Diseño de Asfaltos Modificados con GCR por desempeño, para su uso en obras de

pavimentación

LA INFORMACION CONTENIDA EN ESTE DOCUMENTO ESPROPIEDAD INTELECTUAL RESERVADA POR

HUMBERTO QUINTERO Y CIA SCASu uso inadecuado y sin consentimiento viola las leyes de autor

CUAL PROBLEMÁTICA?.....

VENTAJAS DESVENTAJAS

GCR

• El grano reciclado en el cemento asfáltico actúa

como un agente inhibidor del envejecimiento;

prolongando la capacidad cohesiva del mismo en el

tiempo.

• La mezcla al ser modificada se vuelve más flexible

a bajas temperaturas y a altas logra ser menos

plástica.

• El negro de humo proveniente del GCR

previene el desgaste por el roce llanta – pavimento;

además refuerza el asfalto y disminuye la oxidación y

el envejecimiento.

• El GCR da flexibilidad y mejora la

Susceptibilidad térmica, así como las

propiedades mecánicas.

• El costo de fabricar este tipo de mezclas supera al de las

mezclas convencionales y modificadas.

• El proceso de fabricación de la mezcla repercute en

mayores costos debido a que se incrementa la cantidad

requerida de cemento asfáltico, así como se incrementan

los tiempos de compactación en obra.

• El proceso de modificación por vía húmeda

requiere de equipo adicional y cambio de bombas y

tuberías, además de un incremento en la energía para

calentar la mezcla con tiempos mayores de mezclado.

• La absorción de aceites del asfalto por el GCR afecta

negativamente las propiedades de cohesividad y

adhesividad del ligante; convirtiendo la mezcla en una

mezcla seca.

Algunas ventajas y desventajas del Grano de Caucho Reciclado

Proceso de modificación de asfalto con GCR en una planta asfáltica

Digestión del caucho en el betún asfáltico

• Características del betún asfáltico original

• Incorporación de aceites compatibilizantes

• Porcentaje de caucho

• Granulometría del caucho

Factores que influyen en la digestión

•Superficie específica

• Impurezas del caucho

• Mezclador empleado

• Tiempo y temperatura de reacción

Tabla 1. RESULTADOS DE PENETRACIÓN CEMENTOS ASFALTICOS.

FECHAELABORACIÓN

CONSECUTIVOMUESTRAS

DATOSDATOSDELA

CONTRAMUESTRA09/09/2016

PLACADEVEHICULOS

06/09/2016 Q-5628-09-16 63,0 64,6 UZN115

06/09/2016 Q-5619-09-16 62,7 61,9 SWK462

05/09/2016 Q-5618-09-16 55,6 55,4 ZNK634

DISEÑO MARSHALL MDC-19

Características

NT-3

Especímenes

PRODUCCIÓN

31/08/2016

Especímenes

PRODUCCIÓN

01/09/2016Especímenes de

DISEÑO HQEspecificación

Compactación, golpes/cara 75 75 75 75

Estabilidad óptima, N 22799 23198 16935 >9000

Flujo, mm 3.42 3.51 3.40 2 – 3,5

Densidad Bulk Kg/m3 2.373 2.359 2.307 N.A.

Gmm g/cm3 2.474 2.478 2.415 N.A.

Vacíos con aire 4.08 4,80 4,47 4 – 6

Estabilidad / flujo, KN/mm 6,7 9,3 4,9 3 - 6

Tipo de Mezcla Asfáltica

MDC-19 + CAN 60/70 Aditivado

al 1,0% PRODUCCIÓN 31/08/2016 MDC-19 + CAN 60/70 Aditivado al

1,0% PRODUCCIÓN 01/09/2016

MDC-19 + CAN 60/70

Aditivado al 1,0% DISEÑO HQ

Evaluación de la Susceptibilidad al agua de las Mezclas Asfálticas

compactadas utilizando la prueba de Tracción Indirecta (TSR).

