Evaluación de resistencia a la fatiga de mezclas asfálticas

En la actualidad el tema de la fatiga en los pavimentos asfalticos no tiene un enfoque tan simple. El fenómeno está muy bien entendido, pero existen todavía muchas dudas en cuanto a cómo predecir si se tendrá un buen desempeño a fatiga.

Este trabajo tiene el objetivo de obtener puntos óptimos de control, con los cuales se pueda predecir el comportamiento de mezclas asfáltica a Fatiga, cuando estas presentan módulos de rigidez demasiado altos y saber así si la mezcla es aceptable o no.

Para lograrlo se analizó leyes de Fatiga, obtenidas previamente de varias carreteras del país. Estos datos fueron recopilados en las tesis de los estudiantes, Katheryn Nuñez, Gelo Cardenas y Andrés Andaluz.

Lo que se obtuvo al final es un dato de deformación unitaria inicial, y una cantidad de ciclos de laboratorio a los cuales se probaran las mezclas.

Palabras Claves: Mezclas asfálticas, alto
desempeño, fatiga, módulo de rigidez, deformación unitaria,
percentil, envejecimiento.

CAPÍTULO 1:

Introducción

ANTECEDENTES

Uno de los grandes problemas de la vialidad actual, ha sido el buscar el más alto desempeño de las mezclas asfálticas en caliente. Esto no solo asegura tener una red vial muy cómoda para el usuario, sino que además, conlleva a un ahorro de recursos, al aumentar la vida útil del pavimento.

Este desempeño consiste, como siempre se ha tenido claro, en mezclas asfálticas que no se deforman y que no se agrietan.

Las propiedades asociadas a la resistencia contra la deformación son el esqueleto mineral de la mezcla y la rigidez del asfalto que se usa (ya sea que se lo modifique o no, con algún polímero o producto que de mayor rigidez en las temperaturas altas de uso en el pavimento); y las pruebas que se usan en la actualidad para determinar la resistencia de las mezclas, son las de deformación permanente ante carga repetida ("creep" dinámico), y las de pistas de laboratorio con medición de deformación, como la rueda de Hamburgo, con rueda metálica, el APA, con rueda metálica y manguera que simule la acción del neumático, o la pista española o francesa, con ruedas infladas a presiones similares a las del tráfico en la vía.

Las propiedades asociadas a la resistencia contra el agrietamiento, tienen que ver con la ductilidad (o capacidad de fluir del cemento asfáltico) en temperaturas frías, y a lo largo de los años, de manera que no se agriete por contracción térmica; y con el módulo de rigidez (o el módulo dinámico) de la mezcla asfáltica que sea suficientemente alto para resistir a los esfuerzos causados por el tráfico, y que resista a la fatiga que se da ante la repetición de cargas durante el tiempo de servicio del pavimento.

Buscando el mayor beneficio y sabiendo que un módulo de rigidez elevado asegura que la mezcla tendrá estabilidad, y mejor transmisión de los esfuerzos a las capas inferiores; y dado que el envejecimiento del pavimento ayuda a aumentar dicho módulo, Se podría pensar, erróneamente, que envejeciendo el asfalto en planta se obtendría un módulo muy alto, y mejores mezclas.

Se debe aclara que el envejecimiento del asfalto causa que se obtengan mezclas con mala resistencia a la fatiga, puesto que se vuelven muy frágiles y quebradizas, por lo tanto, si hay pérdida de ductilidad en el asfalto, y bajo contenido de asfalto, y muchos vacíos de aire en las mezclas, tendremos mezclas con baja resistencia a la fatiga; independientemente de que su módulo de rigidez pueda ser elevado.

Tal vez el obtener módulos de rigidez elevados por otras metodologías que no le quiten ductilidad al asfalto, como el uso de polímeros o el uso de mezclas con matriz de piedra (SMA) si generen mejor resistencia a la fatiga y por eso es necesario un ensayo de fatiga que determine si la rigidez mayor en un mezcla trae beneficios al desempeño general de la misma o no.

