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Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación mediante la
viscosidad a corte cero
Ponente
Ing. Israel Sandoval Navarro
3° Congreso Salvadoreño del Asfalto
Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación mediante la
viscosidad a corte cero.
Índice
• Introducción.
• Hipótesis.
• Parte experimental.
• Resultados.
• Conclusiones.
Introducción
• El proceso constructivo es un paso fundamental en la calidad deuna carpeta asfáltica, de nada sirve tener los mejores materiales ytener un diseño de alto desempeño si el proceso constructivo no sehace de manera adecuada.
• Las temperaturas de mezclado y compactación tienen unaimportancia fundamental en la calidad y desempeño de la mezclaasfáltica, en mayor medida la temperatura de compactación, si estano es la correcta se puede disminuir la durabilidadconsiderablemente.
Introducción
• Existen métodos para determinar estas temperaturas para diseños enlaboratorio las cuales pueden servir como referencia para campo, uno delos mas usados es el recomendado por el “Asphalt Institute”.
• En este método se recomienda hacer una grafica viscosidad vstemperatura “tradicional” y determinar las temperaturas de trabajomediante los rangos de viscosidad establecidos, 0.17 ± 0.02 Pa·s paratemperatura de Mezclado y 0.28 ± 0.03 Pa·s para temperatura decompactación.
• Se puede emplear un viscosímetro rotacional.
The asphalt handbook MS-4, 7th Edition
Curva Viscosidad vs temperatura “tradicional”
The asphalt Handbook
En el manual se hacen algunas aclaraciones sobre como se puede usar lainformación obtenida bajo este método.
• “Estos rangos de viscosidad NO son validos para asfaltos modificados”.
• “El diseñador debe considerar las recomendaciones del productor delasfalto modificado para establecer las temperaturas de mezclado ycompactación”
• “Prácticamente la temperatura de mezclado no debe exceder 165°C yla temperatura de compactación no debe ser menor de 115°C”.
Además hay que tener en cuenta que:
• Estas temperaturas son para fabricación de especímenes
en el diseño.
• No necesariamente pueden usarse directamente en obra,
es necesario considerar las condiciones del sitio,
maquinaria, tipo de mezcla, etc.
• Esto se ha convertido en un problema para dependencias,productores de asfaltos modificados y mezclas asfálticas,constructores y supervisores.
• En obra uno de los requisitos establecidos por las dependenciases contar con el rango de temperaturas de mezclado ycompactación obtenidas de la curva “tradicional”.
Temperaturas de trabajo, método “tradicional”
nl.depositphotos.comes.123rf.com
Curva de viscosidad “tradicional” para un asfalto PG 76-22 modificado
Temperatura de mezclado : 197 a 211°CTemperatura de compactación : 163 a 172°C
• El viscosímetro rotacional aplica esfuerzos bajos y velocidades relativamente altas.
• El asfalto virgen presenta un comportamiento Newtoniano y su comportamiento no depende de la velocidad de corte.
• El asfalto modificado presenta comportamiento No-Newtoniano y su comportamiento depende de la velocidad de corte.
• La combinación de velocidades relativamente altas, esfuerzos bajos y el comportamiento de los asfaltos modificados resulta en temperaturas de mezclado y compactación muy elevadas.
• Esta comprobado que en campo no se requieren temperaturas tan elevadas para mezclar y compactar adecuadamente con asfaltos modificados.
Porque no funciona la curva de viscosidad “tradicional” para asfaltos modificados
Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación mediante la
viscosidad a corte cero.
Índice
• Introducción.
• Hipótesis.
• Parte experimental.
• Resultados.
• Conclusiones.
Hipótesis
La Viscosidad a Corte Cero puede usarse para determinar lastemperaturas de mezclado y compactación, evitando con esteparámetro la dependencia a la velocidad de corte.
1 10 100
2x105
4x105
6x105
8x105
106
Barrido de frecuencia
0
Eta'
Viscosidad
(P)
, (rad/s)
flujo
Cantidad de energía disipadaconstante a través de las capas del material.
