ANÁLISIS DE VARIANZA DEL EFECTO

8/4/2019 ANLISIS DE VARIANZA DEL EFECTO

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SECRETARA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTESINSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Publicacin Tcnica No 272Sanfandila, Qro, 2005

Anlisis de varianza del efecto dealgunos factores que influyen en la

deformacin permanente demezclas asflticas


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Este trabajo fue realizado por el Jefe de la Divisin de Laboratorios, Dr Paul GarnicaAnguas y los investigadores M en I Horacio Delgado Alamilla de la Coordinacin deInfraestructura del Instituto Mexicano del Transporte, y Carlos Sandoval Sandovaltesista de la Universidad Autnoma de Chihuahua.

Se agradece la participacin del tcnico Mario Antonio Prez Gonzlez y del tesista

Adalberto Rogelio Hernndez Ortiz, por su colaboracin en los ensayes delaboratorio.


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I

ndice

Resumen III

Abstract V

Resumen ejecutivo VII

1 Desempeo de la carpeta asfltica en el pavimento flexible 11.1 Comportamiento del ligante asfltico 11.2 Comportamiento del agregado mineral 3

1.3 Comportamiento de la mezcla asfltica 51.3.1 Agrietamiento por baja temperatura 51.3.2 Agrietamiento por fatiga 61.3.3 Deformacin permanente 8

2 Deformacin permanente en la mezcla asfltica 92.1 Tipos de deformacin permanente 9

2.1.1 Deformacin permanente en las capas subyacentes 92.1.2 Deformacin permanente en las mezclas asflticas 8

2.2 Comportamiento reolgico de la mezcla asfltica 112.3 Respuesta de la mezcla asfltica a los esfuerzos de corte 12

2.4 Mecanismo de la deformacin permanente 132.5 Factores que influyen en la deformacin permanente 152.5.1 Agregado ptreo 15

2.5.1.1 Granulometra 152.5.1.2 Textura y angularidad 152.5.1.3 Tamao mximo de la mezcla de agregados 17

2.5.2 Ligante asfltico 172.5.3 Aspectos de la mezcla asfltica 18

2.5.3.1 Metodologa de diseo 182.5.3.2 Contenido de asfalto 182.5.3.3 Vacos de aire 18

2.5.3.4 Vacos en el Agregado Mineral (VAM) 192.5.3.5 Energa de compactacin en laboratorio 192.5.3.6 Energa de compactacin en campo 19

2.5.4 Temperatura 202.5.5 Trnsito 21

2.6 Relacin entre la deformacin permanente y la prctica de diseo depavimentos 22

2.7 Estimacin de la profundidad de rodera 232.7.1 Anlisis elstico 232.7.2 Anlisis viscoelstico 242.7.3 Comparacin entre la metodologa elstica y viscoelstica 24


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Anlisis de varianza del efecto de algunos factores que influyen en la deformacin permanente demezclas asflticas

II

3 Evolucin de las ruedas cargadas 273.1 Dispositivos de ruedas cargadas 27

3.1.1 Rueda cargada de Hamburgo 273.1.2 Rueda cargada LCPC 283.1.3 Evaluador de pavimentos de la universidad de Nottingham 293.1.4 Rueda cargada de Georgia 303.1.5 Analizador de pavimentos asflticos (APA) 31

3.2 Factores que afectan el resultado de los ensayos 333.2.1 Porcentaje de vacos 333.2.2 Temperatura 333.2.3 Elaboracin de las probetas de ensaye 333.2.4 Magnitud de la carga aplicada 343.2.5 Tamao mximo del agregado 34

3.3 Experiencia en uso de ruedas cargadas 344 Descripcin del experimento 37

4.1 Seleccin de los materiales 374.1.1 Agregado mineral 37

4.1.1.1 Dosificacin de la mezcla de agregados 374.1.1.2 Granulometra 38

4.1.2 Ligante asfltico 394.1.2.1 Viscosmetro Rotacional (RV) 394.1.2.2 Remetro de corte dinmico (DSR) 40

4.2 Caractersticas de la mezcla asfltica 42

4.2.1 Porcentaje de asfalto y niveles de compactacin 424.2.2 Elaboracin de la mezcla asfltica 434.2.3 Compactacin 44

4.3 Ensayos fundamentales a la mezcla asfltica 464.3.1 Gravedad especfica neta de la mezcla compactada (Gmb) 464.3.2 Gravedad especfica terica mxima (Gmm) 48

4.4 Susceptibilidad a la deformacin permanente en el APA 49

5 Anlisis de resultados 535.1 Anlisis estadstico 53

5.1.1 Anlisis de varianza 53

5.1.2 Anlisis de residuales 545.2 Deformacin permanente 555.3 Esfuerzos de corte 61

Conclusiones 67

Bibliografa 69


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III

Resumen

Se estudia el efecto que presentan las caractersticas de la mezcla asflticacompactada con la metodologa Superpave, en la respuesta a ensayos mecnicosrealizados en laboratorio. Aspectos como el nivel de compactacin, volumen deasfalto, y modificacin del ligante asfltico se intercambiaron durante laexperimentacin a fin de conocer la influencia de estos, en el desempeo de lamezcla. Se evala la susceptibilidad de la mezcla asfltica a la deformacinpermanente mediante el Analizador de Pavimentos Asflticos (APA). Adems seestudia el efecto del ligante asfltico, y la mezcla de agregados en las medicionesde los esfuerzos de corte durante la compactacin giratoria.


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V

Abstract

This work study the effect of the compacted hot mix asphalt characteristic bymeans of the response of mechanical laboratory tests using the Superpave methodas hot mix asphalt design method. Aspects as compaction level, asphalt contentand asphalt binder modification were interchanged during the experiment with thepurpose of knowing their influence in the hot mix asphalt performance. It evaluatesthe hot mix asphalt rut susceptibility by means of the Asphalt Pavement Analyzer(APA). Furthermore it studies both the asphalt binder and aggregate blend effectand shear stress measured during the gyratory compaction.


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VII

Resumen ejecutivo

El incremento en el volumen del trnsito y de las cargas impuestas por ste, exigemezclas cada vez ms durables y con mejor desempeo, por lo que actividadescomo el diseo, fabricacin y colocacin de la mezcla asfltica deben llevarse acabo al ms alto nivel, optimizando los recursos disponibles. A menudo, la prcticaactual del diseo de mezclas asflticas slo se limita a determinar el contenido deasfalto en la mezcla. Sin embargo, a este hecho le debe preceder una serie deanlisis en donde se tomen en cuenta todas las variables que van influirdirectamente en su comportamiento.

El propsito principal de esta investigacin es realizar un anlisis de las variables

de mayor influencia en la deformacin permanente de la carpeta asfltica, siendoeste criterio de desempeo uno de los ms importantes en el diseo de unpavimento, y ms an en Mxico debido a la temperatura, clima y condiciones detrnsito tan adversas que existen en el pas

El capitulo uno se destina a describir aquellas fallas en la carpeta asfltica quems ataen al ingeniero de pavimentos, y se comenta en qu medida contribuyenlos materiales, de manera individual y en conjunto, en el desarrollo de este tipo dedeterioros.

En el presente trabajo se pone especial nfasis en el tema de la deformacinpermanente en la carpeta asfltica, visto como una problemtica funcional y deseguridad para el usuario, por lo que se dedica un capitulo en especial donde setratan aspectos relacionados con la importancia de poseer caractersticasreolgicas adecuadas en la mezcla asfltica, a fin de evitar la acumulacin dedeformaciones plsticas en la superficie de rodamiento. Se abordan tambin losprincipales factores que propician la formacin de roderas en el pavimento, y sedan algunas recomendaciones a nivel de diseo, con el propsito de mitigar esteproblema del que tanto adolecen los pavimentos asflticos de nuestrainfraestructura carretera.

En el tercer captulo se toca el tema de la evaluacin de la deformacin de lamezcla asfltica en laboratorio, mediante ensayes de simulacin como los que se

llevan acabo con dispositivos de ruedas cargadas (wheel tracking testers). Sedescriben los principales dispositivos de ruedas cargadas de mayor en uso en elmundo, y se destacan algunas experiencias en el uso de estos equipos enactividades de control de calidad de la mezcla asfltica.

El captulo 4 incluye los pasos que se realizaron para el experimento,mencionando las diferentes pruebas de los materiales utilizados (agregado mineraly asfalto), as como las consideraciones relativas para seleccionar lagranulometra adecuada para los dos mtodos; en forma conjunta se describen loscriterios establecidos para el diseo y compactacin de las probetas.


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VIII

Se hace una breve descripcin de las pruebas mecnicas utilizadas, y sepresentan figuras de la instrumentacin de las mismas.

Se llev a cabo una evaluacin de la susceptibilidad a la deformacin permanentede la mezcla asfltica compactada en el Analizador de Pavimentos Asflticos(APA), el cual es un dispositivo de rueda cargada que se ha utilizado por algunaagencias de transporte en los Estados Unidos para adoptar criterios de aceptaciny rechazo en actividades del control de calidad, as como prueba complementariaen el diseo de mezclas asflticas.

En el ltimo captulo se muestran los resultados de la investigacin, divididos endos partes: una que presenta la susceptibilidad a la deformacin evaluada enlaboratorio, y otra que analiza los esfuerzos de corte que se producen dura nte ladensificacin de la mezcla en el compactador giratorio; para la realizacin de estos

anlisis se utilizaron diferentes herramientas estadsticas como son el anlisis devarianza y diseo de experimentos, al igual se presentan diferentes mapas decontorno, las cuales tienen como fin presentar de manera grfica la influencia dediferentes variables.


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1 Desempeo de la carpeta asfltica en el

pavimento flexibleEl concreto asfltico, o HMA (Hot Mix Asphalt), es un material de pavimentacinconstituido por un ligante asfltico y agregado mineral. El ligante puede ser uncemento asfltico o un cemento asfltico modificado, que acta como un agenteligante que aglutina las partculas en una masa cohesiva. El agregado mineral omaterial ptreo con ciertas caractersticas de resistencia, durabilidad ygraduacin, al ser ligado por el material asfltico acta como una estructuraptrea que aporta resistencia y rigidez a la mezcla. Al incluir, tanto liganteasfltico como material ptreo al concreto asfltico, su comportamiento se afectapor las propiedades individuales de cada componente, y por la interrelacin de

estos dentro del sistema.

