FUNDAMENTOS DE CARACTERIZACION DE LIGANTES ASFALTICOS POR EL METODO SUPERPAVE
FUNDAMENTOS DE CARACTERIZACION DE LIGANTES
ASFALTICOS POR EL METODO SUPERPAVE
Jorge Escalante Zegarra
INTRODUCCIÓN
El método Superpave (Superior Performing Asphalt Pavement) es el
resultado de las investigaciones realizadas por el SHRP (Strategic
Highway Research Program), emprendido con la administración
Federal de Carreteras (FHWA) en los Estados Unidos.
El programa surgió con el fin de mejorar el desempeño y durabilidad
de las carreteras, realizándose investigaciones entre octubre de 1987
y marzo de 1993.
INTRODUCCIÓN
El producto final es un sistema llamado SUPERPAVE (Superior
Performing Asphalt Pavement); representa un sistema provisto para
especificar cemento asfáltico y agregado mineral; desarrollar diseños
de mezclas asfálticas; analizar y establecer predicciones de
desempeño del pavimento, y que tiene como objetivo final contribuir a
lograr pavimentos más durables, y minimizar los costos de
conservación y operación de la infraestructura vial.
El Programa SHRP (Strategic Highway Research Program) resulto
en la especificación de ligantes asfálticos basada en el Grado de
Desempeño (PG, Performance Grade) y clasifica los ligantes de
acuerdo con las condiciones climáticas y el tipo de solicitación de
tráfico a las que el pavimento será sometido. Datos como
temperatura máxima del pavimento durante siete días consecutivos,
temperatura mínima del pavimento, confiabilidad, tiempo de carga y
volumen de tráfico son usados en la especificación de ligantes
Superpave para seleccionar el ligante apropiado para el trabajo a ser
realizado.
ESPECIFICACIÓN DE LIGANTES
CLASIFICACIÓN SUPERPAVE PARA LIGANTES
ASFÁLTICOS
La especificación Superpave para ligantes asfálticos define el grado de
desempeño (PG) con base en registros de temperaturas ambiente de
estaciones meteorológicas por un período mínimo de 20 años. Se
calcula el promedio y la desviación estándar de las temperaturas
máximas del aire de los siete días consecutivos mas calurosos del año
y el promedio y la desviación estándar de la temperatura mínima del
aire del día mas frío del año. Posteriormente, son calculadas las
temperaturas del pavimento.
El grado de desempeño varia en niveles, cada nivel equivale a 6°C,
tanto en altas como en bajas temperaturas.
Sistema de Clasificación basado en el clima temperaturas máximas y
mínimas del pavimento
PG 64 - 22
Clasificación por
Desempeño
Temperatura máxima del
pavimento
Temperatura mínima
del pavimento
CLASIFICACIÓN SUPERPAVE PARA LIGANTES
ASFÁLTICOS
Los asfaltos definidos por el método Superpave son:
CLASIFICACIÓN SUPERPAVE PARA LIGANTES
ASFÁLTICOS
Clasificación a Alta Temperatura Clasificación a Baja Temperatura
PG 46 -34, -40, -46
PG 52 -10, -16, -22, -28, -34, -40, -46
PG 58 -16, -22, -28, -34, -40
PG 64 -10, -16, -22, -28, -34, -40
PG 70 -10, -16, -22, -28, -34, -40
PG 76 -10, -16, -22, -28, -34
PG 82 -10, -16, -22, -28, -34
Banco de Datos sobre Clima
– 6500 estaciones en los EUA y Canadá
Temperaturas del Aire
– Temperatura máxima de siete días consecutivos, mas
calientes del año (promedio y desviación estándar)
– Temperatura mínima (promedio y desviación estándar)
Cálculo de las temperaturas del pavimento: selección del PG
> 20 años
Determinación de las temperaturas máxima y mínima
El cálculo de la temperatura máxima y mínima del aire depende de la
confiabilidad requerida (z) y de la desviación estándar de los datos
(σ):
CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL AIRE
zTT médiaMAXar
zTT médiaMINar
Donde:
TMAXar = Promedio de las temperaturas máximas del aire de 7 días
consecutivos (°C);
TMINar = Temperatura mínima del aire (°C).