Viscosidad a Corte Cero VCC
Hipótesis
Viscosidad Rotacional (VR)Viscosidad a Corte Cero (VCC), DSR
Asfalto virgen (Newtoniano)VCC = X a Tm y VCC = Y a Tc
Asfalto virgen (Newtoniano)VR = 0.17 a Tm y VR = 0.28 a Tc
Asfalto modificado (Newtoniano)
VCC = XTemperatura mezclado
VCC = YTemperatura compactación
Asfalto modificado (No Newtoniano)VR = 0.17 a Tm y VR = 0.28 a Tc
Temperaturas muy altas
Tm= Temperatura de mezcladoTc= Temperatura de compactación
Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación mediante la
viscosidad a corte cero.
Índice
• Introducción.
• Hipótesis.
• Parte experimental.
• Resultados.
• Conclusiones.
• Cono y plato
Reómetro de corte dinámico DSR
• Cono
• 40mm
• 1°
• Trunc. 27 micro m
Materiales
Parte experimental
ASFALTOS CONVENCIONALES
Identificación País de Procedencia Clasificación
Ekbe Salamanca Mx México PG 64-22
AC20 Salina Cruz Mx México AC-20
USA 1 Estados Unidos PG 64-22
AC30 Nicaragua Nicaragua AC-30
USA 2 Estados Unidos PG 64-22
AC20 Tula Mx México AC-20
60/70 Colombia Colombia Penetración 60 - 70
Ekbe Cadereyta Mx México PG 64-22
ASFALTOS MODIFICADOS
Identificación Clasificación
MOD 1 PG 76-16
MOD 2 PG 82-22
MOD 3 PG 70-22
MOD 4 PG 88-16
MOD 5 PG 76-22
MOD 6 PG 76-16
Pruebas empíricas, asfaltos convencionales
PRUEBA EkbeSalamanca Mx
AC20 Salina Cruz Mx
USA 1 AC30 Nicaragua
USA 2 AC20 Tula Mx
60/70 Colombia
EkbeCadereyta Mx
ASFALTO ORIGINAL
PENETRACIÓN 25°C, (1/10 mm)
69 71 66 51 60 48 63 63
PUNTO DE REBLANDECIMIENTO, (°C)
51 50 51 58 52 55 49 52
VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP)
403.5 401.0 433.6 517.4 456.7 487.0 351.0 459.0
ASFALTO ENVEJECIDO POR RTFO
PÉRDIDA DE MASA (%)
0.45 0.86 0.36 0.15 0.21 0.35 0.25 0.23
PENETRACIÓN 25°C (1/10 mm)
37 35 40 35 42 39 39 38
VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP)
624.0 685.5 732.4 826.0 635.9 621.0 548.0 674.3
Parte experimental
Grado PG, asfaltos convencionales (1)PRUEBA Ekbe
Salamanca Mx
AC20 Salina Cruz Mx
USA 1 AC30 Nicaragua
ASFALTO ORIGINAL
PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND, (°C) > 300 >300 >300 >300
VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm, (cP) 403.5 401.0 433.6 517.4
MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO 64°C [G*/senδ], (KPa) 1.335 1.393 1.492 2.118
ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C, (°) 83.51 83.50 85.76 85.84
ASFALTO ENVEJECIDO POR RTFO
PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163°C, (%) 0.45 0.86 0.36 0.15
MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO 64°C [G*/senδ], (KPa) 3.670 3.758 3.742 4.310
ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C (°) 77.35 75.24 80.80 76.14
ASFALTO ENVEJECIDO POR PAV
MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO A 25°C [G*senδ], (KPa) 2558 2813 632 2549
RIGIDEZ EN CREEP A -12°C, 60s S(t), (MPa) 112.69 162.45 142.65 180.32
VALOR m(t) A -12°C, 60s S(t), (adimensional) 0.293 0.290 0.304 0.291
GRADO DE DESEMPEÑO PG 64-16 PG64-16 PG 64-22 PG70-16