1.1 Comportamiento del ligante asflticoLa ms importante caracterstica del ligante asfltico, muchas veces una ventaja,y a veces una desventaja, es su susceptibilidad trmica. Otro aspecto que influyede manera determinante en el comportamiento del ligante es el tiempo deaplicacin de la carga. Como el comportamiento del cemento asfltico esdependiente de la temperatura y de la duracin del tiempo de aplicacin de lacarga (Figura 1.1), ambos factores pueden intercambiarse. Es decir, una bajavelocidad de carga puede simularse con temperaturas elevadas, y una altavelocidad de carga puede simularse con bajas temperaturas. Por ello, losensayos de caracterizacin de los cementos asflticos deben especificar latemperatura y la velocidad de aplicacin de carga, para que los resultados delensayo sean efectivamente interpretados.

Figura 1.1Dependencia tiempo-temperatura del cemento asfltico

1 hora

1 hora 10 horas


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Anlisis de varianza del efecto de algunos factores que influyen en la deformacin permanentede mezclas asflticas

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El cemento asfltico es un material visco-elstico por que exhibesimultneamente caractersticas viscosas. A altas temperaturas (mayor a100oC), el cemento asfltico acta casi como fluido viscoso, y a muy bajatemperatura (menor a 0oC) se comporta como un slido elstico. A unatemperatura intermedia, que es la condicin prevista en el pavimento, el cementoasfltico tiene caractersticas de ambos estados, un fluido viscoso y un slidoelstico (Figura 1.2).

Al estar compuesto de molculas orgnicas, el cemento asfltico reacciona conel oxigeno del medio ambiente. Esta reaccin se denomina oxidacin, y cambiala composicin y la estructura de las molculas de asfalto, haciendo ms dura yfrgil la estructura del asfalto dando origen al endurecimiento porenvejecimiento. La oxidacin se produce ms rpidamente a altastemperaturas; es por ello que parte del endurecimiento ocurre durante el procesode produccin, cuando es necesario calentar la mezcla asfltica para permitir laelaboracin, mezclado y compactacin.

Este es tambin el motivo por el cual la oxidacin es ms crtica en cementos

asflticos utilizados en pavimentos en climas clidos y desrticos. Los ligantesasflticos modificados son productos concebidos para superar las propiedadesdel asfalto original, mejorando el desempeo de la carpeta asfltica a largoplazo.

Si bien los modificadores pueden afectar muchas propiedades; la mayora deellos intenta reducir la dependencia con la temperatura, el endurecimiento poroxidacin del cemento asfltico, y la susceptibilidad a la humedad de la mezcla.

Figura 1.2Comportamiento visco-elstico del asfalto

Temperatura ( C)

Slidoelstico

Fluidoviscoso

Elstico

Viscoso

1356025-30

Respuestaalacarga


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1 Desempeo de la carpeta asfltica en el pavimento flexible

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1.2 Comportamiento del agregado mineral

Los materiales ptreos empleados para la elaboracin de concreto asflticopueden o no tener algn tipo de tratamiento previo a su utilizacin. La aplicacinde tratamientos al agregado mineral, tienen como objeto mejorar ciertascaractersticas de la mezcla asfltica; estos tratamientos pueden ser el lavadodel agregado, el cribado o la trituracin parcial o total.

Independientemente de la fuente (mtodos de procesamiento u origenmineralgico) se espera que el agregado provea un resistente y durableesqueleto ptreo para tolerar las repetidas aplicaciones de carga. Agregados detextura rugosa, de buena cubicidad, dan ms resistencia que los redondeados.Aunque una pieza de agregado redondeado podra poseer la misma resistenciainterna de una pieza angular, las partculas angulares tienden a cerrarse msapretadamente, resultando una fuerte trabazn de las partculas, a diferencia delo que ocurre con las partculas redondeadas, ya que tienden a deslizarse unassobre otras (Figura 1.3).

Cuando una masa de agregados es cargada (Figura 1.4), puede generarsedentro de la masa un plano por el que las partculas sean deslizadas o cizalladasunas respecto a otras, lo cual resulta en una deformacin permanente de lamasa. Es en este plano, donde las tensiones de corte exceden a la resistencia alcorte de la masa de agregados. La resistencia al corte del agregado ptreo es decrtica importancia en el desempeo de una carpeta asfltica, ya que provee engran medida la resistencia a la deformacin permanente de la mezc la.

Agregado cbico Agregado redondeado

Figura 1.3Estructura ptrea de la mezcla

Antes de la carga Despus de la carga

Figura 1.4Comportamiento del agregado a la carga de corte

Plano de corte


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El comportamiento a la resistencia al corte de los agregados con superficiesfracturadas y de los agregados lisos se puede observar fcilmente en las pilasde acopio, en cuales los agregados triturados forman pilas ms empinadas yestables que los redondeados (Figura 1.5). Los ngulos de reposo son mayoresen los materiales con caras fracturadas.

De acuerdo con la teora de Mohr-Coulomb, la resistencia al corte de una mezclade agregados depende de: cun unidas estn las partculas del agregado ( eltrmino usual es cohesin), la tensin normal a que estn sometidos losagregados, y la friccin interna de los agregados.

Una masa de agregados tiene relativamente baja cohesin. As, la resistencia alcorte depende principalmente de la oposicin al movimiento que ofrecen losagregados. Adems, cuando es cargada, la masa de agregados tiende a serms fuerte porque la tensin resultante tiende a unir a los agregados msestrechamente entre s, lo que ocasiona que la resistencia al corte en la masa deagregados aumente.

El ngulo de friccin interna indica la capacidad del agregado para entrelazarsey as crear una masa de agregados casi tan fuerte como las partculasindividuales.

Para asegurar una mezcla de materiales resistente a emplear en la elaboracinde un concreto asfltico, se deben especificar propiedades del agregado quemejoren la friccin interna de la mezcla de agregados; esto se logranormalmente recurriendo a porcentajes de caras fracturadas en el materialgrueso que integra la mezcla.

>

Agregado con caras fracturadas Agregado redondeado

Figura 1.5Comportamiento de los agregados en las pilas de acopio


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1.3 Comportamiento de la mezcla asflticaEl comportamiento de la mezcla asfltica se explica mejor considerando que el

cemento asfltico y el agregado mineral actan como un sistema. Para unamayor compresin del comportamiento de una mezcla asfltica, es necesarioidentificar los tipos bsicos de deterioros que el ingeniero trata de evitar: lafisuracin por baja temperatura, la fisuracin por fatiga, y la deformacinpermanente (roderas).

1.3.1 Agrietamiento por baja temperaturaEste tipo de deterioro se caracteriza por la aparicin de fisuras transversales quese producen con un espaciamiento notablemente uniforme. La fisuracinperpendicular al eje del camino, por lo general no se asocia a las cargas del

trnsito. Cuando la carpeta se encuentra sobre una losa de concreto asfltico, elfenmeno puede atribuirse a la reflexin de las grietas que existen en la losa.

La carpeta se contrae debido a las bajas temperaturas, originando esfuerzos detensin dentro de la capa; en algn lugar a lo largo de la carpeta se excede laresistencia a la traccin, y la capa asfltica se fisura.

El ligante asfltico juega un papel importante en la fisuracin por bajatemperatura. Las mezclas asflticas elaboradas con un cemento asfltico denaturaleza dura o propensa a la oxidacin, ser n ms susceptibles a presentareste tipo de deterioro. Se ha visto que el empleo de ligantes blandos yresistentes al envejecimiento, reducen notablemente la fisuracin por bajatemperatura; tambin es importante lograr mezclas asflticas impermeables conun contenido de vacos de aire adecuado, con el propsito de que el cementoasfltico que constituye la mezcla no resulte excesivamente oxidado.

Figura 1.6Agrietamiento por baja temepratura


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1.3.2 Agrietamiento por fatigaLa fisuracin por fatiga es un deterioro que con frecuencia se produce en la

huella donde las cargas pesadas se aplican. La aparicin de fisuraslongitudinales intermitentes a lo largo de la huella son un signo prematuro de lafisuracin por fatiga; en algn momento estas fisuras iniciales se unirn conotras, causando un estado intermedio de la fisuracin por fatiga dando lugar a loque se conoce como piel de cocodrilo. Un estado de severidad ms avanzadode la fatiga, resulta con la dislocacin y desprendimiento de bloques de carpetaasfltica, bajo la accin del trnsito, con llevando a la formacin de baches en lasuperficie de rodamiento.

Una mezcla asfltica muy rgida tiende a oponer baja resistencia a la fatigacuando la estructura del pavimento permite deflectar a la carpeta asfltica.

Materiales muy rgidos, altas deflexiones y altos niveles de tensiones conducen avidas tiles, reducidas por la fatiga.

El mecanismo de fatiga no puede enfocarse como un problema de los materialesexclusivamente, ya que este mecanismo se produce generalmente por unnmero de factores que deben generarse simultneamente; obviamente unfactor trascendental son las cargas pesadas repetidas en el pavimento.

La estructura del pavimento juega un rol central en este tipo de deterioro, ya queuna subrasante con un drenaje pobre, resulta en pavimentos blandos con altasdeflexiones, pobres diseos y/o deficiente construccin de las capas delpavimento; as como espesores de pavimento muy delgados y rgidos, sontambin propensos a sufrir altas deflexiones.

En otros casos, la fisuracin por fatiga es slo un signo de que un pavimento haalcanzado el nmero de cargas para el cual fue diseado; esto no sera

Figura 1.7Agrietamiento por fatiga


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necesariamente una falla, sino la progresin natural de una estrategia de diseodel pavimento.

A continuacin se enuncian algunas medidas a tomar para evitar la fisuracinpor fatiga:

Estimacin adecuada del nmero de ejes equivalentes en la etapa dediseo

Mantener por todos los medios posibles seca la subrasante

Pavimentos con espesores adecuados de tal forma que no permitangrandes deflexiones en la estructura

Utilizar materiales que no sean excesivamente dbiles ante la presenciade humedad

Emplear materiales en el pavimento lo suficientemente resilientes pararesistir deflexiones normales

En el momento de la aplicacin de la carga, se producen tensiones de traccinhorizontales cerca del fondo de la carpeta asfltica; el material en esa zona debeser lo suficientemente resistente para soportar estas tensiones, ya que es ahdonde se presentan las mayores concentraciones e inicia la fisuracin en casode sobrepasarse la resistencia a la traccin de la carpeta. No obstante, parasuperar el fisuramiento por fatiga, dicho material debe ser tambin resiliente. Eneste contexto, resiliente significa que el material puede resistir, sin fisurarse,muchas cargas a niveles de tensin mucho menores que la resistencia atraccin.

