METODOLOGÍA SUPERPAVE PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS

ASFÁLTICAS

 

Los métodos y especificaciones utilizadas actualmente en nuestro país para el desarrollo de mezclas asfálticas en caliente, si bien son las que se están empleando en la mayoría de los países de Latinoamérica, y aun cuando en general cumplen su función adecuadamente, tienen una serie de limitaciones las cuales no nos permiten predecir con la precisión suficiente el comportamiento del pavimento durante su período de servicio.

INTRODUCCIÓN

HISTORIA DEL SUPERPAVE

Es por esto que Estados Unidos, que antes utilizaba sistemas similares al nuestro, financió una investigación realizada a través del Programa Estratégico de Investigación en Carreteras SHRP (Strategic Highway Research Program), efectuada entre 1987 y 1993 con un costo aproximado de USD 50.000.000, la cual tuvo como principal fin establecer un nuevo sistema que ayudara a predecir mejor el desempeño de los pavimentos a lo largo de su vida útil.

El resultado final del SHRP fue el desarrollo de SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavements), que representa un sistema mejorado para el diseño de mezclas asfálticas en caliente.

un sistema que incluye nuevas especificaciones para los materiales (asfaltos y agregados), como así también nuevos ensayes de laboratorio y un renovado método de diseño para las mezclas asfálticas en caliente.

CONSIDERACIONES GENERALES

Para el caso de los asfaltos, SUPERPAVE establece nuevos ensayes orientados a medir las propiedades reológicas de éstos y de relacionarlas con el desempeño que tienen frente a los tres tipos de fallas más clásicas que ocurren en los pavimentos durante su vida útil

- Ahuellamiento.

- Agrietamiento por fatiga.- Agrietamiento térmico.

Además, SUPERPAVE define para los cementos asfálticos tradicionales una nueva clasificación por Grado de Desempeño, también denominada Clasificación PG (Performing Grading).

- Estimacion adecuada de cargas (ESALs).

SUPERPAVE recomienda la utilización de los resultados de AASHO Road test, para la estimación apropiada de las cargas a las que estará expuesto un pavimento debidas a los niveles de tráfico esperados

El sistema SUPERPAVE entrega:

· Nuevas especificaciones para asfaltos.· Nuevas especificaciones para agregados.· Nuevos métodos de diseño de mezclas asfálticas.· Nuevos modelos de predicción del comportamiento.

SISTEMA SUPERPAVE. El método SUPERPAVE está compuesto por tres niveles. Debido a que el análisis y el diseño de una mezcla en el sistema SUPERPAVE son complejos, la extensión del uso de esta metodología (según los investigadores del SHRP) depende del nivel de tránsito y de la función de la mezcla en el pavimento. Niveles de Análisis Método SUPERPAVE

PRIMER NIVEL

Este nivel requiere el diseño volumétrico, el cual involucra los siguientes aspectos:

· Selección del tipo de asfalto· Selección de las propiedades de los agregados· Preparación de especímenes de ensayo· Selección del contenido de asfalto.

Esta actividad se basa en la estimación de las propiedades volumétricas de la mezcla: contenido de vacíos de la mezcla (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA) y vacíos llenos de asfalto (VFA).

 NIVEL INTERMEDIO

 Este nivel utiliza como punto inicial el análisis volumétrico del nivel anterior. Los ensayos establecidos para el nivel intermedio de análisis son:· Ensayo de corte (SST, SUPERPAVE shear test)· Ensayo de tensión indirecta (IDT, indirect tensile test)Utilizando equipos IDT y SST, son realizados varios ensayos para lograr de esta manera una serie de predicciones del comportamiento de la mezcla.

NIVEL AVANZADOIncluye la totalidad de los pasos realizados en los niveles anteriores, pero se realizan pruebas adicionales IDT y SST, a una amplia gama de temperaturas. Un completo análisis de la mezcla utiliza especímenes confinados SST y ofrece un mayor y más confiable nivel de predicción del comportamiento de la misma.

ESTUDIO Y SELECCIÓN DE LOS MATERIALES

Las especificaciones SUPERPAVE se enfocan en simular por medio de ensayos de laboratorio los 3 estados críticos a los cuales se ve expuesto el asfalto durante su vida útil:

· Primer estado: asfalto original, estado que se da durante el transporte, almacenamiento y manejo del ligante asfáltico

· Segundo estado: envejecimiento producido luego de la fabricación y colocación de la mezcla asfáltica

· Tercer estado: envejecimiento de la mezcla asfáltica cuando ha permanecido en servicio por un largo período

Para simular el segundo estado, el endurecimiento producto de la oxidación que ocurre durante el mezclado y colocación de la mezcla, se utiliza el horno rotatorio de película delgada RTFOT (rolling thin film oven test).

Posteriormente, mediante el ensayo PAV (pressure aging vessel) se oxida aceleradamente la mezcla, simulando el tercer estado (envejecimiento severo que sufre la mezcla después de haber estado en servicio por muchos años).

Las propiedades físicas de los asfaltos en el sistema SUPERPAVE son medidas sobre los asfaltos envejecidos en el laboratorio, simulando así las condiciones reales de operación del pavimento.