NIVEL DE CONFIANZA
El porcentaje de probabilidad
Frecuencia de temperaturas
observadas
(Área total bajo la curva = 100 %)
Tpromed. Tdis
Confiabilidad es el área
bajo la curva a la izquierda
de la Tdis
> Usando distribución normal
TEMPERATURA OBSERVADA DEL AIRE
36 40
7- Dias de maxima temperatura del aire
50 % confiabilidad
98 % confiabilidad
Verano promedio
Verano muy caliente
desviacion estandart de 2°C
36
40
-23 -31
0 10 20 30 40 50 60 -10 -20 -30 -40
Invierno promedio
> Desviación
estandart de 4°C
Invierno muy frio
TEMPERATURA OBSERVADA DEL AIRE
CALCULAR LA TEMPERATURA DEL PAVIMENTO
Calculado por el software Superpave SHRP
Alta Temperatura
– 20 mm abajo de la superficie del pavimento
Baja Temperatura
– En la superficie del pavimento
Temp. del pavimento= f ( Temp. del Aire, profundidad, Lat., )
CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL PAVIMENTO
Modelo SHRP Original (McGennis et al., 1994)
78,17)2.422289,000618,0(9545,0 2 LatLatTT MAXarMAX
Modelo C-SHRP (Canada)
MINarMIN TT
7,1859,0 MINarMIN TT
Modelo LTPP Bind (Mohseni, 1996 ) Basado en 30 pistas experimentais
25log137,15002468,077585,032,54 10
2 HLatTT MAXarMAX
25log264,6003966,071819,056,1 10
2 HLatTT MINarMIN
Modelo LTPP Bind (LTPP-FHWA, 1998 e Bosscher, 2000 )
2/122 )52,04,4()25log(26,6004,072,056,1 zHLatTT MINarMIN
Modelo LTPP Bind (Mohseni e Carpenter, 2004 ) – ICM ICM baseado em dados de aproximadamente 8000 estações meteorológicas
5,0mod
222 )(0029,0837,07,32 eloMAXarMAX zLatTT
CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL PAVIMENTO
.............................................................................
Determinación de las temperaturas máxima y mínima
pavimento = aire
pavimento > aire
0 10 20 30 40 50 60 -10 -20 -30 -40 70
56
60
-23 -31
Determinación de las temperaturas máxima y mínima
0 10 20 30 40 50 60 -10 -20 -30 -40 70
PG 64-34 (98% confiabilidad)
PG 58-28 (50 % confiabilidad)
Grado PG - seis grados de incremento
CASO PRACTICO
DISTRIBUCIÓN DE PG DE ACUERDO AL SHRP.
Jorge Escalante Zegarra
SELECCIÓN DEL GRADO PG POR PROGRAMAS
COMPUTACIONALES
Existen en los Estados Unidos diferentes programas que sirven para
seleccionar el PG del ligante asfáltico para cada local de trabajo,
entre ellos el SHRP Bind, LTPP Bind, AASTHO Superpave Software.
LTPP The Long-Term Pavement Performance program (LTPP) es el programa
de investigación de desempeño de pavimentos mas largo, jamás
realizada, la recopilación de datos a partir de 2.000 tramos de prueba
de pavimento durante un período mayor a 20 años.
Los datos del LTPP se están recogiendo en una base de datos
conocida como el Sistema Nacional de Gestión de la Información
(NIMS). La base de datos incluye información sobre el medio ambiente,
el tráfico, inventario, supervisión, mantenimiento, materiales y de
rehabilitación para cada sección del examen.
EFECTO DEL TRÁFICO: VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE
CARGA Y TRÁFICO ACUMULADO
• El SHRP en la selección del ligante considera cargas de camiones a
velocidades altas (90 km /h.) simulado en el DSR.
• Para velocidades menores es necesario incrementar en uno o dos
niveles el PG requerido.
• Incrementar el tiempo de carga sobre el pavimento equivale a
incrementar la temperatura del mismo.
Por ejemplo, si para una carga normal el grado PG 64 -22 es el
recomendable, se debe utilizar el grado PG 70 -22 en caso que las
cargas fuesen lentas o un PG 76 -22 si las cargas fuesen estacionarias.