T e n s i n d e t r a c c i n

C a r p e t a A s f l t i c a

Figura 1.8Tensiones de traccin en la arte inferior de la car eta asfltica


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Desde el punto de vista de la fisuracin por fatiga, es deseable que la carpeta secomporte como un material elstico blando; para lograr lo anterior, y dado que elcomportamiento a la traccin de la mezcla asfltica est fuertemente influido porel ligante asfltico, se deben seleccionar cementos asflticos cuyos lmitessuperiores se ubiquen en la parte elstica en lo que se refiere a sus propiedadesde rigidez.

1.3.3 RoderasLas roderas son deformaciones plsticas en la superficie de rodamiento de unpavimento asfltico, que se presentan a lo largo de la zona de mayor incidenciade los neumticos de vehculos pesados. Usualmente aparece como unadepresin longitudinal con ligero levantamiento lateral del material asfltico.

En el siguiente captulo se abunda en el tema de las deformaciones plsticas enlas mezclas asflticas, a fin de dar a conocer las causas de este tipo dedeterioro, as como algunas medidas para mitigar el problema de funcionalidad yseguridad de los pavimentos flexibles.

Figura 1.9Formacin de roderas en la superficie de rodamiento


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2 Deformacin permanente en las mezclas

asflticasLa aparicin de roderas en la superficie de rodamiento, aparte de afectar lafuncionalidad del pavimento representa un problema serio para quienes transitanpor la va, ya que la acumulacin de agua dentro de estas depresioneslongitudinales suele causar el deslizamiento de las ruedas de los vehculos. Espor esto que se deben establecer lmites permisibles de profundidad de roderaen funcin de las consideraciones de seguridad. La Administracin Federal deCarreteras de los Estados Unidos (FHWA) clasifica las roderas en cuatro gradosde severidad:

1 Hidroplaneo ( 0.5 a 0.7 cm)2 Baja (0.7 a 1.25 cm)

3 Media (1.25 a 2.5 cm)

4 Alta (mayor a 2.5 cm)

Sin embargo, para muchos investigadores el nico estndar razonable es aquelque se asocia al hidroplaneo. Pavimentos con pendientes transversales delorden del 2 % y profundidades de rodera de aproximadamente 1.25 cm, soncondiciones que se consideran suficientes para causar el hidropalaneo de un

automvil que viaje a una velocidad de 80 km/h o ms. A medida que incrementala profundidad de la rodera, resulta difcil mantener la direccin del vehculo aaltas velocidades, lo que se convierte en un gran problema de seguridad para elusuario.

2.1 Tipos de deformacin permanenteLa deformacin permanente en pavimentos flexibles equivale a la acumulacinde pequeas deformaciones generadas con cada aplicacin de carga. Estadeformacin es irrecuperable.

La aparicin de roderas en un pavimento flexible se debe principalmente a doscausas: deformacin permanente en las capas subyacentes, y/o deformacinpermanente en la carpeta asfltica.

2.1.1 Deformacin permanente en las capassubyacentes

La deformacin se produce por la aplicacin repetida de carga a la subrasante,la sub-base, o la base por debajo de la carpeta asfltica (figura 3.1), y aunque elempleo de materiales ms rgidos reduce parcialmente este tipo de deformacin,


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el fenmeno normalmente se considera ms como un problema estructural demateriales.

Frecuentemente es el resultado de una seccin de pavimento demasiadodelgada, y sin la suficiente profundidad para reducir a niveles tolerables latensin sobre la subrasante cuando las cargas se aplican. Podra ser tambinproducto de una subrasante debilitada por el ingreso inesperado de humedad.

2.1.2 Deformacin permanente en mezclas asflticasCuando una mezcla asfltica presenta roderas, es evidente que su resistencia alcorte es demasiado baja para resistir las cargas pesadas repetidas a las queest sujeta (Figura 2.2). La deformacin por corte se caracteriza por unmovimiento de la mezcla hacia abajo y lateralmente. Las superficies derodamiento que presentan este tipo de problema representan un peligro para elusuario, ya que los surcos que se forman retienen suficiente agua como paraprovocar hidroplaneo o acumulacin de hielo.

Perfiloriginal

Capa subyacente dbil

Figura 2.1Deformacin permanente debido a una capa subyacente dbil

Carpeta asfltica

Figura 2.2Deformacin permanente debido a una mezcla asfltica dbil

Perfloriginal

Carpeta asfltica dbil

Plano de corte


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En la Figura 2.3 se muestra un modelo viscoelstico que representa elcomportamiento de la mezcla asfltica. El modelo est integrado por doscomponentes bsicos, un resorte, y un amortiguador formado por un recipientecon agua y un mbolo.

La parte elstica se caracteriza por el resorte que obedece la Ley de Hooke, queafirma que el esfuerzo es proporcional a la deformacin. Donde es elesfuerzo, es la deformacin, y Ees el mdulo de elasticidad.

E = (2.1)

La parte viscosa se representa por el amortiguador, el cual se ajusta a la Ley deNewton que establece que el esfuerzo es proporcional a la velocidad dedeformacin.

t

=

(2.2)

En esta ecuacin es la viscosidad, y tes el tiempo. Bajo esfuerzo constante laecuacin se puede integrar fcilmente:

t

= (2.3)

En otras ocasiones, el fenmeno de la deformacin plstica se pone demanifiesto mediante arrollamientos o resaltos transversales, como si elpavimento se comportara como una alfombra mal sujeta. Esto puede ocurrirdonde los esfuerzos horizontales son muy fuertes, como en las paradas ante lossemforos o en las vas de pendiente pronunciada. En estos casos, ladeformacin tambin puede ser atribuida a una mala adherencia con la capasubyacente.

2.3 Respuesta de la mezcla asfltica a losesfuerzos de corte

La deformacin permanente de las mezclas asflticas dbiles es un fenmenoasociado a las altas temperaturas. Si bien esto podra sugerir que es problemadel cemento asfltico, resulta ms correcto enfocarlo como un problema conjuntodel agregado y del cemento asfltico. De hecho, la ecuacin Mohr-Coulombpuede emplearse para ilustrar cmo ambos materiales pueden influir en elahuellamiento de la mezcla asfltica.

tanc = + (2.4)


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2 Deformacin permanente en mezclas asflticas

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En este caso, es la resistencia al corte de la mezcla asfltica. La cohesin (c)puede considerarse la fraccin de la resistencia al corte de la mezcla asflticaprovista por el cemento asfltico; es el ngulo friccin interna; y el esfuerzonormal al que est sujeto el agregado.

Para que el cemento asfltico aporte una aceptable resistencia al corte, esdeseable que su comportamiento sea lo ms prximo al de un slido elsticocuando el pavimento este sujeto a las altas temperaturas de su entorno; as,tender a recuperar su posicin en lugar de permanecer deformado.

Los cementos asflticos con caractersticas pobres de resistencia al corteminimizan la cohesin, y hasta cierto punto el esfuerzo normal de confinamiento;como consecuencia, la mezcla comienza a comportarse como una masa deagregados no ligados.

Para obtener una mezcla asfltica que exhiba un ngulo alto de friccin, esnecesario seleccionar un agregado de buena cubicidad (caras fracturadas) yrugosidad, con una granulometra bien graduada; de tal forma que se desarrolleun buen contacto partcula-partcula. As, cuando la carga se aplica, laspartculas se juntan y funcionan no slo como una masa de partculasindividuales, sino como una nica roca elstica.

2.4 Mecanismo de la deformacin permanenteLa deformacin permanente en mezclas asflticas resultado de una combinacin

de dos factores: la densificacin de la mezcla (decremento de volumen), y ladeformacin plstica por esfuerzos de corte. En estudios durante las pruebas deltramo AASHO (1962) e investigaciones ms recientes realizadas con equipos deruedas cargadas (Hofstra y Klomp), indican que la deformacin plstica (sincambio de volumen) por esfuerzo de corte, es por mucho el principal mecanismode deformacin permanente.

De manera similar, trabajos recientes coinciden en que las roderas sonproducidas principalmente por flujo plstico sin que ocurra cambio de volumen(Eisenmann y Hilmer). La Figura 2.4 reproduce el efecto del nmero de pasadasque una rueda cargada realiza sobre la seccin transversal de una capaasfltica.

El espesor de carpeta asfltica es de 23 cm, mismo que se encuentra sobre unaplataforma de hule con una rigidez determinada, a fin de reproducir el efecto deuna subrasante con un comportamiento puramente elstico, y as todas lasmediciones de la deformacin permanente atribuirlas solamente al concretoasfltico.


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Se muestra la magnitud de las deformaciones, adems de los volmenes dematerial desplazado debajo de la ruedas y en las zonas adyacentes a stas.

En la primera etapa de aplicacin de los ciclos de carga, el incremento de ladeformacin permanente debajo de las ruedas es muy distinto con respecto allevantamiento de la mezcla que ocurre en las zonas laterales. En esta faseinicial, la compactacin impuesta por el trnsito tiene una importante influenciaen la formacin de las roderas.

Despus de esta etapa inicial, el decremento de volumen debajo de las ruedas

es aproximadamente igual al incremento de volumen en las zonas laterales delas rodadas.

Esto es un indicador de que la compactacin debida al trnsito ha sidocompletada casi en su totalidad, y que las deformaciones posteriores soncausadas esencialmente por desplazamientos de la mezcla a volumenconstante. Se considera que esta ltima fase es representativa delcomportamiento a la deformacin permanente de la carpeta asfltica para lamayor parte de su vida de servicio.

Figura 2.4Efecto del nmero de pasadas de una rueda cargada en la seccin

transversal de un avimento asfltico Eisenmann Hilmer


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2.5 Factores que influyen en la deformacinpermanente

A continuacin se describen los factores que influyen directa o indirectamente enla formacin de roderas en la carpeta asfltica; entre los que se encuentrancaractersticas propias de los materiales, el trnsito y el medio ambiente.