Grado PG, asfaltos convencionales (2)PRUEBA USA 2 AC20 Tula
Mx60/70 Colombia
EkbeCadereyta Mx
ASFALTO ORIGINAL
PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND, (°C) >300 >300 >300 >300
VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm, (cP) 456.7 487.0 351 459
MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO 64°C [G*/senδ], (KPa) 2.180 1.611 0.988 1.208
ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C, (°) 86.79 82.98 86.95 83.15
ASFALTO ENVEJECIDO POR RTFO
PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163°C, (%) 0.21 0.35 0.25 0.23
MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO 64°C [G*/senδ], (KPa) 3.751 3.546 2.365 3.389
ÁNGULO DE FASE (δ) A 64°C (°) 82.58 83.12 83.46 85.59
ASFALTO ENVEJECIDO POR PAV
MÓDULO REOLÓGICO CORTE DINÁMICO A 25°C [G*senδ], (KPa) 872 2179 2180 2061
RIGIDEZ EN CREEP A -12°C, 60s S(t), (MPa) 146.331 175.695 142.475 152.03
VALOR m(t) A -12°C, 60s S(t), (adimensional) 0.321 0.280 0.332 0.308
GRADO DE DESEMPEÑO PG 64-22 PG 64-16 PG 58-22 PG 64-22
Pruebas empíricas, asfaltos modificados
PRUEBA / Asfalto Modificado MOD 1PG 76-22
MOD 2PG 82-22
MOD 3PG 70-22
MOD 4PG 88-16
MOD 5PG 76-22
MOD 6 PG 76-16
ASFALTO ORIGINAL
PENETRACIÓN 25°C, (1/10 mm) 49 50 58 40 64 62
PUNTO DE REBLANDECIMIENTO, (°C) 64 66 60 70 62 61
REC. ELÁSTICA X TORSION 25°C, (%) 51 54 38 44 61 13
VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP) 1627 2655 1047 3258 936 1146
SEPARACIÓN ASFALTO MODIFICADO (°C) 0 0 0 0 34 0
ASFALTO ENVEJECIDO POR RTFO
PÉRDIDA DE MASA (%) 0.31 0.27 0.30 0.10 0.35 0.35
PENETRACIÓN 25°C (1/10 mm) 28 29 30 25 39 37
PUNTO DE REBLANDECIMIENTO, (°C) 74 75 70 81 72 70
REC. ELÁSTICA X DUCTILOMETRO 20cm, 5 min. Reposo 25°C, (%)
65 50 44 --- 83 23
VISCOSIDAD ROTACIONAL 135°C (cP) 3461 4568 2417 4950 2026 2145
Parte experimental
Grado PG, asfaltos modificadosPRUEBA / Asfalto Modificado MOD 1 MOD 2 MOD 3 MOD 4 MOD 5 MOD 6
ASFALTO ORIGINAL
PUNTO DE INFLAMACIÓN CLEVELAND, (°C) > 300 >300 >300 >300 >300 >300
VISCOSIDAD ROTACIONAL A 135°C SC4-27 12 rpm, (cP) 1627 2655 1047 5706 936 1146
MÓDULO REO. CORTE DINÁMICO A PG [G*/senδ], (KPa) 1.359 1.400 1.596 1.355 1.090 1.712
ÁNGULO DE FASE (δ) A PG, (°) 64.56 58.07 68.86 56.86 77.72 72.19
ASFALTO ENVEJECIDO POR RTFO
PÉRDIDA DE MASA POR CALENTAMIENTO A 163°C, (%) 0.31 0.27 0.30 0.10 0.35 0.35
MÓDULO REO. CORTE DINÁMICO A PG [G*/senδ], (KPa) 4.060 3.419 5.116 2.718 2.361 6.665
ÁNGULO DE FASE (δ) A PG, (°) 57.24 51.70 61.61 51.89 67.33 60.17
ASFALTO ENVEJECIDO POR PAV
MÓDULO REO. CORTE DINÁMICO A PG [G*senδ], (KPa) 1184 1001 1961 1586 988 1708
RIGIDEZ EN CREEP A PG, 60s S(t), (MPa) 138.56 120.82 146.60 185.17 89.64 130.44
VALOR m A PG, 60s, m(t), (adimensional) 0.305 0.323 0.304 0.310 0.316 0.312
GRADO DE DESEMPEÑO Temperaturas de prueba (°C): Alta, Media, baja
PG76-2276,31,-12
PG82-2282,34,-12
PG70-2270,31,-12
PG88-1688,34,-6
PG76-2276,31,-12
PG76-1676,31,-6
Parte experimental
• Paso 1. Determinar Temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos convencionales.
