center

for Asphalt Technology (NCAT), pp. 4.

Cálculo de Temperaturas del Pavimento

• Temperatura alta estimada de 0.8” (20 mm) por debajo de la superficie de la mezcla.

• Temperatura baja basada en la superficie de la mezcla.

• Temperatura del pavimento calculada considerando o en funciónde la temperatura del aire, profundidad y latitud.

• https://infopave.fhwa.dot.gov/Tools/LTPPBindOnline

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Efecto de Cargas

Factor de Equivalencia de Carga (Load Equivalency Factor) = (( Peso de Eje (lbs))/(18,000 lbs))^4

Referencia: Superpave Binder Specifications & Selections, http://users.rowan.edu/~mehta/cematerials_files/PTC.16B.pdf

“Grade Bumping”


Existen casos que pudiesen requerir grados de mayor rigidez en sudesempeño según su funcionalidad:

• Uno a dos grados para tráfico lento e intersecciones.

• Dos grados para tráfico detenido y muelles de carga.

• Un grado para tráfico pesado moderado.

• Dos grados para tráfico pesado alto.

“Grade Bumping”


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Superpave®

Pruebas al CementoAsfáltico

(“Binder”)

Caracterizaciónde CementoAsfáltico(“Binder”)

• Pruebas para Categoría de Desempeño(“Performance Grade tests” –Superpave®)

1. Rotational Viscometer (Brookfield) test

2. Dynamic Shear Rheometer (DSR) test

3. Bending Beam Rheometer (BBR) test

4. Direct Tension (DT) test

5. Rolling Thin Film Oven (RTFO) test

6. Pressure Aging Vessel (PAV) test

7. Flash Point test

Referencia: Superpave Binder Testing ( Highway and Airport Engineering Dr. SherifEl-Badawy ) https://www.slideshare.net/hronaldo10/04superpave-binder-testing-highway-and-airport-engineering-dr-sherif-elbadawy

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Razones de Pruebas para Categorías de Desempeño (“PG Specification”)

Equipos de Pruebas para Categorías de Desempeño en Campo (“PG Specification”)

Equipos de Pruebas para Categorías de Desempeño (“PG Specification”)

- 4 68 140 275Temperatura del Pavimento, °F

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AASHTO T 316 Viscosity Determination of Asphalt Binder Using Rotational Viscometer. (Brookfield Viscosity)

• Proveer un mínimo de manejabilidad (bombeo) a una temperatura típicade mezclado. Máximo de viscosidad 3KPa a 135 °C (275 °F).

Viscosidad vs. Temperatura

Referencia: Superpave Asphalt Mixture Design Workshop Workbookhttp://virginiadot.org/business/resources/Materials/MCS_Study_Guides/SuperPaveFed.pdf

Envejecimiento/Oxidación a Corto Plazo

• Simula la rigidez/endurecimiento del asfalto líquido durante sualmacenamiento, mezclado y depósito.

• Efecto de endurecimiento por oxidación.

• Para simular este efecto en el laboratorio se utiliza el “Rolling Thin-Film Oven (RTFO)”.

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• Se coloca muestras de cemento asfáltico en unas botellas cilíndricas decristal y se colocan en un carrusel dentro de un horno especializado. Estecarrusel rota a 15 RPM por 85 minutos mientras esta a una temperatura de325°F (163°C) y un flujo de aire hacia las botellas a 244 pulgadas³/min (4000ml/min), lo cual se utiliza para simular el envejecimiento de la muestra.Estas muestras luego son almacenadas para utilizarse en pruebas depropiedades físicas o en el PAV.

• AASHTO T 240 y ASTM D 2872 “Effect of Heat and Air on a Moving Film of Asphalt (Rolling Thin-Film Oven Test)”.

Envejecimiento/Oxidación a Corto Plazo

Referencia: https://www.pavementinteractive.org/reference-desk/testing/binder-tests/rolling-thin-film-oven/

AASHTO T 240-13 (2017) Standard Method of Test for Effect of Heat and Air on a Moving Film of Asphalt

Binder (Rolling Thin-Film Oven Test)Envejecimiento/Oxidación a Corto Plazo

Dynamic Shear Rheometer (DSR) AASHTO T 315-12(2016) METHOD OF TEST FOR DETERMINING THE RHEOLOGICAL PROPERTIES OF ASPHALT BINDER USING A DYNAMIC SHEAR RHEOMETER (DSR)

Referencia: https://www.pavementinteractive.org/reference-desk/testing/binder-tests/dynamic-shear-rheometer/

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Dynamic Shear

Rheometer (DSR)

Comportamiento Elástico vs.

