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LOS ESFUERZOS DE TENSIÓN EN LAS CARPETAS ASFÁLTICAS Y SUS TEMPERATURAS

Ing. Pedro Corona Ballesteros

Subdirector Técnico COMSET

Introducción El objetivo de esta ponencia es dejar patente que la temperatura en la porción inferior de la carpeta es el factor que define objetivamente, la temperatura que se debe tomar en cuenta para su diseño a la fatiga y no únicamente la temperatura del aire, o la superficial, pues se ha demostrado por mediciones realizados en campo que la temperatura en lecho inferior disminuye sensiblemente conforme aumenta el espesor de la capa asfáltica, así mismo, el diferencial de temperatura, durante un día, disminuye según aumenta su espesor, también dicho aumento hace que más difiera el régimen de temperaturas de su porción inferior del régimen de temperaturas de su medio ambiente. De acuerdo al método de diseño multicapa, entre otros mecanicistas, nos señala que es el esfuerzo de tensión en el lecho inferior de la carpeta el que origina el fenómeno de fatiga, por lo que, en este trabajo, se destaca que la temperatura, en esa porción, es un factor necesario para el diseño. En el desarrollo de esta ponencia, primeramente se define el fenómeno de fatiga, posteriormente, se menciona la omisión, en los métodos actuales de diseño, de la influencia que tiene la temperatura, de la carpeta en el fenómeno de fatiga, pues en ciertos climas se agrava. Así mismo, se ilustra la forma en que varían los módulos de elasticidad con relación a la temperatura, el establecimiento de los esfuerzos de tensión y compresión, aplicando el método racional multicapa. Al final se hacen las conclusiones de rigor. I- El concepto de fatiga en los pavimentos asfálticos: La fatiga es la falla de una estructura de pavimento por la repetición continua de un esfuerzo: 1. De tensión 2. De compresión • Los pavimentos fallan por fatiga. • El riesgo de la fatiga depende de la intensidad del esfuerzo reiteradamente aplicado, en

comparación con la resistencia máxima del elemento. • La flexibilidad ayuda a soportar la fatiga, la rigidez hace lo contrario.

• En un pavimento, el riesgo de fatiga es máximo en los elementos superficiales y

disminuye en los de más profundidad. • Desafortunadamente, los elementos más rígidos han de colocarse en la superficie. • La defensa de los elementos superficiales a la fatiga por tensión será la flexibilidad o una

resistencia grande que haga los esfuerzos aplicados pequeños en comparación de la resistencia máxima del elemento.

La resistencia a la tensión del concreto asfáltico es igual a 0.17 del esfuerzo de compresión, luego el concreto asfáltico es poco resistente a la tensión, siendo esto su punto crítico y por lo tanto, la base de su diseño. II.- Causas genéricas de la fatiga, según varios autores

AUTOR En resumen: CAUSA GENÉRICA

A. Rico y H. Del Castillo. "La Ingeniería de Suelos, Vol. 2". (1)

Continuada repetición de las cargas del tránsito en pavimentos flexibles, construidos sobre terracerías, resilientes. También es típico de bases débiles o insuficientemente compactadas. El fenómeno se acelera cuando existe exceso de agua.

E.J. Yoder "Principies of Pavement Design". (2)

Pavimentos flexibles construidos sobre subrasantes resilientes. Bases débiles o insuficientemente compactadas.

Instituto del Asfalto de E.E.U.U. Antecedentes del Diseño y Análisis de Mezclas Asfálticas de Superpave".(3)

Pavimento agotado por estimación inadecuada del número de cargas pesadas, o subrasante saturada con pobre drenaje y por lo tanto, excesivamente débil.

La fatiga se debe al mal proyecto y/o procedimiento constructivo, consistente en colocar la carpeta sobre una subrasante, sub-base y/o base resilientes (con rebote) o sobre una subrasante saturada y por consiguiente excesivamente débil. Aunque en estas causas no se menciona a la temperatura de la carpeta como genérica del fenómeno de fatiga, en este trabajo se hace hincapié en su inclusión y se describe la mecánica de dicho proceso. III.- Omisión en los métodos de diseño de la influencia que tiene la temperatura de la carpeta en el fenómeno de fatiga Los métodos: 1. V.R.S.

a) Cuerpo de Ingenieros de los E.U.A. b) b)S.O.P. c) Instituto de Ingeniería de la U.N.A.M.