2.5.1 Agregado ptreo

2.5.1.1 GranulometraEn la actualidad existe evidencia, que muestra que son deseables mezclas congranulometras de graduaciones densas para mitigar los efectos de ladeformacin permanente.

Cuando estas mezclas se compactan adecuadamente, resultan con menosvacos de aire y mayor contacto entre partculas a diferencia de unagranulometra abierta. Algunos investigadores (Brown y Pell) han concluido quemezclas elaboradas con granulometras abiertas del tipo gap-graded , exhibenmayor deformacin que la mezclas de granulometra densa.

Lo anterior lo atribuyen a que en las primeras se presenta un menor contactoentre partculas; y dado que el contacto partcula-partcula en la mezcla es demayor importancia a altas temperaturas, las mezclas de tipo gap-graded sonms susceptibles de sufrir roderas bajo estas condiciones. A pesar de que lo

anterior parece ser un consenso general entre los ingenieros de pavimentos,algunos investigadores han reportado mezclas de granulometra abierta del tipoopen graded que han exhibido una buena resistencia a la deformacin plstica(Hicks, et al).

2.5.1.2 Textura y angularidadLa textura y angularidad del agregado juegan un papel importante en elcomportamiento de la mezcla. Se ha visto que mezclas con agregados trituradosy de textura rugosa, son menos deformables que aquellas que se han elaboradocon agregados redondeados, an con la misma graduacin. En la Figura 2.5 semuestra el efecto que tiene la angularidad del agregado para un porcentaje de

vacos dado, en la rigidez de la mezcla

Uge y Van de Loo investigaron la estabilidad de diferentes mezclas, empleandolas mismas curvas de graduacin para todas las mezclas y diferentesporcentajes de agregados triturados y redondeados (Figura 2.6).


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30% material triturado(0.08/2 mm)70% material redondeado(2/12 mm)

75% material triturado(2/12 mm)25% material redondeado(0.08/2 mm)

100% agregado redondeado

100% agregado trirurado

Mdulo de rigidez del ligante asfltico (N/m2)

Figura 2.6Efecto de la angularidad del agregado, y mdulo de rigidez del ligante asfltico

Mduloderigidezalcortedelamezcla(N/m

)

Figura 2.5Efecto de la angularidad del agregado en la rigidez de la mezcla asfltica

100% agregadotrirurado

35% agregadoredondeado (Arena)

Curvas obtenidas variando la energa decompactacin

Compactacin alta

Compactacin baja

Vacos de aire en la mezcla (%)

Mdulo de rigidez delligante asfltico

200 N/m2

Mdulo

derigidezdelamezcla(N/m2)


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Como se esperaba, la ms estable es aquella en la cual 100% de los agregadoshan sido tratados por trituracin; y la menos estable aquella con el 100% deagregados redondeados. Un dato interesante es que una composicinintermedia en donde slo la fraccin de arena fue triturada, demuestra mejorcomportamiento que una mezcla en donde unicamente la fraccin gruesa recibieste tratamiento, a pesar de que la primera contena mayor porcentaje deagregados redondeados. Esto indica que el contacto entre partculas podra serun factor ms trascendental, que el porcentaje de trituracin del agregado.

Para efectos de control de la deformacin permanente en las carpetas asflticasla Administracin Federal de Carreteras de los Estados Unidos recomiendalimitar el contenido de arenas naturales en la mezcla, a no ms del 15%.

2.5.1.3 Tamao mximo de la mezcla de agregados

Se han reportado que concretos asflticos elaborados con asfaltos blandos,bajos contenidos de vacos de aire, y tamaos mximos del agregado grandes(38 mm o mayores), han presentado buena resistencia a la deformacinpermanente.

Conviene sealar que se ha concluido que el uso de mezclas asflticas contamaos mximos de agregado, de aproximadamente dos tercios el espesor dela carpeta (large-stone mixtures), pueden reducir la susceptibilidad a presentarroderas en las mezclas asflticas, ya que este tipo de mezclas mitiga en granmedida el efecto de concentracin de cargas que producen las altas presionesde inflado de los neumticos (Davis).

2.5.2 Ligante asflticoEl comportamiento reolgico del ligante debe tomarse en cuenta en la seleccindel cemento asfltico que se vaya a emplear en la fabricacin de la mezcla, detal forma que sea adecuado para las condiciones de servicio (niveles de trnsito,velocidades de aplicacin de carga, temperatura, etc) a las cuales va estarsujeto el pavimento. Controlando la rigidez del ligante a elevadas temperaturasse garantiza que el asfalto provea su mayor aporte a la resistencia global al cortede la mezcla, en trminos de la elasticidad a altas temperaturas.

Muchos investigadores han tratado de mejorar el desempeo de la mezcla a ladeformacin permanente mediante modificadores en el cemento asfltico,buscando as incrementar la viscosidad a altas temperaturas sin causar efectosadversos a la mezcla a bajas temperaturas.

La rigidez, debido al envejecimiento, contribuye a la resistencia al corte delligante asfltico con el tiempo, ya que su viscosidad se incrementa con las altastemperaturas. Desde luego, un cemento asfltico demasiado rgido ayuda demanera importante en el agrietamiento por fatiga.


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2.5.3 Aspectos de la mezcla asfltica

2.5.3.1 Metodologa de diseoEn relacin con los mtodos de diseo, en Estados Unidos de Norteamrica sehan utilizado principalmente dos: el basado en el procedimiento Marshall, y elmtodo que aplica el estabilmetro de Hveem. Hasta 1985, treinta y ochoestados de la Unin Americana han empleado el procedimiento Marshall y oncems el procedimiento Hveem (Khandal y Koehler). Sin embargo ante losrecientes incrementos del trnsito, en trminos de repeticiones de carga yaplicaciones de carga por eje mayores, as como por las altas presiones deinflado de los neumticos, se observ un incremento en el problema de ladeformacin permanente en la red nacional de carreteras norteamericanas,particularmente en los estados en donde se utiliz el mtodo Marshall como

procedimiento de diseo (Federal Highway Administration, 1987).

2.5.3.2 Contenido de asfaltoLa seleccin de un contenido ptimo de asfalto durante la etapa de diseo, escrtica en el desempeo de la mezcla. Si se seleccionan excesivos contenidos deasfalto, la aparicin de roderas en la mezcla es muy probable como resultado deun bajo porcentaje de vacos de aire de la carpeta debido a altas densidades enel lugar, despus de que se haya completado la compactacin por el trnsito.

Dentro del estudio nacional de deformacin permanente en pavimentosasflticos, realizado en Estados Unidos en 1987, Khandall establece que para

efectos de la deformacin permanente, el contenido de asfalto en la mezclaresulta de mayor relevancia que las propias caractersticas del ligante asfltico.

2.5.3.3 Vacos de aire (Va)Los vacos de aire tienen un efecto significativo en el desempeo de la mezclaasfltica. Una considerable reduccin de vacos de aire en la mezcla comoconsecuencia de un alto contenido de cemento asfltico, provoca que estosvacos sean llenados con asfalto debido al flujo del ligante por las altastemperaturas, y la compactacin adicional de la mezcla por accin del trnsito.Bajo esta condicin, el asfalto acta como un lubricante entre los agregados

afectando el contacto entre partculas, con lo cual disminuye la resistencia alcorte de la masa ptrea. Se ha observado que cuando el porcentaje de vacosde aire de la carpeta asfltica cae por debajo del 3%, la probabilidad deaparicin de roderas en la superficie de rodamiento se incrementasignificativamente.

Segn Kandhall, et al, los beneficios que se obtienen con las propiedades deangularidad y textura del agregado, dejan de tener relevancia en elcomportamiento de la mezcla cuando se incurre en rangos de porcentaje devacos de aire inaceptables, por debajo de 2.5%.


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2.5.3.4 Vacos en el agregado mineral (VAM)Algunos investigadores (Cooper, Brown y Pooley) han concluido que una mezcla

asfltica resistente a la deformacin permanente, requiere que sta presentebajos porcentajes de vacos de aire en el agregado mineral (VAM); lo anterior selogra utilizando graduaciones densas. Cabe mencionar que se debe de cumplircon valores mnimos de VAM, y de esta forma garantizar suficiente espacio paraacomodar el volumen efectivo de asfalto.

2.5.3.5 Energa de compactacin en el laboratorioEl mecanismo de formacin de roderas comienza desde el momento en que lacarpeta asfltica es abierta al trnsito, por lo que es deseable dejar una carpetaterminada con un porcentaje de vacos de aire de cuando menos el 8 %, paraque una vez completada la densificacin impuesta por el trnsito, este

porcentaje de vacos se encuentre en un rango de aproximadamente del 3 al 5por ciento. Esta condicin de la mezcla es deseable desde el punto de vista dedesempeo y durabilidad, segn los mtodos de diseo hoy en uso.

Por lo anterior, resulta de relevancia el hecho de simular en laboratorio, tancerca como sea posible, la compactacin que se produce en el sitio de la obra.Parece ser un consenso general entre los ingenieros de pavimentos, adoptar dela compactacin giratoria como mtodo de compactacin en el laboratorio, yaque el efecto de la densificacin por la accin de amasado parece reproducir demanera ms fiel las condiciones en campo.

2.5.3.6 Energa de compactacin en campoAlgunos aspectos que se han tratado y que contribuyen a la resistencia a ladeformacin permanente de la mezcla asfltica, como es el tamao mximo delagregado; angularidad; bajos contenidos de asfalto; etc, derivan en otroimportante problema que es la trabajabilidad de la mezcla asfltica; por lo quese recomienda utilizar altas energas de compactacin en campo para lograr unasuperficie estable, y con un alto ngulo de friccin interna. Una compactacindeficiente en el lugar, podra dar como resultado una carpeta con un altocontenido de vacos (mayor a 8 %); si la va tiene un alto porcentaje de vehculospesados, el problema de la deformacin permanente se agrava an ms, ya queaparte del flujo plstico debido a los esfuerzos de corte inducidos por el trnsito,podra ocurrir una consolidacin adicional de la carpeta.

Tambin se debe tener especial cuidado en actividades que preceden a lacompactacin, como es el manejo y extendido de la mezcla asfltica ya queestos factores tienen gran influencia en el acomodo final de los agregados dentrode la carpeta.