Artículo 450-13 Numeral 450.5.2.4.5

(Mínimo 80%)

81,0 87,7 87,3

Ensayo de pista para Rueda de Hamburgo en Inmersión para Mezclas

Asfálticas compactadas en Caliente AASHTO T 324-04 Deformación Máxima

12,5 mm

5,60 mm 7,32 mm 4,90 mm

El valor promedio Máximo de la Velocidad de Deformación V105/120= 15,0

μm/min

AASHTO T 324-04

10,1 μm/min 10,3 μm/min 10,7 μm/min

Vida a la Fatiga de Mezclas Asfálticas

AASHTO T321-07 / UNE-EN 12697-24 ANEXO D (MicroStrain Diseño (108 µε) y

número de ciclos mínimos soportados 1 millón)

1´380.500 1´491.000 1´000.000

Sub-Rasante

Rodaje

Base

Sub-Base

Modelo de Deformación Causada por altas Temperaturas y Cargas Excesivas

Agrietamiento por fatiga

Sub-Rasante

Rodaje

Base

Sub-Base

REOLOGÍA

Las propiedades reológicas se definen a partir

de la relación existente entre fuerzas o

sistemas de fuerzas externas y su respuesta,

ya sea como deformación o flujo. Todo fluido

se va deformar en mayor o menor medida al

someterse a un sistema de fuerzas externas.

Las fuerzas externas se representan

matemáticamente como el cortante y la

respuesta dinámica del fluido y se cuantifica

como la velocidad de deformación.

Método de diseño de pavimentos SUPERPAVE

(Strategic Highway Research Program, SHRP)

especificación estándar para ligantes asfálticos

graduados por desempeño ASTM D 6373-07 /

AASHTO M 320

Determinación de las

propiedades Reológicas de

Ligante asfáltico usando un

Reómetro de Corte Dinámico

(Dynamic Shear Rheometer)

AASHTO T 315

El reómetro somete al asfalto al

corte y mide su respuesta. Un

material elástico tiene una

respuesta inmediata, un material

viscoso tiene una respuesta lenta.

Este retraso en la respuesta se conoce como el ángulo de

fase. Un material elástico tiene un δ=0, un material viscoso

tiene un δ=90. Ya que el asfalto es un material viscoelástico,

0<δ<90.

Performance Graded Asphalt

Grading System Based on Climate

PG 70-22

PerformanceGrade

Average 7-daymax pavement

design temp

Min pavementdesign temp

PG Binder Grades

0 10 20 30 40 50 60-10-20-30-40 70 80

PG 64-22

PG 70-28

The Rule of 90

PG 64-22 Probably Unmodified

PG 70-28 Probably Modified

This is the benefit of

the modifier

TEMPERATURE ºC

Conceptos básicosMódulo Complejo (G*): Es una medida de la resistencia total de una material a ladeformación cuando se somete repetitivamente al corte. El mismo tiene doscomponentes: una elástica y una viscosa.

Loss modulus= componente viscosa (G’’)Storage modulus = componente elástica (G’)

Ángulo de Fase (δ): La respuesta del asfalto a temperaturas intermediaspresenta ambos comportamientos, elástico y viscoso. Si la respuesta fuerapuramente elástica sería inmediata, sin embargo la componente viscosa haceque se retarde. El ángulo de fase es un indicador de las proporcionesrecuperables y no recuperables.

δ = 0° (respuesta puramente elástica) hasta 90° (respuesta puramente viscosa)

Conceptos básicos

CLASIFICACION DE ASFALTOS• Determinacion reologica puntual

• Performance Grade (PG) en laboratorio

• Pruebas reologicas repetitivas

• Desempeño del ligante PG en el campo

• Asfaltos modificados presentan mejor desempeño

• Modificacion segun economia y recursos de construccion

• La metodologia actual produce informacion

• mas informacion

• mejor informacion

• informacion limitada e incierta

• mas informacion reologica

• DSR puede generar MAS informacion reologica.

• Pero … tiempo de evaluacion corto

• Oposicion a barrido de frequencia - (horas)

OPCIONES• Barrido de frequencia en rango limitado - tiempo

El incremento en terminologia, metodologia y parametros asociados a ligantes asfalticos indican que estamos

• Objetivo Zero Shear Viscosity (ZSV)

extrapolacion numerica

• Stress Relaxation

• Creep Repetitivo

• Barridos de amplitude

• Barridos de tiempo

• Interconversiones viscoelasticas … ???