Descripción del problema

Actualmente se tiene un criterio generalizado de que si se tiene un módulo alto, se tiene una mezcla buena, por lo cual decir que, módulos demasiado altos son perjudiciales, no suele ser bien visto. Se conoce, eso sí, que para evitar deformaciones, hay valores mínimos de módulo que se deben respetar, pero no hay valores topes, por lo cual cuando una mezcla empieza a mostrar módulos muy altos, empieza a ser sospechosa de tener un desempeño a fatiga deficiente. Cabe recalcar que para que la rigidez funcione a beneficio se debe asegurar que se tienen suficiente espesor como para asegurar que no se tendrá deformaciones unitarias muy grandes al fondo de la misma, por lo cual se asegurara que no se empiecen a desarrollar las grietas a fatiga. Además de eso el aumento de rigidez no debe venir acompañado con una disminución de ductilidad la ductilidad, para que este no sea perjudicial.

Objetivos

Objetivo General

• Utilizar datos recopilados con anterioridad, en tesis similares para poder lograr diseñar un ensayo, el cual nos permita saber cuándo la mezcla no está resistencia a fatiga, a pesar de que tenga un alto modulo.

• Así mismo se espera obtener por medio de ensayos de fatiga una idea de a qué punto mis muestras tendrán problemas de resistencia a la fatiga. De igual manera, obtener un rango el cual nos permita conocer de módulos aceptables para tener mezclas que tengan un buen desempeño ante la fatiga, cuando las mezclas no han sido tratadas con polímeros.

Objetivo Especifico

• Obtener la deformación unitaria inicial a la cual se puede probar una briqueta en el NAT.

• Definir el número de ciclos que debe soportar una briqueta a la deformación unitaria inicial del ensayo para considerar que esta tiene un buen comportamiento a la flexión.

CAPÍTULO 2:

Distintas fallas de los pavimentos asfálticos

Ahuellamiento

El ahuellamiento es una de las dos fallas que se producen en pavimentos asfalticos, su característica principal es que la sección transversal de la superficie ya no está en la posición de diseño. Aunque puede tener varias causas como la abrasión, la densificación del tráfico o por una capa subyacente debilitada por la humedad, existen dos causas principales.

En un caso se tiene que si se aplica más cargas repetitivas de las que la subcapa (base o sub-base) puede resistir. Este se lo considera más un problema estructural que un problema del material. Se también se puede dar por capas subyacentes que han sido debilitadas por la intrusión no deseada de la humedad. La Grafica 1-1 muestra como la deformación ocurre en las capas inferiores y no en la capa asfáltica.

Gráfico 2-1 Ahuellamiento por Sub-base débil. Tomado de: Superpave Mix design

El otro caso concierne a la deformación de la superficie de rodadura asfáltica. Esta tiene que ver con una mezcla diseñada sin la suficiente resistencia a corte, para resistir grandes cargas. Con una mezcla débil, se tendrá acumulación de pequeñas deformaciones plásticas, las cuales son permanentes. Eventualmente se formara un ahuellamiento con la característica de una depresión y un levantamiento de la mezcla, como se muestra en la siguiente figura.

Gráfica 2-1 Ahuellamiento por mezcla débil. Fuente: Superpave Mix design.

Teniendo en cuenta que los problemas de ahuellamiento ocurren en las épocas de verano donde existe una mayor temperatura, se podría pensar que es solo un problema del asfalto, pero para ser más exactos se debería considerar un problema combinado de la resistencia del agregado mineral y el cemento asfaltico.

Este se produce más seguido en mezclas que no tienen un módulo de rigidez alto, como lo tienen las mezclas envejecidas. En las calles de Guayaquil casi no se ha tenido problemas de ahuellamiento en años anteriores, ya que el asfalto usado para producir esos pavimentos tenía un alto envejecimiento en la refinería, evidencia de esto son los núcleos que se suelen obtener en vías de 3 o 4 años de servicio. Estos núcleos tener módulos tan altos como 8000 MPa.