2. Hveem. 3. Triaxial de Texas. No consideran la temperatura del aire ni la de la carpeta para fines de diseño y de previsión de la fatiga. El método: Instituto Norteamericano del Asfalto considera la temperatura del aire pero no la de la carpeta. (4) El método: Superpave, considera la conversión de la temperatura ambiente a mínima en la carpeta, mediante fórmulas empíricas en las que no intervienen la conductividad térmica del material, calor específico, color de la superficie de rodamiento, etc. (5) lo cual no es objetivo. IV- Reología de las mezclas asfálticas, variación de sus módulos de elasticidad por efectos de la temperatura Los principales factores asociados que afectan al módulo de elasticidad de la carpeta, suponiendo buena adherencia entre el asfalto y el pétreo, y esto a su vez al dimensionamiento de los esfuerzos de tensión aplicados en el lecho inferior de la carpeta son: 1. Temperatura 2. Cantidad de asfalto 3. Tipo y cantidad de agregado grueso y fino 4. Grado de compactación De los cuatro factores anteriores podemos condicionar y fijar los tres últimos, menos el primero. Las propiedades elásticas y de fluencia de las carpetas asfálticas dependen de la temperatura como consecuencia de los cambios que se producen en las propiedades Teológicas del ligante asfáltico (cemento asfáltico), siendo el factor más importante en este aspecto la gran dependencia de la viscosidad respecto a la temperatura. Para entender más el fenómeno de la interacción de la temperatura ambiente y el concreto asfáltico, se realizaron en campo tres tipos de variaciones de la temperatura de un concreto

asfáltico a diferentes profundidades, clasificándolas por su temperatura media, y color superficial, a saber:

MEDIA MÁXIMA MÍNIMA COLOR SUPERFICIAL

28 ºC 38 ºC 18 ºC Oscuro 18 ºC 28 ºC 8 ºC Oscuro

18 ºC 28 ºC 8 ºC Claro

Variaciones que quedaron representadas en las figuras 1, 2 y 3. De las figuras 1,2 y 3, donde se describe la temperatura del concreto asfáltico a diferentes profundidades y colores, se pueden hacer los siguientes comentarios. 1. La temperatura del lecho inferior de la carpeta disminuye conforme aumenta la

profundidad. 2. El diferencial de temperatura "máxima a mínima" del lecho inferior de la carpeta, también

disminuye conforme aumenta la profundidad. 3. El diferencial de temperatura máxima del lecho inferior de la carpeta con respecto a la

máxima ambiente, disminuye conforme aumenta la profundidad. 4. El diferencial de temperatura mínima del lecho inferior de la carpeta con respecto a la

mínima ambiente, aumenta conforme aumenta la profundidad. 5. Con un espesor de carpeta de 20 cm, la temperatura máxima del lecho inferior, se

aproxima mucho a la máxima ambiente y el diferencial de máxima a mínima es bajo. 6. De lo anterior se desprende que el espesor de la carpeta es un factor de gran influencia

para condicionar su temperatura de diseño, así mismo, que la temperatura, definida según el espesor de la carpeta, es un elemento objetivo y necesario para el cálculo de los esfuerzos.

7. En una superficie de rodamiento de color claro, la temperatura máxima en el lecho

inferior de carpeta es menor que la máxima de una de color oscuro para una insolación y viento dados; obteniéndose diferenciales más bajos y por ende una reología más estable de la mezcla. Por lo que también, el color de la superficie de rodamiento es otro factor a considerar para dimensionar el fenómeno de fatiga.

8. La sola consideración de la temperatura ambiente no es suficiente para constituirse como

dato objetivo y confiable en los diseños y evaluación de pavimentos.

TEMPERATURA ºC PROFUNDIDAD

MÁXIMA MÍNIMA DIFERENCIALOBSERVACIONES

SUPERFICIE 61 25 36 MÁX. A LAS 3 P.M. 10 cm 47 29 18 MÁX. A LAS 4 P.M. 20 cm 40 33 7 MÁX. A LAS 8 P.M. 30 cm 37 34 3 MÁX. A LAS 12 P.M.