• El nivel de tráfico esperado en el pavimento también tiene influencia en la temperatura alta de la clasificación del PG
SELECCIÓN DE LIGANTES ASFÁLTICOS EN FUNCIÓN DEL NIVEL DE TRÁFICO Y LA
VELOCIDAD
N Proyecto
(106)
Ajuste del grado del ligante PG
Velocidad de Trafico
Parado
(V < 20 km/h)
Lento
(V = 20 a 70 km/h)
Normal
(V > 70 km/h)
< 0.3 - - -
0.3 a < 3 2 1 -
3 a <10 2 1 -
10 a < 30 2 1 -
≥ 30 2 1 1
SUPERPAVE PLUS (SP+)
La experiencia acumulada en los últimos años ha demostrado que la
relación entre G*/sen δ, es muy pobre, particularmente si se trata de
asfaltos modificados.
En consecuencia, muchas instituciones han introducido ensayos
adicionales a la especificación SUPERPAVE que permiten reducir esta
limitación, creando lo que se conoce como el SUPERPAVE Plus
MSCR
El Creep repetido surgió como parte de la gama de ensayos SP+
permitiendo evaluar la deformación acumulada en un material asfáltico
tras la aplicación de ciclos bien definidos de carga y recuperación. Sin
embargo, se observó que a cargas iguales, era necesario aplicar al
menos 100 ciclos para obtener resultados representativos.
En consecuencia, se propuso el ensayo MSCR (Multiple Stress Creep
and Recovery) como una mejor opción para estimar el rol que jugaría
un asfalto convencional o modificado en el desempeño de un
pavimento.
En un asfalto modificado clasificado por grado de desempeño PG
según protocolo SUPERPAVE, el polímero es evaluado como una
carga que aporta propiedades viscoelásticas al modificado. Las cargas
y deformaciones aplicadas en un ensayo de MSCR permiten activar
realmente la red polimérica evaluando su resistencia a la deformación y
su capacidad de recuperación.
Como resultado de este ensayo se calculan dos parámetros de
importancia que son, el cociente entre la deformación no recuperable y
la carga aplicada (Jnr) y el porcentaje de recuperación de la muestra
para cada ciclo. Finalmente, estos valores se reportan como el
promedio de cada uno de los diez ciclos para cada valor de carga.
MSCR
CLASIFICACION CON EL MSCR
Hoy en día, muchas agencias a nivel mundial han propuesto el uso del ensayo
de MSCR como una herramienta de clasificación adicional para pavimentos,
más aún si estos se encuentran modificados. La principal diferencia entre la
nueva especificación por MSCR y el método de clasificación SUPERPAVE, es
la forma en la que el salto de un nivel de clasificación a otro es medido.
En este sistema, si el grado estándar es un PG64 basado en las condiciones
climáticas, pero se busca un PG76 debido a altas cargas vehiculares por
ejemplo, el material asfáltico deberá probarse y cumplir con la especificación
SUPERPAVE a 76°C, temperatura a la cual el pavimento nunca estará.
Cuando se usan asfaltos modificados, este tipo de análisis pueden reportar
resultados engañosos
Muchos sistemas poliméricos se “suavizan” muy rápidamente a altas
temperaturas. Con el ensayo de MSCR el material asfáltico puede ser probado
a la temperatura medioambiental más alta promedio que se espera para el
pavimento en servicio, enfocándose en las condiciones de tráfico y no en la
temperatura.
CLASIFICACION CON EL MSCR
Por ejemplo, la especificación MSCR para tráfico de alta velocidad requiere de
un Jnr menor de 4.0 kPa-1 y para baja velocidad o tráfico pesado el valor de
Jnr deberá encontrarse entre 2 y 1 kPa-1 pues es necesaria una mayor
resistencia a la formación de ahuellamientos, independientemente de la
temperatura de clasificación PG.
De acuerdo con lo anterior, AASHTO propone la relación de clasificación que
se muestra en la tabla 1 usando como referencia el ensayo de MSCR
Especificación AASHTO por análisis MSCR
Preguntas?
Jorge Escalante Zegarra