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2.5.4 TemperaturaLa exposicin de la mezcla asfltica a las altas temperaturas favorece el

mecanismo de la deformacin permanente en las mezclas asflticas. Al respectose realiz un estudio en Texas, EUA, sobre secciones de pavimentosexpuestas a las ms altas temperaturas con objeto de conocer la evolucindiaria de la deformacin permanente durante el ao (Mahboub y Little). Dentrode las conclusiones que se obtuvieron, se encuentran las siguientes:

La deformacin permanente ocurre durante el da , de las 7:30 am a las5:30 pm

Se pueden ignorar los efectos de la temperatura en la deformacinpermanente, por debajo de los 10 oC

La deformacin permanente sucede por lo general en el perodo de abrila octubre (Figura 2.7)

E F M A M J J A S O N D E F M A M J J A S O N D

Profundidadd

erodera(mm)

Mes

0

5

10

15

20

25

30

2.5.5 Trnsito

El trnsito es un factor de primer orden en la formacin de roderas en elpavimento, en el cual los cambios en la distribucin del trnsito, en especial elincremento de vehculos pesados, adems de grandes magnitudes de carga yaltas presiones de inflado de los neumticos, han contribuido en los ltimos aosde manera importante a la manifestacin de la deformacin permanente en los

Figura 2.7

Efectos de la temporada del ao en la deformacin permanente(NCHRP REPORT 468)


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pavimentos flexibles de nuestro pas. En la Tabla 2.1 se presenta un resumen delos factores que influyen en la deformacin permanente.

FactoresResistencia a la

deformacinpermanente

Textura superficial De liso a rugoso Incrementa

Graduacin Abierta a continua Incrementa

AngularidadRedondeada a

angular Incrementa

Agregado ptreo

Tamao mximo Incremento en eltamao Incrementa

Ligante asfltico Rigidez (a) Incremento Incrementa

Contenido de asfalto Incremento Reduce

Contenido de vacos de aire(b) incremento Reduce

VMA (c) Incremento ReduceMezcla

Mtodo de compactacin (d) (d)

Temperatura Incremento Reduce

Estado deesfuerzos/deformaciones

Incremento en lapresin de infladode los neumticos

Reduce

Repeticiones de carga Incremento Reduce

Condiciones enel lugar

Agua De seco a mojadoReduce si la

mezcla essensible al agua

(a) Se refiere a la rigidez del ligante a la temperatura en donde la mezcla asfltica es propensa de presentar roderas.Modificadores al ligante asfltico pueden ser utilizados para incrementar su rigidez a temperaturas crticas.(b) Cuando el contenido de vacos de aire (Va) es menor a un 3%, la propensin de la mezcla asfltica de presentarroderas, se incrementa.(c) Se argumenta que muy bajos porcentajes de VAM en la mezcla (menos del 10%) deben evitarse.(d) El mtodo de compactacin, ya sea en campo o en el laboratorio puede influir en gran medida al ahuellamiento de lamezcla asfltica.

Tabla 2.1

Factores ue influ en en la deformacin ermanente


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2.6 Relacin entre la deformacin permanente y laprctica del diseo de pavimentos

Los procedimientos de diseo de pavimentos flexibles actuales se basan enlimitar el esfuerzo vertical en la parte superior de la subrasante y los esfuerzosde tensin en el fondo de la carpeta asfltica (figura 3.8).

Los valores de los esfuerzos y las deformaciones son controladosincrementando el espesor y la rigidez de cada capa del pavimento, teniendocomo resultado una estructura compuesta de capas que de acuerdo con laposicin relativa que ocupan en la estructura, poseen un mdulo de rigidez quese incrementa hacia la superficie. Esta composicin de capas atena losesfuerzos producidos por el trnsito, controlan los esfuerzos verticales en la

subrasante y mantienen dentro de lmites tolerables las deflexiones delpavimento.

Una subrsante rgida posee la capacidad de distribuir mejor los esfuerzos que leson aplicados. Una capa de rodamiento rgida reduce el riesgo de que ocurrandeflexiones en la subrasante, pero por otro lado incrementa los esfuerzos detensin y los de corte , horizontales al fondo de dicha capa. Es por esto que eldiseador debe asegurarse que la resistencia al corte y a la flexin de este capasea lo suficientemente alta para resistir estos altos estados de esfuerzos.

Subrasante

Base Granular

Carpeta Asflticat

v

Figura 2.8Esfuerzos y deformaciones en el pavimento


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Desafortunadamente estos mtodos no cuantifican completamente el fenmenode las roderas debido a la deformacin de la carpeta asfltica. Bajo altos nivelesde trnsito pesado y espesores de carpeta asfltica razonablemente altos, laevaluacin de la deformacin permanente por medio del estado de esfuerzos ydeformaciones de la subrasante parece no tener mucho sentido, ya que la mayorparte de la deformacin permanente ocurre en la carpeta asfltica y no en lasubrasante.

Los mtodos de diseo de pavimentos flexibles, histricamente se hanconcentrado en proteger la subrasante del pavimento, dejando el problema de laresistencia al corte de la capa asfltica en manos del diseo de la mezcla. Laresistencia al corte de la mezcla, a menudo se evalua por mtodos empricos,como es el Hveem o el Marshall.

Se han venido desarrollando recientemente ensayos que permitan evaluar eldesempeo de la mezcla asfltica, como es el caso de ruedas cargadas,pruebas triaxiales y de creep, entre otras. En la actualidad existe una claratendencia de introducir pruebas de desempeo en los mtodos de diseo de lamezcla, tal el caso de los niveles 2 y 3 del mtodo Superpave.

2.7 Estimacin de la profundidad de roderaLa estimacin de la deformacin permanente en materiales de pavimentacindepende en gran medida de los mtodos de ensaye y de los procedimientos quese utilizan para la fabricacin de los especmenes de prueba. Estas variaciones

conjuntamente con la incertidumbre del trnsito y las condiciones ambientales,hacen extremadamente difcil predecir la profundidad de las roderas.

La deformacin permanente es un importante factor en el diseo de pavimentosflexibles. Con el incremento en las cargas del trnsito y presiones de inflado delos neumticos de los vehculos, la mayor parte de la deformacin permanenteocurre en las capas superiores del pavimento ms que en la subrasante.

El mtodo Shell (Claessen, et al) introduce un procedimiento que pretendemejorar las metodologas tradicionales, adems de incluir un anlisis adicionalpara estimar la cantidad de deformacin permanente que ocurre en la capaasfltica. Este mtodo realiza un anlisis elstico de un sistema de capas (layer-

strain method). Otras metologas de prediccin utilizan procedimientos deanlisis viscoelstico.

2.7.1 Anlisis elsticoEn este anlisis se divide cada capa del pavimento en varias subcapas; elesfuerzo se calcula al centro de cada subcapa, directamente debajo del punto deaplicacin de la carga del neumtico, haciendo uso de la teora de la elasticidad.

Con los esfuerzos promedio obtenidos en el centro de cada subcapa, lacorrespondiente deformacin plstica puede determinarse mediante resultados


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de pruebas de laboratorio (compresin axial, pruebas de carga repetida, etc).Por consiguiente, la profundidad total de deformacin para un nmero dado derepeticiones de carga, se obtiene sumando la deformacin plstica promedio queocurre en el centro de cada subcapa. Este mtodo se considera en ingenieracomo una aproximacin simple para estimar la profundidad de las roderas.

2.7.2. Anlisis viscoelsticoSe considera el movimiento de las ruedas cargadas, conjuntamente con lasvariaciones de las propiedades de los materiales en el tiempo para definir losestados de esfuerzo y deformaciones en puntos especficos en la estructura depavimento. Las propiedades de cada material se pueden definir en trminos demodelos viscoelsticos (Maxwell, y/o Kelvin) en varios arreglos, o generalizandoun trmino que los relacione. Una importante ventaja de este mtodo es que el

movimiento de las ruedas se considera directamente, lo que resulta en lavelocidad correcta de la aplicacin de la carga, adems de que permite estimaradecuadamente el flujo plstico, que ocurre por debajo del neumtico enmovimiento.

2.7.3 Comparacin entre la metodologa elstica yviscoelstica

Algunos aspectos que tienen en comn estas metodologas, es la determinacindel estado de esfuerzos en la estructura del pavimento, y adems especificancaractersticas de deformacin permanente de los materiales que componen el

pavimento en funcin del estado de esfuerzos, repeticiones de carga,temperatura y otros aspectos. Los mtodos de prediccin basados en la teorade la elasticidad, lineal o no lineal, parecen ser una razonable aproximacin parapredecir la deformacin permanente.

A pesar de que los mtodos viscoelsticos son tericamente ms refinados, sucomplejidad y la relativa poca concordancia que se ha encontrado entre losvalores medidos y los valores predichos, ha demostrado no tener una ventajasignificante sobre los mtodos elsticos. Sin embargo, si las ecuaciones deprediccin se desarrollan con base en pruebas de laboratorio, que apliquen unestado de esfuerzos comparable al que se encuentra en el pavimento cerca delos lmites de los neumticos, y que los modelos viscoelsticos se apliquen de talforma que puedan incorporarse todos estos aspectos, pueden esperarsepredicciones ms exactas.

Una mejora en los mtodos de prediccin actuales, podra contemplar unaextensin del anlisis de los esfuerzos a partir de la lnea central de la aplicacinde la carga hacia toda la zona de influencia mediante una tcnica de elementosfinitos, y as tomar en cuenta la contribucin a la deformacin permanente quepresentan los esfuerzos de corte en las inmediaciones de los neumticos.


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Tambin resulta de gran importancia, reproducir de manera ms fiel en ellaboratorio los estados de esfuerzos, a los que est sujeto el pavimento encampo. Con respecto a lo anterior, el programa estratgico de investigacin decarreteras de Estados Unidos (SHRP) ha concluido que las pruebas delaboratorio que han resultado ms prometedoras en cuanto a la evaluacin de laresistencia a la deformacin de los materiales, en orden de preferencia, son lassiguientes:

a) Ensayos de corte simple, creep, y ensayos de corte repetido

b) Ensayos de compresin triaxial simple, creep, y de carga repetida

c) Ensayos de compresin uniaxial, creep, y de carga repetida

d) Ruedas Cargadase) Ensayos diametrales

Los ensayos diametrales no proveen mediciones confiables a la resistencia a ladeformacin permanente, ya que su complejo estado de esfuerzos dificulta lainterpretacin de los resultados. Por su parte, los ensayos de ruedas cargadas,que simulan las condiciones de campo, dado su costo, muchas veces se tieneque prescindir de este equipo, de ah que aumenta la dificultad de llevar a cabolas evaluaciones de rutina. Sin embargo resulta de gran utilidad parainvestigaciones especiales, incluyendo la evaluacin y validacin de los ensayosya citados.