SUPERFICIE 43 8 35 MÁX. A LAS 3:00 P.M. * 27 ºC TEMP. AMB.

5 cm 38 15 23 MÁX. A LAS 4:00 P.M. * 27 ºC TEMP. AMB.




*MIN. A LAS 6:00 A.M. CON 8 ºC DE TEMP. AMB. MÁX. A LAS HORAS INDICADAS, CON TEMP. AMB. DE 25 A 27 ºC



SUPERFICIE 32 8 24 MÁX. A LAS 3:00 P.M. MÍN. A LAS 6:00 A.M.

5 cm 27 10 17 MÁX. A LAS 4:30 P.M. MÍN. A LAS 6:00 A.M.




V. Variación del esfuerzo de tensión en las carpetas asfálticas en función de la temperatura Previo al cálculo de los esfuerzos de tensión se requiere determinar los módulos de elasticidad variando la temperatura. Para mayor comprensión de este asunto, analizaremos, a manera de ejemplo, un concreto asfáltico común en nuestro medio constructivo, con contenido óptimo de cemento asfáltico tipo AC-20 de 6%, con y sin modificador, granulometría tipo denso dentro de la zona especificada por la norma de construcción SCT, y con 5% de vacíos. Estos datos están plasmados en la figura 4, los cuales fueron obtenidos en el laboratorio. Como puede observarse en dicha figura, se presentan dos gráficas cruzadas. La curva correspondiente al asfalto solo, del cruce hacia el origen (zona fría), tiene valores mayores que la del asfalto modificado; del cruce hacia la derecha (zona caliente) se obtienen valores menores, mientras que con la curva perteneciente al asfalto modificado con SBS al 3%, se obtiene lo contrario. Lo anterior es indicativo de un comportamiento más estable de la mezcla elaborada con asfalto AC-20 modificado, ante los cambios climatológicos o de temperatura. Con los módulos de elasticidad, operándolos mediante el método multicapa (6) en una estructura común usada en nuestro medio, a saber: Carpeta de concreto asfáltico =10 cm Base y subbase hidráulicas =20 cm c/u Subrasante =30 cm Se obtienen los esfuerzos de tensión y compresión que se describen en las tablas 1 y 2, e ilustrados en las figuras 5 y 6. La mezcla con asfalto AC-20 sin modificador, a temperaturas de carpeta igual o mayores a 35°C, al presentarse pequeños esfuerzos de tensión aplicados en comparación de la resistencia máxima, no se da el fenómeno de fatiga.

Los demás valores de temperaturas, tanto los correspondientes a la mezcla de pétreo con asfalto con y sin modificador, al presentarse esfuerzo de tensión aplicados de valor significativo, si ocurre el fenómeno de fatiga. Como puede observarse, módulos de elasticidad elevados, mayores a 10,000 kg/cm2, establecen capas cohesivas y duras que, sobre todo, bajo cargas rápidas se comportan como losas que descansan en cimentaciones de módulos mucho, más bajos, por consiguiente, las carpetas cohesivas atraen esfuerzos de tensión que no pueden aliviar a través de la vida útil, fallando, tempranamente, a la fatiga por tensión. Pocos lapsos ocurren temperaturas, en el lecho inferior de la carpeta, igual o mayores a 35°C en este tipo de estructura. Por otra parte, los esfuerzos de compresión sobre la subrasante, varían de menos a más, al aumentar la temperatura de la carpeta (0.383 a 0.560 kg/cm2). Para este caso, dichos esfuerzos son de consideración si los comparamos con los obtenidos con una carpeta de 22.5 cm de espesor, una base de 15 cm y a 15.6°C de temperatura de la carpeta (0.224 kg/cm2). Por considerarlo pertinente, enseguida consignamos las tablas 1 y 2 y las gráficas correspondientes de esfuerzos de tensión y compresión en la carpeta de concreto asfáltico de 10 cm de espesor, construida con un asfalto AC-20, sin modificar y modificado con SBS al 3% en peso; sobre una base hidráulica de 20 cm, una sub-base de 20 cm y subrasante, en función de la temperatura de la carpeta, esfuerzos determinados mediante el método multicapa. Tabla 1