• Curva Viscosidad vs temperatura “tradicional”.
Asfalto Convencional PG Temperatura de
mezclado (˚C)
Temperatura de
compactación (˚C)
Ekbe Salamanca Mx 64-16 153 - 159 141 - 146
AC20 Salina Cruz Mx 64-16 154 - 160 142 – 147
USA 1 64-22 161 - 166 149 – 155
AC30 Nicaragua 64-16 152 - 158 140 – 145
USA 2 70-22 159 - 164 147 – 153
AC20 Tula Mx 64-16 156 - 162 144 – 149
60/70 Colombia 58-22 148 - 154 136 – 141
Ekbe Cadereyta Mx 64-22 154 - 160 142 - 147
Temperatura de MezcladoViscosidad Rotacional = 0.17 ± 0.02 Pa·s
Temperatura de CompactaciónViscosidad Rotacional = 0.28 ± 0.03 Pa·s
Barrido de frecuencia
1 10 100
2x105
4x105
6x105
8x105
106
Barrido de frecuencia
0
Eta'
Viscosidad
(P)
, (rad/s)
• Prueba oscilatoria.
• Deformación ó Esfuerzo constante.
• Cambia frecuencia o velocidad de corte
• Paso 2. Determinar Viscosidades a Corte Cero a las temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos convencionales.
Parte experimental
• Paso 2. Determinar Viscosidades a Corte Cero a las temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos convencionales.
✓Paso 2a. Barridos de frecuencia en DSR.• Asfalto Original.
• 0.1 a 100 rad/s.
• 120 Pa.
• 90 a 170˚C.
Parte experimental
• Paso 2. Determinar Viscosidades a Corte Cero a las temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos convencionales.
✓Paso 2b. Curva VCC vs Temperatura.• Una para cada asfalto.
• 120 Pa.
• 90 a 170˚C.
Parte experimental
• Paso 2. Determinar Viscosidades a Corte Cero a las temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos convencionales.
✓Paso 2c. Valor de VCC a temperaturas de mezclado y compactación para cada uno de los asfaltos convencionales.
Temperatura de mezclado Temperatura de compactación
Log (η0) 0.144 ± 0.02 0.249 ± 0.03
Parte experimental
• Paso 3. Determinar Temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos modificados mediante Viscosidad a Corte Cero VCC.
✓Paso 3a. Barridos de frecuencia en DSR.• Asfalto Original.
• 0.1 a 100 rad/s.
• 120 Pa.
• 100 a 180˚C.
Parte experimental
• Paso 3. Determinar Temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos modificados mediante Viscosidad a Corte Cero VCC.
✓Paso 3b. Curva VCC vs Temperatura.• Una para cada asfalto.
• 0.1 a 100 rad/s.
• 120 Pa.
• 100 a 180˚C.
Parte experimental
Curvas de Viscosidad a Corte Cero VCC vs Temperatura para los asfaltos modificados.
Parte experimental
• Paso 3. Determinar Temperaturas de mezclado y compactación para asfaltos modificados mediante Viscosidad a Corte Cero VCC.
✓Paso 3c. Determinar temperaturas de mezclado y compactación para cada uno de los asfaltos modificados.
Temperatura de mezclado Temperatura de compactación
Log (η0) 0.144 ± 0.02 0.249 ± 0.03
Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación mediante la
viscosidad a corte cero.
Índice
• Introducción.
• Hipótesis.
• Parte experimental.
• Resultados.
• Conclusiones.
Resultados
En las siguientes tablas se muestran las temperaturas de mezclado ycompactación de los asfaltos modificados determinadas con la Viscosidada Corte Cero.
