Propuesta de Mejora en la Determinación del Grado de Desempeño de los Asfaltos

(PG)

Ing. J. Rafael Menéndez A., Ph.D, P.E.

Fugro Roadware, Inc.

Austin, Texas

Contenido

• Sistema de clasificación por desempeño

• Ecuaciones del SHRP y LTPPBind

• LTPPBind en línea

• Limitaciones del LTPPBind

• Procedimiento propuesto

Introducción

• El Sistema de clasificación de cementos asfálticospor grado de desempeño fue introducido porSUPERPAVE

• Los asfaltos son seleccionados en base al clima enel cual el pavimento se desempeñará.

• El PG especifica la temperatura máxima y la temperatura minima de Servicio del pavimento.

• La temperatura alta se calcula a 20 mm de profundidad y la temperature baja en la superficie.

Introducción• La temperatura en la superficie del pavimento es una

compleja interacción entre el aire, el material, la radiación solar y eventualmente el agua o la nieve que puede estar presente.

Sistema de Clasificaciónpor Desempeño-PG

Clasificación por Desempeño PG

• Se basa en valores de temperatura alta y baja

M 320, PG 64-16 Temperatura alta temperatura baja

• En AASHTO 320 estos valores son corregidos porvolumen y velocidad de tráfico.

• En AASHTO 332 se adiciona una letra a la denominación PG.

M 332, PG 64 S-16

Ecuaciones SHRP y LTPPBind

Ecuaciones SHRP y LTPPBind

• Las primeras ecuaciones fueron desarrolladas porSHRP sobre una base limitada de estacionesmetereológica.

• Posteriormente se corrigen las ecuaciones con la información del Programa de Monitoreo Estacional(SMP).

• La última versiónen línea incorpora conceptosmecanísticos y control de la fallas por deformaciónpara la determinación de la temperatura alta. La ecuación para la temperatura baja se mantiene.

• La ecuaciones de temperature fueron obtenidasinciialmente mediante modelos de balance de energia asumiendo los siguientes parámetros:

• Absortividad=0.90

• Transmisividad a través del aire=0.81

• Radiación atmosférica=0.71

• Velocidad del viento=4.5 m/s

Ecuaciones SHRP y LTPPBind

𝑇𝑝𝑎𝑣 = −1.56 + 0.72 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.004 𝐿𝑎𝑡2 + 6.26 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 4.4 + 0.52 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5

𝑇𝑝𝑎𝑣 = 54.32 + 0.78 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.0025 𝐿𝑎𝑡2 − 15.14 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 9 + 0.61 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5

Ecuaciones SHRP y LTPP

Temperatura del aire Temperatura del pavimento

Grado PG

LTPPBind en líneahttps://infopave.fhwa.dot.gov/

Características del LTPP en línea

LTPPBind en línea proporciona una plataforma para la selección de los cementos asfáticos por el grado de desempeño (PG).

El grado PG del cemento asfáltico es seleccionado enbase a la temperature del pavimento, el ahuellamientomáximo (rodera), nivel deseado de riesgo, volumen y velocidad del tráfico.

Puede emplear la data climática MERRA, LTPP CLM, o datos proporcionados por el usuario.

LTPPBind en Línea

Incorpora la base de datos climática MERRA (Modern Era-Retrospective Analysis for Research and Applications) producida por la NASA

Considera el también el procedimiento indicado en AASHTO M332 que incluye en la clasificación el ensayo de recuperación de fluencia por esfuerzos multiples (MSCR)

Al igual que el LTPPBind 3.1, los cementos asfálticos son selecionados en base a los modelos climáticos, rigidez del asfalto y los conceptos de deformación permanente(roderas).