ESFUERZOS DE TENSIÓN EN EL LECHO DE LA CARPETA, EN kg/cm2

TEMPERATURA DE LA CARPETA °C

ASFALTO AC-20 SIN MODIFICADOR

ASFALTO AC-20 CON MODIFICADOR SBS AL 3% CON

ESTABILIZADOR 10 20.92 19.42

21 8.12 10.17

35 0.93 5.30

45 -4.35 3.50

Tabla 2

ESFUERZOS DE COMPRENSIÓN SOBRE LA BASE HIDRÁULICA Y LA SUBRASANTE, EN kg/cm2

ASFALTO AC-20 SIN MODIFICADOR ASFALTO AC-20CON MODIFICADOR SBS AL 3% CON ESTABILIZADOR TEMPERATURA DE

LA CARPETA °C ESF. SOBRE LA BASE HIDRÁULICA

ESF. SOBRE LA SUBRASANTE

ESF. SOBRE LA BASE HIDRÁULICA

ESF. SOBRE LA SUBRASANTE

10 2.147 0.383 2.240 0.448 21 3.610 0.398 3.360 0.504 35 4.480 0.560 3.950 0.533 45 5.040 0.560 4.500 0.544

Para entender mejor cómo influye el espesor de la carpeta y la temperatura al estimar el esfuerzo de tensión aplicado y su correspondiente deformación unitaria, hacemos el siguiente: Ejemplo: Considerando a continuación, las condiciones para diseñar un pavimento con carpeta de concreto asfáltico y base hidráulica, y utilizando el método del Instituto del Asfalto:

Módulo de la subrasante = 80 M Pa (8% VRS) Clima (M A A T) =15.6°C (aproximadamente la media anual del altiplano) Tráfico de diseño = 3 X 106 EAL

Alternativa 1

De la gráfica de diseño A-11, los espesores del pavimento serían: 225 mm de Concreto Asfáltico 150 mm de Base Hidráulica

Alternativa 2 Como alternativa usual en nuestro país, casi siempre, se proyecta una estructura equivalente, a saber:

100 mm de concreto asfáltico 400 mm de base y subbase hidráulica.

La alternativa 1, a la temperatura ambiente media anual de 15.6°C, el lecho inferior de la carpeta tiene un temperatura mínima de 21°C, con lo cual, operando el método multicapa (7), nos presenta un esfuerzo de tensión inducido en el lecho inferior de 5.5 kg/cm2. Ahora bien, si hubiéramos realizado los cálculos con la temperatura media anual de 15.5°C, el esfuerzo de tensión inducido en el lecho inferior, sería de 9.6 kg/cm2, casi el doble del calculado de acuerdo al de la temperatura mínima del lecho inferior; circunstancia que hace se presente más pronto el fenómeno de fatiga, al obtener 76 μin/in, cantidad ligeramente mayor al límite superior (70 μin/in) que considera Monismith para el cual no se presenta daño por fatiga para un EAL de más de 3 x 106, lo cual no es correcto. Por otra parte, el haber disminuido el espesor de la carpeta a 100 mm, hizo que la temperatura ambiente media anual de 15.6°C coincidiera con la mínima del lecho inferior de la carpeta, en razón de esto, operando el método multicapa, nos arroja un esfuerzo de tensión inducido en el lecho inferior, de 14.1 kg/cm2 para ambas temperaturas, condición que

produce una deformación unitaria de 103 microinches/inches (103 μin/in) superior a 70 μin/in (8) que se considera como límite superior, por lo que, en este caso, sí se presenta el fenómeno de fatiga y en forma temprana. En resumen, si se conserva el espesor de 225 mm en la carpeta, se presenta una temperatura, en el lecho inferior, menos propicia al fenómeno de fatiga, y al mismo tiempo, se evita la excesiva deformación unitaria a la tensión causante directa de este fenómeno. Por otro lado, al no tomar en cuenta la temperatura del lecho inferior de la carpeta, para dimensionar los esfuerzos de tensión, nos pueden conducir a diseños incorrectos. VI. Conclusiones 1. Es sabido que el factor más importante que afecta al módulo de elasticidad de la carpeta

es su temperatura, ya que las propiedades elásticas y Teológicas del ligante asfáltico son modificadas sustancialmente por dicho factor.