• Steady Shear Viscosity a muy baja velocidad de cizalla

• Mezcla de procedimientos reologicos

en camino a la 'reologia' de asfalto

Pruebas Superpave Para Propiedades Fisicas de Asfalto

-20 20 60 135

Agrietamiento

Termico

Agrietamiento

por FatigaDeformación

Permanente

Maleabilidad

Bombeo

Temperatura de Pavimento, °C

Velocidad de Trafico

Volumen de trafico

Estructura del Pavimento

Estabilidad de Almacenamiento

Tipo de Aditivo

Mezcla y Compactacion

Vel de Enfriamiento

Rigidez

Transicion Vitrea

RTFOPAV ORIGINAL

Especificaciones SUPERPAVE para asfaltos

Temperature

135 CTmaxTavgTmin

S<300 MPa

PAV - aged

G*sind<5000KPa

RTFO

G*/sind>2.2KPa

ORIGINALG*/sind>1KPa

h<3 PasORIGINAL

Asfaltos Modificados – ‘realidades’

Comportamiento reologico es No-Newtoniano

Presentan comportamiento Elastico a las

temperaturas de mezcla y compactacion

Cambio de Grado por tiempo-temperatura no

es siempre valido

Las pruebas BBR y DT a 10C arriba de Tmin del

pavimento no son siempre validas

Son sistemas multiface que pueden causar

incompatibilidad y separacion de faces durante

almacenamiento y manejo

Asfaltos similares en la region LVE

Pueden ser diferentes en la region No-lineal

Acumulacion de Deformacion

Condiciones de carga y relajacion pueden cambiarse para simular velocidad y volumen de trafico

SHRPPG

No additive

Plastomero

Elastomero

Routing slope

• Cada material tiene un juego unico de propiedades

viscoelasticas determinadas en pruebas de flujo

oscilatorio, prueba de, creep/recovery test, o prueba de

relajacion de esfuerzo.

• Si cada prueba se realiza dentro de la region lineal

viscoelastica del material, la informacion provista debe ser

la misma a pesar de que las prueas proveen differents

secciones de la caracterizacion reologica completa.

Transformaciones Viscoelasticas

25

Acumulación de Deformación Permanente: Fenómeno controlado por esfuerzo.

Wc = π . σo . ε . senδ; ε = σo/ G* ; Wc = π . σo2 [1/ G*/sen δ ]

Sen δ = G”/G*. (G” Módulo viscoso). Medición relativa de la componente no elástica

G* y δ dependen de la temperatura y de la frecuencia

Agrietamiento por Fatiga

• Fenómeno controlado por esfuerzo en capas gruesas.

• Fenómeno controlado por deformación en capas delgadas.

• Mas intenso en capas delgadas.

Wc = π . σ . εo . senδ; σ = εo . G*; Wc = π . εo2. G* . senδ

El trabajo realizado se puede disipar produciendo agrietamiento, propagación degrietas, flujo plástico, calor. Por tanto Superpave limita el valor de (G*. senδ)

La medición se hace después de PAV

10% Caucho-160°C-35Hz

10% Caucho-220°C-35Hz

70,0; 2,103

76,0; 1,200

82,0; 0,672

70,0; 2,200

76,0; 1,096

82,0; 0,585

64,0; 3,250

70,0; 1,629

76,0; 0,840

64,0; 3,410

70,0; 1,829

76,0; 0,981

76,0; 2,590

82,0; 1,400

88,0; 0,771

70,0; 2,871

76,0; 1,670

82,0; 0,964

58,0 60,0 62,0 64,0 66,0 68,0 70,0 72,0 74,0 76,0 78,0 80,0 82,0 84,0 86,0 88,0

Gráfica comparativa PG Asfalto Original Formulas GCR

AM GRC 15% HQ (ORIGINAL) AM GRC 10% + 1% EVA HQ (ORIGINAL)

AM GRC 10% + 1% SBS HQ (ORIGINAL) AM GRC 20% + TB1 2% HQ (ORIGINAL)

AM GRC 10% + 0.5% ELVALOY + 0.3% PPA (ORIGINAL) AM GRC 10% + 1.0% SBS + 1.0% EVA HQ (ORIGINAL)