Gráfica 2-3 Ahuellamiento severo de pavimento (tomado de pavementinteractive.org)

Teniendo en cuenta que esta falla se produce por la acumulación de pequeñas deformaciones, una de las soluciones seria la utilización de un cemento asaltico más rígido, el cual se comporte más como un sólido elástico a altas temperaturas. Bajo las cargas, el asfalto actuara como un caucho que se deformara e inmediatamente recobrara su posición cuando se deje da aplicar la carga.

Fatiga

La fatiga se define como el fenómeno por el cual un material sometido a cargas dinámicas cíclicas, falla más fácilmente que si se le aplica las mismas cargas de manera estática. En los materiales este proceso se lo relaciona con fracturas a largo plazo.

En los pavimentos asfalticos, la fatiga ocurre cuando las cargas aplicadas sobre esfuerzan a los materiales del pavimento causando fisuras. En estados iniciales se presentan fisuras longitudinales intermitentes a lo largo de la capa de rodadura a la altura donde pasan las ruedas de los vehículos. Este proceso sigue progresando hasta que las fisuras iniciales se empiezan a interconectar, lo que causa más fisuras. En un estado avanzado las fisuras longitudinales estarán conectadas con fisuras transversales, formando algo parecido a escamas. Es por esta razón que a esta falla se la conoce comúnmente como "Piel de cocodrilo". En casos extremos se forman baches por el desprendimiento de pedazos de asfalto, al paso de vehículos.

Gráfica 2-4 Fatiga severa de pavimento (tomado de pavementinteractive.org)

Usualmente la fatiga es causada por varios factores ocurriendo al mismo tiempo. Desde luego se tiene que tener repeticiones de carga. Capas delgadas o con capas subyacentes muy débiles son propensas a sufrir deflexiones al estar expuestas al paso de los camiones. Deformaciones altas por la continua flexión de la capa asfáltica, crean esfuerzos de tensión horizontal en la parte más baja de esta, lo que lleva a la fatiga. Así mismo, un mal drenaje, problemas de construcción y un diseño insuficiente del pavimento pueden contribuir al problema.

Usualmente la fisura de piel de cocodrilo, es una muestra de que el pavimento ha superado el número de pasadas de diseño, en cuyo caso el pavimento solo requeriría el mantenimiento planificado. Si la fatiga ocurrió mucho antes del periodo de diseño, entonces es un signo de que las cargas de tráfico fueron subestimadas.

Según el Instituto de Asfalto las mejores maneras de superar las fisuras por Fatiga son:

• Un adecuado dimensionamiento del número de pasadas durante la etapa del diseño.

• Uso de mayor espesor de pavimentos.

• Asegurar que la sub rasante este seca.

• Usar un pavimento hecho con materiales cuya resistencia no sea demasiado afectada por la humedad.

• Utilizar mezclas asfálticas calientes (HMA) suficientemente resistentes para soportar las deflexiones normales.

El último punto mencionado, se alcanza estrictamente con un buen diseño y una selección adecuada de materiales. La mezcla asfáltica en caliente (HMA) debe tener la suficiente resistencia a tensión para soportar los esfuerzos en la base de la capa y lo bastante resistente para soportar las cargas del tráfico sin tener fisuras. Se sabe que asfaltos muy rígidos no tienden a comportarse mejor a la fatiga. La mezcla deberá ser diseñada para comportarse como un material elástico cuando sea cargada a tensión, para así evitar la fatiga.

Para evaluar el desempeño a la fatiga de un cemento asfáltico, se usa el criterio de la componente viscosa del módulo complejo G"" = G* sin d 10 rad/s y a la temperatura media de operación, el cual debe ser máximo 5 MPa (Petersen et al., 1993). Dicha evaluación debe realizarse en un material envejecido a largo plazo, por eso las pruebas en laboratorio se reaizan sobre asfaltos envejecidos en el PAV.

El siguiente cuadro muestra la vida de fatiga de tres muestras asfálticas, envejecidas en la cámara de presión de oxígeno, POV por sus siglas en inglés (Pression Oven Vessel).