13

LTPPBind

• Mohseni (2005) plantea un nuevo procedimientode calculo de la temperatura alta basada en el control del valor de las roderas

Mohesi, Carpenter y D’Angelo (2005)

LTPPBind

Mohesi, Carpenter y D’Angelo (2005)

• Las temperturas medidas y calculadas con EICM tienenuna alta correlacion

• Hay una tendencia con cierta dispersion entre el calculocon el promedio de 7 días versus la nueva ecuación

LTPPBind

• El PG temperatura alta tiene un valor consistentecomparado con el SHRP y LTPP version anterior

Mohesi, Carpenter y D’Angelo (2005)

PG Temperatura Baja

8

𝑇𝑝𝑎𝑣 = −1.56 + 0.72 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.004 𝐿𝑎𝑡2 + 6.26 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 4.4 + 0.52 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5

Where: Tpav= temperature del pavimento en la superficie, °C; Tair=temperature del aire, ºC; Lat= latitud; H= profundidad, mm; 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟

2 =desviación estándar; Z= valor z para el

nivel de confiabilidad.

Es la temperatura horaria mas baja en la superficie del pavimento enun periodo de por los menos 20 años

PG Temperatura Alta

18

𝑃𝐺𝐻,𝑑 = 48.2 + 14 𝐷𝐷 − 0.96 𝐷𝐷2 − 2 𝑅𝐷

Donde: PGd = PG al nivel determinado de ahuellamiento; DD = Grados-

día>10 °C (x1000 °C) a 20 años; RD = Profundidad de ahuellamiento

(roderas); CVPG = Coeficiente de Variación annual del PG; Z = 2.055 para 98%

de confiabilidad

𝐶𝑉𝑃𝐺 = 0.000034 𝐿𝑎𝑡 − 20 2 𝑅𝐷2

𝑃𝐺𝐻,𝑟𝑒𝑙 = 𝑃𝐺𝐻,𝑑 + 𝑍 𝑃𝐺𝐻,𝑑𝐶𝑉𝑃𝐺

100

Se calcula en función de los grados-día mayores a 10ºC anualizados

para un periodo de 20 años, el valor máximo de rodera y el

variación anual de la temperatura

Ajuste del PG por profundidad

𝑇𝑝𝑎𝑣 = 54.32 + 0.78 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.0025 𝐿𝑎𝑡2 − 15.14 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 9 + 0.61 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5

Donde: Tpav= Temperatura del AC, Deg. C; Tair =temperature del aire; Lat = latitut; H=Profundidad; 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟

2 =Desviación estandar del promedio de los 7 dias con

mayor temperatura; Z= valor z para el nivel de confiabilidad.

• Se aplica este ajuste cuando se desea calcular la temperatura alta a una profundidad mayor a los 20 mm

• Es utilizado cuando se tiene una construcción por capas con diferente cemento asfáltico por capa

Corrección del PG por TráficoAASHTO M320

20

𝐴𝑑𝑗 = 𝑃𝐺𝑛 − 𝑃𝐺𝑠

Donde: 𝐴𝑑𝑗 = ajuste de PG; 𝑃𝐺𝑛= PG para una determinada velocidad

y carga; 𝑃𝐺𝑠= PG a la carga estandar de 3 M ESAL y velocidad rápida.

Volumen de tráfico(𝐿𝑇 )

Velocidad del tráfico(𝑆𝑇)

Rápida (>70 km/h) Lenta (20-70 km/h)

Up to 3M. ESAL 0.0 2.6

3 to 10 M. ESAL 6.5 8.8

10 to 30 M. ESAL 11.3 13.5

Above 30 M ESAL 13.4 15.5

Denominación por el tipo de tráficoAASHTO M332-14

• El ajuste por tráfico no es requerido.

• Se adiciona al PG una letra en base al tráfico y velocidad:

DenominaciónCarga de tráfico

ESAL (𝐿𝑇 )Condicional

Velocidad de tráfico (km/h) (𝑆𝑇)

Estandar “S” < 10 M Y >70

Alto “H” 10-30 M O 20-70

Muy Alto “V” >30 M O <20

Extremadamentealto “E”

>30 M y <20

LTPPBind en LíneaInformación general del proyecto

https://infopave.fhwa.dot.gov/

Selección de los Datos de Clima

LTPPBind PG Calculator Help?