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3 Evolucin de las ruedas cargadas

En forma creciente, las agencias de transporte en los Estados Unidos estnampliando sus procedimientos de diseo de mezclas con ensayos empricos deresistencia. Se llaman empricos debido a que de sus resultados se deriva unadecisin de se acepta/no se acepta.

Basado en la experiencia de la agencia con el ensayo calibrado para elpavimento real, un ejemplo al respecto, es el de las ruedas cargadas (loadedwheel tester) que simulan el paso del trnsito. Este tipo de ruedas se hanempleado para determinar la susceptibilidad de la mezcla asfltica a presentardeformacin permanente y fatiga.

3.1 Dispositivos de ruedas cargadasEn los ltimos aos se han empleado en Europa y Estados Unidos distintosdispositivos de ruedas cargadas para evaluar las propiedades de la mezclasasflticas, entre las que se encuentran: la rueda cargada de Hamburgo (HWDT);la rueda cargada (LCPC); el evaluador de pavimentos de la Universidad deNottingham; la rueda cargada de Georgia (GLWT); y el analizador de pavimentosasflticos (APA).

3.1.1 Rueda Cargada de Hamburgo (HWTD)

La rueda cargada de Hamburgo (HWTD) la desarroll la compaa Helmit-Wind,de Alemania. Se utiliza como especificacin en algunas de las carreteras mstransitadas en Alemania para evaluar la deformacin permanente y lasusceptibilidad de la mezcla asfltica a la humedad (stripping).

Figura 3.1Rueda cargada de Hamburgo


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Se ensaya una viga de 260 mm de ancho, 320 mm de largo, y 40 mm de alto(10.2 x 12.6 x 1.6 pulgadas). Estas vigas se compactan por lo regular hasta unporcentaje de vacos de aire de 7 1 % mediante un compactador lineal deamasado (linear kneading compactor).

El espcimen se prueba sumergido bajo el agua, a temperaturas que puedenestar entre los 25 y 70oC, siendo 50oC la temperatura de ensaye ms comn. Seaplica una carga de 158 lb mediante una rueda de acero de 47 mm de dimetro.La rueda de acero cargada realiza entonces movimientos de ida y vuelta sobrelas vigas, hasta completar un total de 20 mil pasadas o hasta que ocurra 20 mmde deformacin; lo que se presente primero. La velocidad de la rueda esaproximadamente de 340 mm por segundo.

3.1.2 Rueda cargada LCPCLa rueda cargada LCPC tambin llamada rueda cargada francesa (FrenchRutting Tester FRT), se ha empleado en Francia durante los ltimos 20 aosexitosamente en la prevencin de la deformacin permanente en los pavimentosasflticos. En los ltimos aos, la FRT se ha aplicado en Estados Unidosnotablemente en el estado de Colorado, y por la Administracin Federal deCarreteras (FHWA) en algunos de sus centros de investigacin.

La FRT es capaz de ensayar simultneamente dos vigas de mezcla asfltica.Las dimensiones de las vigas son regularmente de 180 mm de ancho, 500 mmde largo, y de 20 a 100 mm de espesor (7.1 x 19.7 x 0.8 a 3.9 pulgadas). Lasprobetas, generalmente se compactan con el compactador neumtico LCPC. Elmecanismo de carga se lleva acabo mediante la aplicacin de 1124 lb a

Figura 3.2Rueda cargada LCPC


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travs de un neumtico inflado a 87 lb/pulg2. Durante el ensayo el neumticorealiza sus pasadas por el centro de las vigas dos veces por segundo.

En Francia se ha recurrido a temperaturas de prueba de 60oC para las carpetasasflticas, y 50oC para las bases negras. La profundidad de rodera se expresacomo porcentaje con respecto al espesor original de la viga. La deformacin sedefine como el promedio de la profundidad de rodera de una serie de 15mediciones, las cuales consisten en tres lecturas tomadas a lo ancho de laprobeta para cinco puntos a lo largo de la viga. La prueba termina una vez quese han aplicado 100 mil ciclos, a menos de que previo a esto la profundidad dela rodera exceda el 15 % de la deformacin con respecto a la altura original de laprobeta. Usualmente se realizan mediciones de la profundidad de rodera,deteniendo la prueba en 30, 100, 300, 1 000, 3 000 y 100 000 ciclos.

3.1.3 Evaluador de pavimentos de la Universidad deNottinghamEl evaluador de pavimentos de la Universidad de Nottingham, Inglaterra, permiteensayar secciones de pavimento de 4.8 m (16 pies) de largo por 2.4 m de ancho,construida sobre una fosa de 1.5 m (5 pies).

La prueba se lleva a cabo bajo temperaturas controladas, y la carga, de 10 kN,se aplica por medio de un neumtico que transmite una presin de contacto de73 lb/pulg2, a una velocidad de 16 km / h. El rango de trabajo de este dispositivoes de 20 a 25oC.

Figura 3.3Evaluador de pavimentos de la Universidad de Nottingham


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3.1.4 Rueda cargada de G eorgia (GLWT)La rueda cargada de Georgia (GLWT), se desarroll a mediados de los 80s a

travs de una investigacin entre el Departamento de Transporte de Georgia y elInstituto de Tecnologa del mismo estado.

El desarrollo de la GLWT consisti en modificar una rueda cargada diseadaoriginalmente por CR Benedict, de Benedict Slurry Seal, Inc, para evaluar lacalidad de las lechadas asflticas. El principal propsito en el proyecto de laGLWT fue un dispositivo que permitiera actividades de rutina para el control decalidad en la produccin de las mezclas asflticas elaboradas en caliente, entrminos de la deformacin permanente.

La GLWT es capaz de ensayar vigas o especmenes cilndricos. Las

dimensiones de las vigas son generalmente 125 mm de ancho, 300 mm delargo, y 75 mm de altura (5 x 12 x 3 pulgadas). Se han empleado diferentesprocesos para la compactacin de las vigas de ensaye. Originalmente seutilizaba una pequea plataforma cargada, que proporcionaba una compactacinpor amasado ( loaded foot kneading compactor). West, et al, utiliz un mtodode compresin esttico para la elaboracin de vigas. En 1995, Lai y Shamidisearon un nuevo mtodo, en el cual se emplea un rodillo (rolling wheel) parala fabricacin de las probetas.

Figura 3.4Rueda cargada de Georgia


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Los especmenes cilndricos, generalmente son de 15 mm de dimetro y 75 mmde alto. Los mtodos de compactacin para estas probetas incluyen laplataforma cargada (loaded foot kneading compactor), y el compactadorgiratorio Superpave entre otros. Por lo general, las probetas se compactan de 4a 7 % de vacos de aire. Aunque se han evaluado probetas con porcentajes devacos de aire de hasta el 2 %.

El ensaye de los especmenes en la GLWT consiste en aplicar una carga de 100lb sobre una manguera presurizada a 100 lb/pulg2. La carga se aplica a travsde una rueda de aluminio sobre la manguera que se encuentra situada encimade la probeta. La rueda bajo carga esttica realiza movimientos de atrs haciaadelante sobre el espcimen. La prueba termina una vez que se completen 8 milciclos de carga (un ciclo se define como un movimiento de ida y vuelta querealiza la rueda sobre el espcimen). Algunos investigadores sugieren que

menos ciclos de carga, podran ser suficientes. Las temperaturas de ensayo dela GLWT oscilan entre los 35 y 60oC. Originalmente se realizaban los ensayos ala temperatura de 35oC, ya que es la temperatura promedio que prevalece en elestado de Georgia durante el verano.

Una plantilla con siete ranuras se coloca sobre el molde que contiene losespecimenes; y mediante un micrmetro, se obtienen las mediciones de laprofundidad de la rodera.

3.1.5 Analizador de pavimentos asflticos (APA)El analizador de pavimentos asflticos (Figura 3.5) es una modificacin de larueda cargada de Georgia, y se fabric por primera vez en 1996 por PavementTechnology, Inc. El APA se ha utilizado por algunas agencias de transporte delos Estados Unidos para evaluar la deformacin permanente, fatiga ysensibilidad a la humedad de las mezclas asflticas.

Dado que el APA es la segunda generacin de la GLWT, se siguenprocedimientos similares de ensaye; la rueda cargada realiza movimientos deida y vuelta sobre la manguera presurizada, para inducir la rodera en la probeta.

A diferencia de la GLWT el APA puede ensayar especmenes sumergidos enagua. Los especmenes de prueba pueden ser vigas o probetas cilndricas; las

dimensiones de las vigas son idnticas a las que utilizan en la GWLT.

Actualmente, el mtodo ms comn para elaborar vigas es con el compactadorvibratorio de mezclas asflticas (Asphalt Vibratory Compactor). Para elaborar lasprobetas cilndricas se ha recurrido al compactador giratorio Superpave y elmartillo Marshall. Cabe mencionar que se pueden ensayar probetas condimetros de 100 o 150 mm.


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Las probetas se compactan hasta un porcentaje de vacos de aire de 4 a 7 %.Tambin se pueden ensayar corazones o vigas extradas de pavimentos que se

encuentren en servicio. Los rangos de temperatura de trabajo que se manejanen el APA son de 5 a 70oC.

Figura 3.5Analizador de pavimentos asflticos (Instituto Mexicano del Transporte)

Figura 3.6Evolucin de la deformacin permanente en el APA.


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El APA consta de sensores de deformacin que monitorean el desarrollo de laprofundidad de la rodera para cada uno de los 8 mil ciclos de carga (figura 4.6).Se pueden ensayar simultneamente tres vigas o seis especmenes cilndricos.

La carga de la rueda y la presin de la manguera, son las mismas que utiliza laGLWT ,100lb y 100 lb/pulg2, respectivamente. Investigaciones recientes con elAPA han evaluado la utilizacin de cargas de rueda de 120 lb y presiones demanguera de 120 lb/pulg2, con resultados satisfactorios.