64; 5,73

70; 3,26

76; 1,71

70,0; 6,400

76,0; 3,560

82,0; 2,000

70,0; 5,270

76,0; 2,920

82,0; 1,620

64,0; 5,610

70,0; 3,490

76,0; 2,000

70,0; 6,690

76,0; 3,700

82,0; 1,930

64,0; 6,450

70,0; 3,530

76,0; 1,800

58,0 60,0 62,0 64,0 66,0 68,0 70,0 72,0 74,0 76,0 78,0 80,0 82,0 84,0 86,0 88,0

Gráfica comparativa PG Asfalto RTFOT Formulas GCR

AM GRC 15% HQ RTFOT RESIDUO AM GRC 10% + 1 % EVA + 1% SBS HQ RTFOT RESIDUO

AM GRC 10% + 0.5% Elvaloy + 0.3% PPA HQ RTFOT RESIDUO AM GRC 20% + TB1 2% HQ RTFOT RESIDUO

AM GRC 10% + 1% SBS HQ RTFOT RESIDUO AM GRC 10% + 1 % EVA HQ RTFOT RESIDUO

Grado PG + Jnr (MSCR)

• El grado PG se determina como se hace actualmente.

• Jnr es un valor que se determina en el asfalto envejecido porRTFO, lo requerido depende de la intensidad y velocidad deltráfico.

¿Qué es Jnr?

• Es la deformación permanente resultante al aplicar una unidad

de esfuerzo.

• Cuanto menor es Jnr, menor será la deformación permanente

en el asfalto.

Grado PG + Jnr (MSCR)

Ventajas de Jnr

•Basado y relacionado con el desempeño en campo.

•Evalúa la dependencia del comportamiento del asfalto a diferentes esfuerzos.

•Evalúa la memoria elástica del asfalto.

•El tiempo de prueba es corto: menos de 20 minutos.

•Se obtiene de una prueba de Creep repetido (MSCR).

•Actualmente los reómetros pueden determinar Jnr de manera automática.

•Mediante Creep Repetido (MSCR) y Jnr se obtiene información más valiosa.

•Relacionado directamente con la intensidad y la velocidad del tráfico.

Creep Repetido Multi-Esfuerzo (MSCR) y Jnr

0 5 10 15 20 25 30

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Esfue

rzo ap

licado

(Pa)

tiempo global (s)

0 5 10 15 20 25 30

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

RecuperaciónDeformación

Defor

mació

n (%)

tiempo global (s)

PG 76-22A temperatura de PG del proyecto Temperatura 76°C

Cálculos

0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 Un ciclo

Deformación no recuperada

Deformación recuperada%

De

form

ació

n

Tiempo global (s)

Deformación inicial

Jnr =Deformación no

recuperadaEsfuerzo aplicado

%RE = Deformación recuperada

Deformación inicial

A temperature de PG del proyecto A dos niveles de esfuerzo: 100 y 3200 Pa

Creep Repetido Multi-Esfuerzo (MSCR) y Jnr

0 250.000 500.000 750.000 1000.0001250.0001500.000

time global (s)

0

5.0000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

stra

in

1.000

10.00

100.0

1000

10000

shear stress (Pa)

PG70 - Multi Stress Creep_Recovery

3200

1600

800

400

200

100

50

25

Sample Conditioning Time at 64°C

Como seleccionar el asfalto mediante PG y Jnr?

Paso 1- Seleccionar PG de acuerdo al clima

PG 76-22

Paso 2- Seleccionar nivel de acuerdo a intensidad y velocidad del tráfico

< 3 millones

< 20 y detenido

< 20

>20 <70

>70 S : Estandar

H : Pesado

V : Muy pesado

E : Extremo

PG 76-22 H

Paso 3- Requisitos de acuerdo a intensidad y velocidad del tráfico

S : Estándar

H : Pesado

V : Muy pesado

E : extremo

4 máx.

2 máx.

1 máx.

0,5 máx.