Go Search

Riaz Ahmad | Sign Out | My LTPP | Data Bucket (6) | Customer Support | Site Map | Contact Us | About

HOME SEARCH MAP DATA ANALYSIS VISUALIZATION TOOLS LIBRARY HELP MY LTPP NON-LTPPTOOLS

: Tools

Start Projects Reports Help

General Project Information

Project Number: PRJ-003Project Title: PG Binder Selection 003Project Description:

Project Location

Project Location

Latitude, Degree:Longitude, Degree:Elevation, m:

Climatic Data

Lowest Yearly Air Temperature, Degree C:Lowest Air Temperature Standard Deviation:Yearly Degree Days > 10 Degree C:

Temperature Adjustments

Base High Temperature PG:Desired Reliability, %:Depth of Layer, mm:

Traffic Adjustments

Traffic Loading, ESAL:Traffic Speed:

Performance Grade

Performance Grade Temperature at 50% Reliability:Performance Grade Temperature at Desired Reliability:Adjustments for Traffic:Adjustments for Depth:Adjusted Performance Grade Temperature:Selected PG Binder Grade:

Latitude, Degree:

Longitude, Degree:

Elevation, m:

NextPrevious

Tools

MEPDG Inputs

Rigid Pavement Design

WIM Cost Analysis

LTPP Dynamic Modulus Prediction

Pavement Performance Forecast

FWD Calibration

LTPP Bind

Distress Identification Manual

Pavement Loading User Guide

LTPP InfoPave Mobile

*

*

Select Location

Select Location

Please select location from the map or type the address in the search bar below:

CancelSelect

Selected Location

Latitude: 32.4709519

Longitude: -100.40593

Address: Nolan, TX 79556, United States

Please select Data Source from the options below:

MERRA Data LTPP CLM DataData Source:

Resultados de los datos de clima

Ahuellamiento (rodera) Admisible

Maximum Allowable Rut depth

Ajuste por Temperatura y profundidad

Ajuste por Tráfico

Resultados del LTPPBind en Línea

PG grading

Limitaciones del LTPPBind

Ecuaciones LTPPBind

• Valores similares entre la version anterior y la nueva version para grados PG de hasta 52.

• Las mayores diferencias estan entre PG 64 y PG 70.

• Estoindica que se obtienen asfaltos mas rígidos que con las expresiones anteriores

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

40 46 52 58 64 70 76

Nu

mb

er

de

se

ccio

ne

s

PG

SHRP PG 98%

Limitaciones del LTPPBind

31

0

1000

2000

3000

4000

5000

-20

0

20

40

1975 1985 1995 2005 2015

Year

ly-d

egre

e d

ays

ove

r 1

0ºC

Tem

per

atu

re (

ºC)

year

Coldest air temperature Yearly high temperature during 7-day period

Yearly degree-days over 10º C

Limitaciones del LTPPBind

40

50

60

70

80

90

100

0 2000 4000 6000 8000 10000Pre

dic

ted

PG

@ R

ut d

ep

th

Degree-Days>10º5.1 mm 6.4 mm 7.6 mm 8.9 mm

10.2 mm 11.4 mm 12.7 mm

extrapolation

• Las ecuaciones han sido desarrolladas para valores de DD menores a 6000.

• Luego de ese valor se presenta una disminución del PG que no corresponde a la realidad.

Limitaciones del LTPPBind

• La expression del coeficiente de variación es válida para latitudes mayores a 20.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

10 20 30 40

PG

Co

effic

ien

t o

f va

ria

bili

ty,

CV

PG

Latitude

5.1 mm 6.4 mm 7.6 mm 8.9 mm10.2 mm 11.4 mm 12.7 mm

extrapolation

ProcedimientoPropuesto

Procedimiento Propuesto

• Se propone una mejora la procedimiento actual del LTPPBind con el calculo directo de las temperaturasbasadas en el modelo climático integrado (EICM)

• El modelo climático es similar al empleado enAASHTOWare® ME Pavement Design software peroincorporando el efecto de la lluvia y la nieve.

• Los datos de clima son extraidos de la base climáticaMERRA

• Se calcula el balance de energia en la superficie del pavimento cada hora y luego se obtiene el perfil de temperatura.