Gráfica 2-5. Vida de fatiga de tres mezclas asfálticas, a) al 88% y b) al 94% de compactación. (Kimet al., 1986).

Ensayo

Se puede controlar el ensayo de fatiga en las mezclas asfálticas de dos formas: Esfuerzo constante y deformación constante (Gráfica 2-6). En el primer caso el esfuerzo se mantiene, mientras que la deformación aumenta con el número de repeticiones. Por otro lado con deformaciones constantes, los esfuerzos van disminuyendo a medida que aumentan el número de repeticiones. Según Huang al., 2002 se utiliza ensayos de esfuerzo constante, para pavimentos con espesores mayores a 6 pulgadas, donde el principal soporte de carga son los componentes. Para pavimento con espesores menores a dos pulgadas, se utiliza el ensayo de deformación constante porque la deformación en la capa asfáltica es gobernada por las capas subyacentes y no es afectada por la disminución en rigidez de la mezcla.

Gráfica 2-6. Dos formas de ensayo de Fatiga: Esfuerzo constante y deformación constante. (Yang H. Huang, 2002)

2.3. Agrietamiento Térmico

El agrietamiento de la capa de rodadura puede producirse por dos situaciones. La primera cuando hay un descenso puntual y drástico de temperatura, el cual rompe la carpeta de asfalto, y la segunda, cuando esta grieta es producida por las repeticiones de carga por cambio de temperatura que terminan con la falla del material, en este caso el asfalto. Este agrietamiento térmico se reconoce fácilmente ya que, las es perpendicular al tráfico y se repiten casi a la misma distancia.

Gráfica 2-7. Ejemplo de agrietamiento por temperatura (Tomada de ASTM.org)

CAPÍTULO 3:

Factores que afectan a la fatiga

Ductilidad

La ductilidad es la propiedad que tiene un material de deformarse (plásticamente) antes de llegar a la ruptura. Esto significa que el material puede ser estirado de manera considerable antes de romperse.

La ductilidad de un cemento asfaltico se mide como la distancia a la que se elongaran dos extremos de una briqueta antes de quebrarse. El test se lo realiza a una velocidad y a una temperatura específica.

La relevancia de las pruebas de ductilidad como método para controlar la calidad del asfalto, ha sido muy discutida ya su naturaleza es muy empírica y es difícil de replicar.

Una mayor ductilidad significara pues un mejor comportamiento ante la Fatiga, con una disminución de aparición de fisuras en el pavimento en servicio. Hay varios estudios que apoyan esto.

Doyle (20) midió la ductilidad del asfalto a 13 C° y observo extenso fisuramiento del pavimento cuando la ductilidad bajaba a 5 centímetros. Halstead (21) demostró que pavimentos que contenían cementos asfalticos con penetraciones del rango aceptable, entre 30 y 50 pero con baja ductilidad, era más factible que su seviciabilidad sea inadecuada con respecto a cementos asfalticos con la misma penetración pero como mayor ductilidad.

En el proyecto Zaca-Wigmore, Hveem et al (22) se encontró bastante evidencia, sobre que la prueba de ductilidad en asfaltos recuperados en pavimentos durante su vida de servicio, es un método importante para juzgar el desempeño del pavimento.

Serafin (23) reviso los datos de núcleos tomados después de 7 años de servicio en el Michigan Bituminous Experimental Road y reportó que la sección que contenía la ductilidad más baja, tenía más fisuras, aunque los valores de penetración no variaban mucho.

Gráfica 3-1. Ensayo ASTM D113 de ductildad, en el cemento asfaltico. Fuente: http://www.abc.gob.bo/Ensayos

Envejecimiento

El proceso del envejecimiento del asfalto es uno de los factores que contribuye en la reducción de la vida útil de las mezclas asfálticas. Es un fenómeno muy complejo el cual es causado por variables que pueden ser intrínsecas o sea características propias de la mezcla como: el asfalto, el contenido de vacios, los agregados y la película asfáltica que los recubre. Así mismo hay variables extrínsecas las cuales son la humedad, la radiación UV (Ultra violeta), la temperatura de producción de la mezcla y la temperatura ambiente.