3.2 Factores que afectan los resultados de losensayos

3.2.1 Porcentaje de vacos de aireEstos dos parmetros que se especifican de acuerdo con el dispositivo de ruedacargada que se utilice, constituyen dos de los factores que ms influyen en losresultados de la prueba, especialmente en la profundidad de la rodera.

El porcentaje de vacos para el ensaye se especifica con base en dos criterios.Algunos investigadores sugieren que los especmenes deberan sercompactados hasta aproximadamente un 7 % de vacos de aire, ya que estecontenido de aire representa las densidades de una carpeta asfltica recinpuesta en servicio.

Otros proponen la idea de compactar las probetas hasta un porcentaje de vacos

de aire del 4 %, ya que el esfuerzo de corte de falla de la mayora de las mezclasasflticas ocurre cuando sta presenta contenidos de vacos de aireaproximadamente por debajo del 3 %. De cualquier manera, se ha visto que unincremento en el porcentaje de vacos a su vez representa un incremento en laprofundidad de la rodera.

3.2.2 Temperatura

De manera similar a lo que ocurre con el porcentaje de vacos, al aumentar latemperatura, la profundidad de la rodera se incrementa. Si las probetas no seprecalientan lo suficiente, se pueden esperar valores bajos de profundidad de la

rodera. Para evaluar la deformacin permanente parece ser suficiente unacondicionamiento de seis horas a la temperatura de ensaye. Elacondicionamiento de las probetas cuando se van a realizar pruebas encondiciones hmedas, se lleva a cabo sumergidas en agua.

3.2.3 Elaboracin de las probetas de ensaye

Los dos tipos de probetas de mezcla asfltica que se ensayan son las cilndricasy las vigas. Para la evaluacin de la deformacin permanente y la susceptibilidada la humedad, se ha visto ambos tipos de probetas arro jan resultados diferentes


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para un mismo tipo de prueba; sin embargo, para efectos de evaluacin dichostipos se consideran satisfactorios.

El mtodo de compactacin para la elaboracin de probetas tambin influye enlos resultados de la prueba. Las cilndricas, generalmente se compactan con elcompactador giratorio Superpave; y las vigas se elaboran con un compactadorvibratorio o por amasado. Esto influye en las densidades y en la orientacin delagregado ptreo en la probeta.

Otra razn de peso por la que estos dos tipos de probetas no producen losmismos resultados para un mismo tipo de prueba, son las diferencias dedimensiones y volumen que existe entre una probeta cilndrica y una viga.

3.2.4 Magnitud de la carga aplicadaLa magnitud de las cargas aplicadas es otro parmetro que influyesignificativamente en los resultados. Un amplio rango de magnitudes de carga ypresiones de contacto se consideran caractersticos de diferentes dispositivos deruedas cargadas. Ciertos cambios en la magnitud de las cargas aplicadaspueden afectar los resultados de las pruebas. Por lo anterior, no es factible lacomparacin de resultados entre un dispositivo y otro.

3.2.5 Tamao mximo del agregadoQuiz la caracterstica de la mezcla asfltica que ms impacta los resultados delas pruebas de carga, es el tamao mximo nominal del agregado. Para un

mismo tipo de agregado y ligante asfltico, las mezclas cuya graduacincontengan tamaos mximos ms grandes tienden a presentar profundidad deroderas menores.

3.3 Experiencias en el uso de ruedas cargadasCon base en la experiencia que se ha vivido en la Unin Americana en losltimos aos en lo que se refiere al uso de ruedas cargadas para evaluacin delas mezclas asflticas, Khandall hace las siguientes observaciones:

Tanto las probetas cilndricas, como las vigas han resultado adecuadas

para evaluar las mezclas asflticas en trminos de la deformacinpermanente.

Los resultados de los dispositivos de ruedas cargadas parecencorrelacionarse razonablemente bien, con el desempeo de lospavimentos cuando la condiciones de servicio, como son los niveles decarga y temperaturas de la localidad, son consideradas.

Los ensayes con ruedas cargadas parecen diferenciar razonablementeligantes con distintos grados de desempeo.


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35

Cuando se ha adquirido suficiente experiencia y se han podidocorrelacionar adecuadamente los resultados de las ruedas cargadas a unsitio con condiciones trnsito y temperaturas determinadas, la agencia detransporte puede usar los resultados de laboratorio como criterios deaceptacin o rechazo para ese sitio en particular.

La capacidad de predecir adecuadamente la magnitud de la deformacinpermanente en campo a partir de los resultados de las pruebas conruedas cargadas, no se ha determinado hasta el momento.

Un dispositivo, como es una rueda cargada que permite realizar ensayesen condiciones secas y sumergidas, ofrece a la agencia de transporte,ms opciones en la evaluacin de los materiales de pavimentacin.

Una desventaja de usar este tipo de dispositivos, es que las agencias detransporte tienen que gastar considerables recursos para realizar la experiencia,y aun as sta es slo aplicable al material y a las condiciones del medioambiente de la prueba. Nuevos productos y materiales requieren unaexperimentacin adicional.


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4 Descripcin del experimento

Se describe la metodologa y desarrollo de la experimentacin referente a lacaracterizacin de los materiales y ensayos mecnicos realizados a la mezclaasfltica compactada.

4.1 Seleccin de los materiales

4.1.1 Agregado mineralEl material ptreo que se utiliz para la elaboracin de la mezcla asfltica provienedel banco de materiales La Caada, ubicado en la ciudad de Quertaro, y constabsicamente de roca basltica triturada; las pruebas al agregado se realizaron de

acuerdo con los requerimientos establecidos por la metodologa Superpave. En laTabla 4.1 se muestra el resumen de los resultados:

Ensayos Resultado Especificacin

De consensoAngularidad del agregado grueso(ASTM D5821) 100/100 100/100Angularidad del agregado fino (ASTM C1252) 58 45 mnPartculas planas y alargadas (ASTM D4791) 2% 10% mxEquivalente de arena (ASTM D2419) 75% 50% mn

De origenDesgaste de los ngeles (ASTM C131) 16% 35% mxIntemperismo acelerado (ASTM C88) 7% 10% mxDensidad aparente (Gsa) 2,869 -------Densidad neta (Gsb) 2,725 -------

4.1.1.1 Dosificacin de la mezcla de agregadosSe utiliz una mezcla de tres agregados, y se defini la estructura del agregado dediseo calculando la granulometra de la mezcla por medio de combinacionesmatemticas de las granulometras individuales de los materiales.

Tabla 4.1

Pruebas al agregado mineral


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MaterialPorcentaje de aporte

a la mezcla totalGrava (3/4-3/8) 30Material para sello (3/8-No.4) 25Arena de trituracin ( Pasa No.4) 45

TOTAL 100

La dosificacin de las cantidades de material para la elaboracin de las probetasse llev acabo por medio del procedimiento de reduccin de muestras descrito porla Norma ASTM C 702. Durante el desarrollo de la experimentacin se hizo una

verificacin peridica de la graduacin de la mezcla de agregados a fin de detectarcualquier variacin en la granulometra.

Para la fabricacin de las probetas Superpave (150 mm de dimetro) seemplearon aproximadamente 3000 g de material ptreo, lo que resulta en probetascon una altura de 75 3 mm, altura requerida para realizar el ensayo desusceptibilidad a la deformacin permanente en el Analizador de PavimentosAsflticos.

Para la fabricacin de las probetas Marshall (100 mm de dimetro) se utilizaronaproximadamente 1200 g de material; la altura de estas probetas tambin resultaadecuada para el ensayo de deformacin permanente.

4.1.1.2 Graduacin

Tabla 4.2

Materiales constitutivos de la mezcla de agregados

Curva Granulomtrica19 mm Tamao Nominal

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8

Malla ^ 0.45

%qu

epasa

Figura 4.1Curva granulomtrica de la mezcla de agregados


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La curva granulomtrica de la mezcla de agregados se presenta en la Figura 4.1,donde se puede observar que cumple con los requerimientos de Superpavecitados en el capitulo 2. Las caractersticas del agregado (calidad, graduacin,

tamao mximo nominal, etc) fueron las mismas que se emplearon en laelaboracin de las probetas ensayadas en este experimento.

Los puntos de control corresponden al tamao mximo nominal, en este caso de19 mm, un tamao intermedio (2.36 mm), y un tamao de polvo mineral (0.075mm). La zona restringida se ubica entre los tamaos 2.36 y 0.3 mm.

4.1.2 Ligante asflticoEl asfalto utilizado en el presente trabajo es del tipo AC-20, proveniente de larefinera de Salamanca, Guanajuato. Se elaboraron las probetas con asfalto AC-

20 sin modificar, y modificado con SBS (Estireno Butadieno Estireno) al 3%. Conel propsito de caracterizar los tipos de ligante utilizados, se realizaron ensayos enel viscosmetro rotacional (RV) y el remetro de corte dinmico (DSR).

4.1.2.1 Viscosmetro rotacional (RV)La prueba del viscosmetro rotacional (Figura 4.2) se utiliza para determinar lastemperaturas de mezclado y compactacin de la mezcla asfltica en el laboratorio.Se determinan las viscosidades a distintas temperaturas, y se construye una cartade viscosidad (Figura 4.3) en donde se seleccionan las temperaturas de mezcladoy compactacin correspondientes a los rangos de viscosidades de 0.17 0.02 y0.28 0.03 Pa.s respectivamente.

Figura 4.2Viscosmetro rotacional


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Basndonos en estos criterios establecidos por Superpave, es factible obtener losrangos de temperatura de mezclado y compactacin para el asfalto AC-20 sinmodificar, y modificado con SBS. Los resultados se muestran en la Figura 4.3.

Superpave tambin establece un criterio para asegurar el fcil manejo y bombeodel asfalto en planta, especificando un valor de viscosidad a la temperatura de 135oC; este valor debe ser como mximo de 3 Pa.s. Se puede ver en la Figura 4.3que el cemento asfltico AC-20 sin modificar cumple con el requerimiento, no asel modificado con 3% de SBS. Dado lo anterior, si se pretende utilizar el ligantemodificado en estudio, en la elaboracin de mezcla asfltica en planta, se deberntomar las medidas necesarias para lograr temperaturas que permitan un adecuadomanejo, fabricacin y compactacin de la mezcla.