Procedimiento de Análisis

• Información climática horaria para un periodomínimo de 20 años : • Temperatura del aire, • velocidad del viendo, • nubosidad, • porcentaje de radiación solar, • radiación de onda corta de la superficie, • albedo, • emisividad de la superficie, • humedad relativa y • precipitación.

Procedimiento de Análisis

• Calcular el balance de energía y la temperaturasuperficial con el modelo EICM

• Calcular el perfil de temperature en el pavimento

• Seleccionar la temperatura superficial mas baja en20 años

• Obtener la function de densidad de probabilidad(PDF) para la temperatura a 20 mm de profundidad

• Obtener la temperature alta para el nivel de confiabilidad deseado.

Modelo Climático Integrado

𝑄𝑖 − 𝑄𝑟 + 𝑄𝑎 − 𝑄𝑒 ± 𝑄𝑐 ± 𝑄ℎ±𝑄𝑝 ± 𝑄𝑔= 0

𝑄𝑖 = radicación de onda corta

𝑄𝑟 = onda corta reflejada

𝑄𝑎 = radiación onda larga

𝑄𝑒 = onda larga reflejada

𝑄𝑐 = tranferencia de calor

𝑄ℎ = evaporación, condensación

𝑄𝑝 = precipitación

𝑄𝑔 = conducción al pavimento

Base de Datos Climática MERRA

MERRA es un modelo de reanálisis que combina campos de

modelos computarizados y observaciones basadas en satélites

(NASA)

Proporciona una resolución horaria temporal y una resolución

espacial de 0,5 grados por 0,67 grados (latitud / longitud) desde

1979 hasta el presente.

39

Resultados

Balance de Energía Superficie del Pavimento

• Se calcula el balance energético en la superficie del pavimento

-20.0

0.0

20.0

40.0

-750.0

250.0

1250.0

12:00 AM 12:00 PM 12:00 AM 12:00 PM 12:00 AM

radiacion solar directa radicación atmosférica

energía radiación superf. energía de conducción

Temperatura en el Pavimento

• Por diferencias finitas se puede calcular el perfil de temperatura en la estructura del pavimento

-20

-10

0

10

20

30

40

50

10/18 10/19 10/20 10/21 10/22 10/23

Te

mp

era

tura

ºC

Día

Tº aire Tº superf. Tº 20 mm

0

20

40

60

80

100

-20.0 0.0 20.0 40.0

Pro

fundid

ad (

cm

)

Temperatura en ºC

11/9/15 12:00 AM11/9/15 4:00 AM

Temperatura Mínima and Máxima

• Luego de calcular el perfil de temperatura en el pavimento se puede conocer la frecuencia de temperaturas altas y bajas

0%

10%

20%

30%

40%

10 15 20 25 30 35 40

fre

cu

en

cia

Tmax 0 mm Tmax 20 mm

0%

10%

20%

30%

40%

50%

-12.5 -7.5 -2.5 2.5 7.5 12.5

fre

cu

en

cia

Tmin 0 mm Tmin 20 mm

Frecuencia de Resultados

• El CDF se obtiene para el period de 20 años.

• A partir del CDF the high temperature se obtiene el PG a la confiabilidad deseada.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60

CD

F

Fre

quency

Pavement highest daily temperature at 20mm depth

Conclusiones

• Las ecuaciones originales de SHRP fueron cambiadas porque para el Sur de los Estados Unidos no fueron adecuadas porque.

• El promedio de temperatura de 7 días no tiene en cuenta la longitud extendida de calor.

• Los resultados de LTPPBind no son correctos cuando DD es mayor a 6000 y la latitud menor a 20.

• Se propone una mejora del cálculo del PG de temperatura alta y baja basado en la base de datos MERRA y el modelo climático integrado

Conclusiones

• Al contar con el perfil completo de temperatura del pavimento se puede obtener el PG de varias capas

• La información climática disponible en MERRA permite la aplicación completa del modelo EICM

• La temperatura alta se obtiene de la curva de probabilidades acumuladas al nivel de confiabilidad deseado.

• Se puede complementar la determinación de la temperatura alta con la verificación mecanística de desempeño en caso de contar con modelos calibrados.

Rafael Menendez

jmenendez@fugro.com