Columnas:
• Viscosidad Rotacional VR. Son las temperaturas de mezclado ycompactación determinadas con el viscosímetro rotacional mediante elmétodo tradicional.
• Experiencia. Son las temperaturas que regularmente se recomiendanpara este tipo de asfaltos, se han calculado con trabajos realizadosdurante 15 años y valores de módulo resiliente con los que se hadeterminado que a estas temperaturas se obtienen las mejorespropiedades mecánicas. Solo aplican para esos asfaltos modificados enespecífico.
• Viscosidad a Corte Cero VCC. Son las temperaturas de mezclado ycompactación calculadas con los valores obtenidos en el reómetro decorte dinámico empleando la Viscosidad a Corte Cero Log(ηo).
Resultados
Temperaturas de mezclado para asfaltos modificados.
Temperatura de mezclado (˚C)
determinada por
Asfalto PG δ
(˚)
Viscosidad
Rotacional VR
Experiencia Viscosidad a Corte
Cero VCC
Modificado 1 76-16 62.89 179 – 185 167 – 173 170 – 174
Modificado 2 82-16 57.71 184 – 190 172 – 178 171 – 175
Modificado 3 70-16 67.72 172 – 179 165 – 171 164 – 168
Modificado 4 88-16 51.81 190 – 194 No
disponible
172 – 176
Modificado 5 76-16 74.81 176 – 184 No
disponible
166 – 170
Modificado 6 76-16 74.26 168 – 174 No
disponible
162 – 166
Resultados
Temperaturas de compactación para asfaltos modificados.
Temperatura de compactación (˚C)
determinada por
Asfalto PG δ
(˚)
Viscosidad
Rotacional VR
Experiencia Viscosidad a Corte
Cero VCC
Modificado 1 76-16 62.89 169 – 173 157 – 163 162 – 166
Modificado 2 82-16 57.71 173 – 177 162 – 168 164 – 168
Modificado 3 70-16 67.72 162 – 165 155 – 161 156 – 160
Modificado 4 88-16 51.81 178 – 182 No
disponible
165 – 169
Modificado 5 76-16 74.81 163 – 167 No
disponible
158 – 162
Modificado 6 76-16 74.26 159 – 162 No
disponible
154 – 158
Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación mediante la
viscosidad a corte cero.
Índice
• Introducción.
• Hipótesis.
• Parte experimental.
• Resultados.
• Conclusiones.
Conclusiones
• Debido a que el método constructivo tiene gran influencia en ladurabilidad de una mezcla asfáltica es de suma importanciacontar con un método de selección de temperaturas de trabajoque ofrezca mayor certeza cuando se trabaja con asfaltosmodificados.
• Como resultado del trabajo de investigación se desarrolló unmétodo y se establecieron valores de VCC para determinartemperaturas de mezclado y compactación, este procedimientoestima el comportamiento reológico de los asfaltos y no se velimitado por las condiciones de trabajo como por ejemplo lavelocidad de corte.
Conclusiones
• Las temperaturas de mezclado y compactación determinadasmediante la Viscosidad a Corte Cero son similares a las que sedeterminaron por experiencia demostrando que el métodopropuesto puede determinar temperaturas de trabajo confiablesen algunos minutos, algo que por experiencia ha tomado añosde trabajo.
• El método ha demostrado que a pesar de las diferencias entrelos asfaltos modificados como módulos reológicos yprincipalmente ángulos de fase, es capaz de determinar lastemperaturas de mezclado y compactación de manera confiable,lo que lo hace aplicable para cualquier tipo de asfalto virgen omodificado.
RETOS Y OPORTUNIDADES EN EL MUNDO DEL ASFALTO
Guadalajara, Jalisco, México del 25 al 29 de Noviembre de 2019
xxcila.mx
Temática de Trabajos Técnicos
1. Materiales asfálticos.
2. Materiales pétreos.
3. Mezclas asfálticas en caliente.
4. Mezclas Asfálticas a baja temperatura.
5. Proyecto estructural de pavimentos.
6. Construcción y conservación de pavimentos.
7. Ecoeficiencia en la pavimentación.
8. Gestión de activos.
9. Formación de recursos humanos.