4.1.2.2 Remetro de corte dinmico (DSR)Se llev acabo la caracterizacin de los ligantes asflticos en el DSR (Figura 4.4)con el fin de evaluar su contribucin a resistir las deformaciones plsticas en lamezcla, con base en la medicin del parmetro reolgico G*/sen .

La prueba se realiz a los asfaltos en su estado original y envejecido en el hornoRTFO. La Figura 4.5 muestra la variacin del valor G*/sen para las diferentestemperaturas a las que se ejecut el ensaye. Se puede ver que el valor de G*/sen disminuye notablemente a medida de que aumenta la temperatura de prueba. Seobserva tambin que tanto para el cemento asfltico modificado y sin modificar,los valores de G*/sen son ms altos para el asfalto envejecido; esto es debido al

Figura 4.3Carta de viscosidad

0.1

1

10

100

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Temperatura ( oC)

V

iscosidad

(Pa.s

)

AC-20

SBS-3%

Ran o de Mezclado (0.15 a 0.19 Pas)

Rango de Compactacin (0.25 a 0.31 Pas)

Mezclado CompactacinAC-20 153 - 158 144 - 149

SBS-3% 188 - 192 180 - 184

Ligante Temperaturas (C)


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endurecimiento que sufre el ligante como consecuencia de la volatilizacin deaceites durante la prueba en el horno RTFO.

En la Figura 4.5 se puede ver que la diferencia entre los grados de desempeoentre el cemento asfltico AC-20 sin modificar (PG-64), y el modificado con 3% deSBS (PG-88) es bastante amplia, dado los mayores valores de G*/sen que sepresentan para este ltimo tipo de ligante, lo que indica que el asfalto modificadopresenta una rigidez muy superior a altas temperaturas, que el cemento asfltico

sin modificar.

Figura 4.4Remetro de corte dinmico (DSR)

0

50

100

150

200

250

46 52 58 64 70 76 82 88Temperatura (o C)

G*/sen

(kPa)

Envejecido (RTFO)

Original

Original 3.9 > 1Envejecido 7.3 > 2.2

AsfaltoValor medido

(kPa)Especificacin

(kPa)Grado de

desempeo

PG-88

0

10

20

30

40

50

60

70

80

46 52 58 64 70 76 82 88Temperatura (o C)

G*/sen

(kPa)

Envejecido (RTFO)

Original

Original 1.8 > 1Envejecido 5.7 > 2.2

AsfaltoValor medido

(kPa)Especificacin

(kPa)Grado de

desempeo

PG-64

Figura 4.5Caracterizacin del ligante asfltico en el DSR; (a) AC-20; (b) SBS-3%

(a) (b)


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42

4.2 Caractersticas de la mezcla asfltica

4.2.1 Porcentajes de asfalto y niveles de compactacinCon datos de la mezcla de agregados de diseo, como son la gravedad especficaneta (Gsb); la gravedad especfica aparente (Gsa); y el tamao mximo nominal delagregado (Sn), se puede determinar un porcentaje de asfalto inicial (P bi); tal comodescribe el Instituto del Asfalto de Norteamrica en su publicacin referente aldiseo de mezclas asflticas en caliente, por el mtodo Superpave. En lareferencia [3] se puede consultar lo relacionado con este procedimiento, el cualsirvi como punto de partida para seleccionar los contenidos de asfalto que seutilizaron en el experimento.

El valor de Pbi obtenido fue de 5.1%, y los contenidos de asfalto a emplear en cada

mtodo se presentan a continuacin:

Mtodo de diseoContenidos de asfalto

a utilizar

Superpave Nivel I Pbi 1.0% Pbi 0.5%

Pbi + 1.0%

Marshall Pbi 0.5% Pbi + 1.0% Pbi + 1.5%

Los contenidos de asfalto para cada mtodo se selecciona ron con objeto deobtener curvas de los parmetros mejor definidas que se analizan en el diseovolumtrico.

Los niveles de compactacin aplicados en el experimento se muestran en la Tabla4.4 y 4.5 para las probetas elaboradas con la metodologa Superpave y Marshallrespectivamente. Tanto los rangos de nivel de compactacin, como los decontenido de asfalto elegidos para cada metodologa, contemplan valores tpicosque se manejan en la prctica, para el diseo de una mezcla asfltica en calienteen el laboratorio.

Tabla 4.3Seleccin de los contenidos de asfalto


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Tipo de asfaltoNivel de

compactacin(giros)

Contenido deasfalto (%)

AC-20 sin modificar

AC-20 modificado conSBS al 3%

50

100

160

250

4.14.65.15.66.1

Nota: se elaboraron tres replicas para cada condicin

Tipo de asfaltoNivel de

compactacin(golpes/cara)

Contenido deasfalto (%)

AC-20

50

75

100

4.65.15.66.1

6.6

Nota: se elaboraron dos replicas para cada condicin

4.2.2 Elaboracin de la mezcla asflticaUna vez que los materiales se acondicionan cercanos a la temperatura demezclado, se dosifica el asfalto en peso con respecto a la mezcla total (Figura4.6a). Posteriormente se procede al cubrimiento del agregado ptreo,manteniendo la temperatura de mezclado dentro del rango especificado hasta quelas partculas ms gruesas se hayan cubierto totalmente (Figura 4.6b).

Cuando la mezcla haya alcanzado la temperatura de compactacin, se colocadentro de los moldes donde va ser compactada. Los moldes debern estarcalientes, as como los dems accesorios que se utilicen en el vaciado y acomodode la mezcla, con el fin de evitar una reduccin de temperatura de la mezclaasfltica, previa a su compactacin.

Tabla 4.4Caractersticas de las probetas Superpave

Tabla 4.5Caractersticas de las probetas Marshall


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4.2.3 CompactacinEn la compactacin de la mezcla asfltica caliente se utiliz el compactadorgiratorio para las probetas Superpave, y el martillo de impacto para las probetasMarshall. Los distintos niveles de compactacin utilizados son los establecidos enlas Tablas 4.4 y 4.5.

Figura 4.6Elaboracin de la mezcla asfltica

(a) (b)

Figura 4.7Compactacin de la mezcla asfltica

(a) (b)


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45

Una de las versatilidades del compactador giratorio son las mediciones de losesfuerzos de corte durante el proceso de compactacin.

En la Figura 4.8 se puede observar el desarrollo de los esfuerzos de corte, amedida que aumenta el nmero de giros.

Dado que se cuenta con una extensa informacin como resultado de todas lasprobetas elaboradas en el compactador giratorio, en el presente trabajo se anexaun anlisis sobre los efectos de las caractersticas de la mezcla asfltica en lasmediciones de los esfuerzos de corte, en el compactador giratorio

Con el propsito de realizar un anlisis comparativo a nivel volumtrico entre lasdos metodologas, se tom como referencia un nivel de trnsito de 10 millones deejes equivalentes (ESALs). Los niveles de compactacin para esta condicin se

incluyen en la Tabla 4.6 donde se observa que dichos niveles se encuentrandentro de los ya contemplados en el experimento.

La metodologa Superpave, en sus inicios tomaba como factores para la seleccinde la energa de compactacin (nmero de giros), el nivel de trnsito (ESALs) y latemperatura. Recientes modificaciones al mtodo, establecen que la eleccin delnmero de giros de diseo (Ndiseo) a la que se compactar la mezcla, va enfuncin del nivel del trnsito ; este mismo criterio lo comparte el mtodo Marshall.

Figura 4.8Mediciones de los esfuerzos de corte en el compactador giratorio


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Mtodo Energa de compactacin

Superpave Nivel I Ndiseo = 100 giros

Marshall 75 golpes por cara

En la Figura 4.9 se muestra el aspecto de las probetas fabricadas con cadametodologa

4.3 Pruebas fundamentales a la mezcla asflticaCon el objeto de determinar los parmetros volumtricos de la mezclas asfltica serealizaron los ensayes correspondientes para determinar la gravedad especifica

neta (Gmb) y la gravedad especfica terica mxima (Gmm).

4.3.1 Gravedad especfica neta (Gmb)El procedimiento a seguir para las probetas con un porcentaje de absorcin menoral 2 % fue el descrito por la Norma ASTM D2726. La expresin para la gravedadespecfica es la siguiente:

AGmb

B C=

(4.1)

Tabla 4.6Niveles de compactacin de diseo para 10 millones de ESALs

Figura 4.9Probetas de mezcla asfltica


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47

Donde:

A = masa del espcimen al aire

B = masa del espcimen saturado, y superficialmente secoC = masa del espcimen sumergido en agua

Para la determinar la gravedad especfica de las probetas que presentaron mas

del 2 % de absorcin se emple el procedimiento que describe la Norma ASTMD1188, la cual requiere impermeabilizar las probetas de mezcla asfltica con unapelcula de parafina (Figura 4.11).

Figura 4.10Determinacin de la gravedad especfica neta de la mezcla compactada

Figura 4.11Probetas de mezcla asfltica parafinadas


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La expresin para determinar la gravedad especfica terica mxima a partir delprocedimiento descrito por la norma ASTM D2041 es:

GGmm

G H I=

+ (4.3)

Donde:

G = masa de la mezcla asfltica (estado suelto)

H = masa del picnmetro + agua

I = masa del picnmetro + mezcla + agua

4.4 Susceptibilidad a la deformacin permanenteen el APALa evaluacin de la susceptibilidad de la mezcla asfltica a la deformacinpermanente, se realiz mediante el ensayo de rueda cargada en el APA. Elprocedimiento de la prueba se describe a continuacin:

1. Las probetas se acondicionan en el horno a la temperatura de prueba (64oC)por un espacio de 6 h previo al ensaye.

2. Se enciende el equipo, y desde el software de operacin se introduce la

temperatura de prueba en el panel de control principal (Figura 4.13).

3. Se lleva a cabo la calibracin de las ruedas del APA mediante una celda decarga (Figura 4.14), a fin de asegurar que cada rueda aplique un fuerza de 100 lbdurante el desarrollo de la prueba.

Mensadicionales

Control detemperaturaControl deoperacin

Figura 4.13Panel de control principal del APA

ANÁLISIS DE VARIANZA DEL EFECTO

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