Los mecanismos que forman parte de este proceso se relacionan, con cambios de orden, físico, químico, reológico y mecánico. Generalmente las alteraciones químicas como la polimerización, la oxidación y la volatilización producen un reacomodo de la estructura molecular del asfalto y la manifestación de respuesta a estos conlleva a un endurecimiento de la mezcla que lentamente se convierte en un material frágil, el cual tiende a agrietarse. Al aparecer las primeras grietas se inicia un proceso de ingreso de vapor y de agua al interior del pavimento, lo que lleva a daños por humedad y pérdida de cohesión afectando así al desempeño de la mezcla asfáltica.

3.2. Fenómeno

Se puede dividir en fenómeno del envejecimiento en dos: Envejecimiento a corto y largo plazo. El envejecimiento a corto plazo es el que se produce en la producción, transporte y almacenamiento de la mezcla y es un envejecimiento muy rápido y agresivo por las altas temperaturas en planta y por el mayor contacto con el oxígeno del ambiente que favorece la pérdida de componentes volátiles. Por otro lado el envejecimiento a largo plazo es un proceso lento, ya que hay una menor temperatura en el pavimento en comparación al momento de la producción y además al estar la mezcla ya compactada la oxidación solo ocurren en la superficie.

Aunque se pueda conocer las cantidades volumétricas, así como las propiedades de cada material, gracias a los métodos de diseño, no se puede concluir que el envejecimiento del asfalto o de los agregados predice el envejecimiento de la mezcla. Es así que varios investigadores que han estudiado los efectos del fenómeno del envejecimiento sobre asfaltos tanto modificados como convencionales y se ha establecido que la radiación ultravioleta, la humedad, la temperatura y la presión generan procesos de oxidación que producen envejecimiento de los materiales (Traxler, 1963; Vallerga, 1981).

Por otro lado, otros estudios concluyen que cambios en las propiedades físicas, químicas y geológicas dependen directamente de los materiales con los que está compuesta la mezcla, y las condiciones de exposición a las condiciones ambientales y el tiempo. (Abbaset al., 2002; Lauet al., 1992; Lee, 1973)

En conclusión para entender mejor el envejecimiento se requiere por una parte el análisis de las variables intrínsecas de las mezclas, los agregados, los vacíos, el asfalto y el espesor de la película y por otra las variables extrínsecas, tales como el viento, las cargas de tránsito, la radiación, humedad relativa del ambiente y el tiempo de servicio.

Variables intrínsecas

• Asfalto

El asfalto es un material derivado del petróleo, el cual tiene una composición química que es bastante compleja, y es de esta composición química de la cual se derivan las propiedades físicas de la mezcla. En este trabajo se usara el modelo coloidal en el cual las partículas sólidas conocidas como asfáltenos, están dispersas en una matriz liquida aceitosa (los maltenos). El fraccionamiento que propuso Corbett en 1908 mediante una elución-absorción en una columna de cromatografía liquida en alúmina activa con solventes que incrementaron la polaridad y la aromaticidad. Es así que se puede separar el asfalto en cuatro fraccionamientos que son: los saturados, aromáticos, resinas y asfáltenos, Estas cuatro fracciones relativas se las denomina SARA, y podemos ver un ejemplo en la (figura N.-1)

Según Corbett (1970) cada fracción tiene una funcionalidad con respecto a las propiedades físicas del asfalto. Es así que los asfáltenos tienen función de espesantes, mientras que la fluidez está dada por los aromáticos y los saturados; las resinas dan ductilidad a los asfaltos. Los asfáltenos en combinación con los aromáticos y los saturados producen en el asfalto condiciones de flujo.

Gráfica 3-2. Separación en fracciones SARA para algunos asfaltos (Mortazavi & Moulthrop, 1993)

Es importante tener esto en claro ya que las alteraciones químicas que se producen, se evidencian en los cambios que ocurren en estas fracciones. El envejecimiento en particular produce una reducción en el contenido de aromáticos y un aumento en las resinas, lo que a su vez incremente los asfáltenos (Petersen, 2009; Qi & Wang, 2003, 2004a, 2004b; Siddiqui & Ali, 1999a, 1999b; Farcas, 1996; Petersen, 1984).