2. Por mediciones realizadas en campo se dedujo que la variación, en más, del espesor de

la carpeta asfáltica, hace que más difiera el régimen de temperatura de su porción inferior, del régimen de temperaturas de su medio ambiente; que el diferencial de temperaturas, máxima a mínima de la carpeta disminuya; y que el diferencial de temperaturas, mínima ambiente a mínima de la porción inferior de la carpeta, aumente al crecer esta última. En razón de esto, se deduce que el espesor de la carpeta asfáltica es el factor de gran importancia para estimar, objetivamente, la temperatura de su diseño y en consecuencia, para el cálculo de los esfuerzos de tensión aplicados. .

3. En las superficies de rodamiento de color claro, para una insolación y viento dados,

disminuyen los máximos y mínimos de temperatura, tanto superficiales como en la porción inferior de la carpeta; también se observan diferenciales más bajos entre ambos, en sí, se manifiesta una reología más estable.

4. Los métodos de diseño de uso actual para proyecto de pavimentos, unos toman en

cuenta el efecto de la temperatura ambiente y otros ni eso, por lo que pensamos que debe corregirse esta omisión en aras de la objetividad.

5. En igualdad estructural, a mayor temperatura de la carpeta, menos módulo elástico y por

lo tanto, menor es el valor del esfuerzo de tensión aplicado en su porción inferior y viceversa.

6. El no considerar la temperatura de la porción inferior de la carpeta, sino más bien, la

temperatura ambiente nos conduce a: - En el caso de decidirse por proyectar un espesor grueso de concreto asfáltico, estimar,

en más, el esfuerzo de tensión aplicado en el lecho inferior de la carpeta. - En caso de reducir el espesor de la carpeta, en climas templados y fríos, no percatarse

de que esto expone al lecho inferior de la carpeta a recibir un esfuerzo a la tensión real

mucho mayor al que se le calculó por espesor y temperatura ambiente. Las bajas temperaturas de los climas templados y fríos del país, originan módulos de elasticidad elevados, los cuales dan origen a capas cohesivas y duras que, con la acción de las cargas rápidas se comportan como losas, las cuales atraen los esfuerzos de tensión que no pueden aliviar durante su vida útil dado su delgadez, contribuyendo más a que, prematuramente, ocurra la fatiga por tensión (9).

7. Es importante que el proyectista, para el diseño del espesor y composición de la carpeta

asfáltica, tome en cuenta la temperatura de su porción inferior a fin de determinar los esfuerzos de tensión aplicados por el tráfico. En logro de esta temperatura a la profundidad y tiempo deseados, se podría aplicar el modelo matemático de Fourier (10) en el cual se implica: el calor específico del material, su coeficiente de conductibilidad térmica y peso específico, su temperatura superficial (la cual se podrá obtener de una carpeta de una zona cercana a la del estudio en igualdad de color). Lo mejor sería contar con datos de temperaturas de la porción inferior de carpetas de la zona por estudiar.

VII.- BIBLIOGRAFÍA 1. Rico A. y del Castillo H., "La Ingeniería de Suelos, Vol. 2", Edit. Limusa, México, 1997, la.

Edición, p.p. 125-127. 2. Yoder, E. J. "Principies of Paviment Desing" Edit. Wiley and Sons, EE.UU., 1975, 2a.

Edición, p. 629. 3. Instituto Norteamericano del Asfalto "Antecedentes del Diseño y Análisis de Mezclas

Asfálticas de Superpave", EE.UU., 1996, p.p. 11 y 12. 4. Asphalt Institute, "Thicness Design Asphalt Pavements for Highway an Streets", Manual

Series No. 1 (MS-1), EE.UU., 1991, p. 10. 5. Instituto Norteamericano del Asfalto, op cit, p.p. 33-37. 6. Yoder, E. J., op cit, p.p. 44-70 7. Idem, p.p. 44-70. 8. Yoder, E. J., op cit, p. 285. 9. Jeuffroy G. "Proyecto y Construcción de Carreteras, Tomo 1" Edit. Editores Tec.

Asociados, S.A., España, 1972, p.300. 10. Jeuffroy G. "Proyecto y Construcción de Carreteras, Tomo 2" Edit. Editores Tec.

Asociados, S. A., España 1972, p.268.

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