≥ 0

≥ 25

≥ 30

≥ 40

Jnr % RE

ESAL Velocidad Nivel requerido

Información requerida del proyecto

a 3200 Pa

-

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

- 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

%€(3

.2k

Pa

)

Jnr(3.2kPa)

Jnr(58°C)

Jnr(61°C)

Jnr(64°C)

Jnr(67°C)

Jnr(70°C)

Jnr(73°C)

Jnr(76°C)

Jnr(79°C)

Jnr(82°C)

EX

TREM

EESA

L's

> 3

0m

ill

VER

Y H

IGH

ESA

L's

10

-3

0m

ill

HIG

HESA

L's

3-

10

mill

STA

ND

AR

DESA

L's

< 3

mill

CON RESPUESTA

ELASTICA

SIN RESPUESTA

ELASTICA

CLASIFICACIÓN POR DESEMPEÑO

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200

% S

TRA

IN

TIEMPO (Segundos)

GRAFICA CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO (MSCR) ASFALTOS MODIFICADOS CON GCR A 64°C

GCR 20% + TB1 2% RTFOT

GCR 15% RTFOT

GCR 10% + SBS 1.0% RTFOT

GCR 10% + EVA 1.0% RTFOT

GCR 10% + ELVALOY 0.5% + PPA 0.3% RTFOT

GCR 10% + SBS 1% + EVA 1% RTFOT

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200

% S

TRA

IN

TIEMPO (Segundos)

GRAFICA CREEP REPETIDO MULTI-ESFUERZO (MSCR) ASFALTOS MODIFICADOS CON GCR A 70°C

GCR 20% + TB1 2% RTFOT

GCR 15% RTFOT

GCR 10% + SBS 1.0% RTFOT

GCR 10% + EVA 1.0% RTFOT

GCR 10% + ELVALOY 0.5% +PPA 0.3% RTFOTGCR 10% + SBS 1% + EVA 1%RTFOT

Caracterización de la fatiga con Linear Amplitude Sweep (LAS)El Barrido de Amplitud Lineal (LAS) cubre como determinar la resistencia del ligante asfáltico al dañopor medio de cargas cíclicas usando amplitudes de carga que incrementan linealmente (AASHTO TP101).

Se hace usando el DSR a la temperatura intermedia del pavimento determinada por el grado dedesempeño (PG). Se usa ligante envejecido en RTFO y/o en PAV.

Se hacen dos pruebas sucesivas: La primera es un barrido de frecuencia y obtiene información de laspropiedades del material sin dañar. La segunda es un barrido de amplitud y su intención es medir lascaracterísticas de daño del material.

El resultado de estas dos pruebas se analiza a través de VECD, Visco-Elastic Continuum Damage. Alfinal del ensayo, se obtiene una ley de fatiga que permite calcular la cantidad de tráfico que podríasoportar el asfalto.

Fatiga del Asfalto: Especificación Superpave (|G * | ·sinδ)

Datos de NCHRP 9-10

Asfalto Fatiga: Barrido de Tiempo (0.1 a 30% Strain, 10Hz, 25°C) (NCHRP 9-10).

Antecedentes - Asfalto Fatiga

Análisis del Daño Continuo Visco elástico

Linear Amplitude Sweep (LAS)

¿Qué es VECD?

VE - Viscoelástico:

• Depende de la velocidad

• Completamente recuperable

CD - Continuum Damage:

Un continuum es un cuerpo que puede ser continuamente subdivididoen elementos infinitesimalmente más pequeños, siendo suspropiedades las mismas que las del material parental.

De este análisis se desprende la curva característica de daños. Estacurva ha sido propuesta como una propiedad fundamental de todomaterial, que gobierna el crecimiento del daño bajo toda condición –esfuerzo, deformación, frecuencia o velocidad, y temperatura.

y = 6E+06x-3,762

y = 8E+06x-3,836

y = 1E+07x-3,821

y = 1E+07x-3,883

y = 2E+07x-3,982

y = 2E+07x-3,617

1,00E-01

1,00E+00

1,00E+01

1,00E+02

20,0

Nf

/ES

AL

s

(In

dic

ad

or

del

volu

men

de

trafi

co)

Deformacion de corte aplicada, %

(Indicador de la estructura de pavimento)

Grafica del parámetro de fatiga Nf (Normalizado a 1 millón de ESALs) versus la

deformación de corte aplicada al asfalto en una escala Log-Log

Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 15%GCR

Ley de fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR+1% SBS

Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR + 1% EVA

Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR+0.5% ACRILATO + 0.15 PPA

Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 10% GCR+1% SBS+ 1% EVA

Potencial (Ley de Fatiga: Nf = A(gmax)–B 20% GCR + 2% TB1)

Ahuellamiento