Algoritmo de diseño SUPERPAVE

Tabla 3.1: Equipos para determinar Propiedades Físicas del Asfalto

SELECCIÓN DEL GRADO ASFÁLTICO Una parte importante del primer nivel de diseño SUPERPAVE son las nuevas especificaciones para la selección de los ligantes asfálticos, definidas por su grado de comportamiento PG (Performance Grade).La nueva nomenclatura que define el grado de comportamiento de los asfaltos:

PG XX-YY, donde:· PG = Performance Grade· XX = Temperatura Máxima (temperatura máxima a la cual el asfalto debe mantener sus propiedades durante el servicio)· YY = Temperatura Mínima (temperatura mínima a la cual el asfalto debe mantener sus propiedades durante el servicio)

Tabla 3.2: Rangos para el grado PG

Deben ser utilizadas bases de datos de estaciones climáticas, con registros de temperatura ambiente por más de 20 años (como mínimo). Para cada año deben ser determinados:· El promedio de las temperaturas máximas de los 7 días consecutivos más calurosos del año (temperatura del aire)· La temperatura mínima del día más frío del año (temperatura del aire)

Mezcla AsfálticaDos características claves del método de diseño SUPERPAVE son:· El acondicionamiento de la mezcla· La compactación efectuada en laboratorioLas mezclas asfálticas que son utilizadas para fabricar briquetas, son acondicionadas durante 2 horas dentro de un horno a la temperatura de compactación (las temperaturas de mezclado y compactación se determinan igual que en el método de diseño tradicional, en función de la viscosidad del asfalto). Ello permite simular el envejecimiento de “corto plazo” que se produce durante el almacenamiento y transporte de la mezcla asfáltica, dando tiempo además al agregado para absorber el asfalto.

EQUIPOS Y ENSAYOS DE LABORATORIO

Para simular las condiciones de envejecimiento en un pavimento real los asfaltos son envejecidos en laboratorio empleando el horno de película delgada rotativa (RTFO) que simula el endurecimiento por oxidación que ocurre durante el proceso de mezclado en caliente y la colocación y un equipo de envejecimiento a presión (PAV) se utiliza en el laboratorio para simular el severo envejecimiento que sufre el asfalto después de varios años de servicio en un pavimento. La medición de las propiedades físicas del asfalto son realizadas antes y después de ser someter las muestras a este proceso utilizando los siguientes dispositivos.

Reometro de corte dinámico (DSR = Dynamic Shear Rheometer)Que se emplea para caracterizar las propiedades visco- elastico del asfalto. Mide el modulo complejo en corte (G*) y el Angulo de fase (delta), sometiendo a la muestra de asfalto a tensiones de corte oscilante.

Viscosimetro rotacional (RV = Rotational Viscometer)caracteriza el modulo de rigidez del asfalto a 135 °C, temperatura a la cual actua casi enteramente como un fluido. Consiste en un cilindro coaxial rotacional, que mide la viscosidad por medio del torque requerido para rotar un eje, sumergido en una muestra de asfalto caliente, a una velocidad constante.

El reómetro de flexión (BBR = Bending Beam Rheometer)Se usa para caracterizar las propiedades del modulo de rigidez del asfalto a bajas temperaturas, que es cuando el asfalto se comporta como un solido elástico.El ensayo consiste en someter a una probeta en forma de viga a una carga constante midiendo la deformación en el centro de la viga durante el tiempo que dura el ensayo. La carga simula las acciones térmicas que gradualmente se forman en el pavimento cuando descienden las temperaturas determinando la temperatura mínima a la cual el asfalto puede ser utilizado.

Ensayo de tracción directa (DDT = Direct Tension Test)Mide la deformación especifica de falla en tracción sobre una muestra en forma de viga de 50.8 x 50.8 x 254 mm que es estirada a bajas temperaturas hasta que se corta. Este ensayo permite conocer la máxima resistencia del asfalto al fisuramiento para una baja temperatura. El SUPERPAVE emplea modelos de predicción del comportamiento cuyos datos de entrada son los resultados de dos procedimientos de ensayo: El ensayo de corte Superpave (SST = Superpave Shear Tester) y el Ensayo de Traccion Indirecta (IDT =Indirect Tensile Tester).

Diseño SUPERPAVE: Etapa de PruebaSe deben preparar distintas mezclas de prueba (utilizando diferentes mezclas de agregados) a las cuales, luego de efectuada la compactación, se les determinan los parámetros volumétricos (porcentaje de asfalto Pb, porcentaje de vacíos Va, vacíos del agregado mineral VMA y vacíos llenos con asfalto VFA).La premisa central del diseño volumétrico SUPERPAVE es que las muestras de prueba deben contener la cantidad adecuada de cemento asfáltico, tal que se alcance exactamente un 96% de compactación respecto a la DMM (es decir, 4% de vacíos para NDIS).

Diseño SUPERPAVE: Diseño Definitivo

Seleccionada la estructura de agregados de diseño, deben ser preparados los siguientes especímenes: 2 con Pb ESTIMADO2 con Pb ESTIMADO + 0.5%2 con Pb ESTIMADO - 0.5%2 con Pb ESTIMADO + 1.0%2 especímenes sueltos con Pb ESTIMADO (para determinar densidad máxima)