Viscoso


Comportamiento Elástico vs. Viscoso

G Estrella – “Complex Shear Modulus”

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Comportamiento Elástico vs.

Viscoso

Comportamiento Elástico vs. Viscoso


El valor de G* es igual para B1 y B2,pero por la diferencia en el ángulo delta (δ) Binder 2 > Binder 1 en elasticidad.

DeformaciónPermanente“Rutting”

• Requisitos para Pruebas Superpave®con DSR

G*/sin δ en unaged (original) asphalt binder > 1.00 kPa

G*/sin δ en RTFO aged asphalt binder > 2.20 kPa

• Lo deseable es un binder de asfalto duro y elástico para resistir desplazamiento en las primeras etapas de su vida de servicio.

• Se logra aumentando G* o disminuyendo δ.

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Fallas por Fatiga

Dynamic Shear Rheometer (DSR)

• Binder de asfalto envejecido (“aged”)

Debido a que problemas de desempeño a largo plazo incluyen:

o Envejecimiento a corto plazo

o Envejecimiento a largo plazo

• Se determina parámetros de DSR utilizando la base de 8 mm y a temperatura intermedia de prueba.

Envejecimiento a Largo Plazo

• Simula el efecto de envejecimiento del binder de asfalto de 7 a 10 años.

• Esto mediante envejecimiento del binder de asfalto utilizando el RTFO.

• Se adiciona proceso de envejecimientodel binder de asfalto con el “Pressure Aging Vessel (PAV)”.

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AASHTO R 28-12 (2016) Standard Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using a Pressurized Aging Vessel (PAV)

Referencia: https://www.pavementinteractive.org/reference-desk/testing/binder-tests/pressure-aging-vessel/

Fallas por Fatiga

• G*(sin δ) en RTFO y PAV aged asphalt binder

• Este parámetro atiende la última etapa de la falla por fatiga.

• Valor tiene que ser < 5,000 kPa

• Lo deseable es un binder de asfalto suave y elástico para resistir múltiples cargas sostenibles sin agrietarse.

• Se logra disminuyendo G* o disminuyendo δ.

Agrietamiento por Temperatura Baja

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Temperatura Baja

AASHTO T 314-12 (2016) Standard Method of Test for Determining the Fracture Properties of Asphalt Binder in Direct Tension (DT)

AASHTO T 313-12 (2016) Standard Method of Test for Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder Using the Bending Beam Rheometer (BBR)

Bending Beam Rheometer (BBR)

Referencia: https://www.pavementinteractive.org/reference-desk/testing/binder-tests/bending-beam-rheometer/

Direct Tension Tester (DTT)

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Direct Tension Tester (DTT)

Referencia: https://www.pavementinteractive.org/reference-desk/testing/binder-tests/direct-tension-tester/

AASHTO T 48 Standard Method of Test for Flash Point of Asphalt Binder by Cleveland Open Cup

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Resumen

Referencia: Bukowski, J., D’Angelo, J., Harman, T., and Paugh, C.. 2001, Superpave Binder Specification; Why, When, What, How and Where? Workshop, Federal Highway Administration, Version 2.2-Basic Intro.

Diseño de Mezclas

Asfálticas

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Diseños de Mezcla Asfáltica

• Desde los inicio del “Superpave –Superior Performing AsphaltPavements” las mezclas asfálticas se evalúan en cuatro pasos:• Selección de los materiales

• Diseño de la Estructura del Agregado

• Contenido Óptimo de “Binder”

• Pruebas de Desempeño

Pasos-Verificación del Diseño

Muestra de Agregado

• AASHTO R 90 Standard Practice for Sampling Aggregate Products

Muestra de “Binder”

• AASHTO R 66 Standard Practice for Sampling Asphalt Materials

Temperaturas de Mezclado y Compactación

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Propiedades de ConsensoAngularidad del Agregado:

AASHTO T-304 “Uncompacted Void Content of Fine Aggregate”

ASTM D-5821“Determining the Percentage of Fractured Particles in Coarse Aggregate”

Propiedades de ConsensoASTM D4791“Flat Particles, Elongated Particles, or Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregate”

AASHTO T 176“Test for Plastic Fines in Graded Aggregates and Soils by Use of the Sand Equivalent Test”Relación entre Arcilla y Arena

Propiedad de Resistencia a Pulimiento• Método de ensayo para “Polishing Stone Value”

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Requisitos de las Mezclas a la Susceptibilidad a la Humedad, AASHTO T-283

• Mezclas Marshall • Mezclas Superpave• Relación de Esfuerzos en

Tensión Mínimo (TSR) – 65%• Esfuerzo en Tensión Mínima

• Superficie – 80 psi

• Base/Nivelación – 70 psi

• Relación de Esfuerzos en Tensión Mínimo (TSR) – 80%

• Esfuerzo en Tensión Mínima

• Superficie – 100 psi

• Base – 90 psi

• Nivelación – 80 psi

• %TSR=( A/B )*100A = Promedio de Esfuerzo en Tensión de Especímenes Condicionados, psiB = Promedio de Esfuerzo en Tensión de Especímenes Secos, psi

Spec. 959

• Si los resultados no cumplen con los requisitos mínimos se le añadeaditivos “Antistrip” para mejorar el rendimiento de la mezcla.

Referencia: https://www.pavementinteractive.org/reference-desk/testing/asphalt-tests/moisture-susceptibility/

Especificaciones

• Spec. 401 “Hot Plant – Mix Bituminous Pavement” Rev. 7-30-2009

• Spec. 962 “Warm Mix Asphalt – Marshall”

• Spec. 959 “Hot Mix Asphalt Pavement (SUPERPAVE)” Rev. 11-16-2010

• Spec. 964 “Warm Mix Asphalt Pavements – SUPERPAVE”

• Spec. 852 “Hot Plant Mix Asphalt for Bituminous Pavement Maintenance and Repairs” Rev. 5-10-2018

• Spec. 851 “Warm Mix Asphalt for Bituminous Pavement Maintenance and Repairs”

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Inspección de Mezclas

Asfálticas

Inspección de Calidad –Mezcla Asfáltica

Secciones de Pruebas – En

campo

Reunión Pre-Pavimentación

Análisis de Planta

• Porciento de Asfalto

• Granulometría

Emitir resultados y

Factor de Pago por lote

Iniciando un proyecto

• Reunión Pre-Pavimentación• Sección de Prueba

Inspección de Calidad – Mezcla Asfáltica

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Inspección de Calidad – Mezcla Asfáltica

• Planta solicita inspección diariamente

• Asignar un Analista de Pruebas de Materiales

• Emitir resultados al proyecto• Informe de Planta (Pb + PFAgg) +

Compactación en Campo = CPF Lot

Nota: Composite Pay Factor (CPF)

Asfalto – Control de Calidad

• Realizar inspección

• Acopio del agregado

• Calibración de los equipos de planta

• Verificación de la mezcla asfáltica

• Despacho del material

• Informe de planta

Pruebas Estandarizadas –Inspección de Planta Asfáltica

AASHTO T 312 Standard Method of Test for Preparing and Determining the Density of Asphalt Mixture Specimens by Means of the Superpave Gyratory Compactor

AASHTO R 30 Standard Practice for Mixture Conditioning of Hot Mix Asphalt (HMA) PRHTA T 401-10 Procedure forMixture Conditioning for Volumetric Properties Determination

AASHTO T 245 Standard Method of Test for Resistance to Plastic Flow of Asphalt Mixtures Using Marshall Apparatus

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AASHTO T 164 Standard Method of Test for Quantitative Extraction of Asphalt Binder from Hot Mix Asphalt (HMA)

AASHTO T 30 Standard Method of Test for Mechanical Analysis of Extracted Aggregate

AASHTO T 166 Bulk Specific Gravity of Compacted Asphalt Mixtures Using Saturated Surface-Dry Specimens


AASHTO T 209 Theoretical Maximum Specific Gravity and Density of Hot Mix Asphalt

Informes de Inspección

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¿Preguntas?

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