La película de asfalto

La película de asfalto que recubre a los agregados es del orden de los 15 a 20 micrones (Petersen, 1989) y se recomienda que el espesor mínimo sea de 6 a 8 micrones. Un adecuado espesor de película de asfalto asegura una durabilidad razonable de la mezcla asfáltica. Esta película es la que se envejece y consecuentemente se endurece. Esta es la razón por lo cual los ensayos de envejecimiento se hacen en una película delgada de 3 mm.

Agregados

No hay mucho evidencia científica sobre la participación de los agregados en los fenómenos de envejecimiento, de hecho siempre se los ha considerados como materiales inertes, que al mezclarse con otros materiales, no son objeto de reacciones químicas que puedan cambiar su composición.

El llenado mineral o "filler", es un material que es pasante del tamiz N° 200 que cuando se combina el asfalto forma un sistema el cual se lo denomina "mastic", el cual forma una capa más gruesa, la cual mejora la adherencia, mejora la fluidez, y de igual manera la lámina que recubre los agregados es de mayor espesor. El uso del filler mejorar la resistencia al envejecimiento y mejora la durabilidad.

Contenido de vacíos con Aire

El tamaño y la distribución de los vacíos con aire en las mezclas asfálticas dependen de las propiedades de los agregados, el diseño de la mezcla y el proceso de compactación. (Chen et al.,2004)

Los contenidos de aire en las mezclas se los clasificó como: efectivo, Semi-efectivo, Impermeable.

Gráfica 3-3. Clasificación de los vacíos en las mezclas asfálticas (adaptado de Chen el al. 2004)

Se debe tener un equilibrio en el contenido de vacíos dentro de una mezcla, ya que la ausencia de ellos crea problemas de ahuellamiento y exudación y vacios excesivos generan una pavimento muy permeable que es más susceptible al paso de agua y vapor, por lo tanto habrá mayor oxidación lo que se traduce en que se tendrá problemas de envejecimiento.

En si la función de los vacíos es generar espacios a los cuales la mezcla pueda fluir en el momento que haya acción del tráfico o que se produzca un incremento de la temperatura ambiente.

Según las normas SuperPave valores de un 8% y más, nos darán mezclas muy permeables, mientras que valores de 3% son los que se espera tener al final de la vida útil del pavimento, menos que eso nos traerá problemas de estabilidad y exudación.

Variables extrínsecas

• Temperatura

La mezcla asfáltica está expuesta a dos rangos de temperaturas durante su vida de servicio: Uno tiene que ver con el proceso de mezclado, almacenamiento y construcción donde ocurre el envejecimiento a corto plazo y la otra con la temperatura de operación (temperatura del asfalto no del ambiente), durante toda su vida útil, por la cual ocurre el envejecimiento a largo plazo.

En la producción el asfalto está sometido a temperaturas que varían de entre 150 °C a 170 °C, en este ambiente ocurre la volatilización del asfalto lo que conlleva a alguna pérdida de masa y adicionalmente ocurre la polimerización de pequeñas moléculas.

La volatilización inicia a una temperatura de 150°c. Este proceso ocurre por la evaporación de los componentes aromáticos y siempre está acompañada de reacciones de oxidación, las cuales aportan al incremento de la rigidez. (Swiertz, 2010) Dessouky et al., (2011) encontró que si se maneja el asfalto a temperaturas cercanas a 290°F se tiene menor envejecimiento que si se manejan a temperaturas cercanas a 365°F, lo que hace quedar claro que las temperaturas que se manejen en planta afectaran el envejecimiento de la mezcla.

Humedad

La humedad es uno de los factores que afecta en mayor media al desempeño de pavimento asfaltico ya que la presencia de esta, tanto en de vapor como liquida, permite una degradación de las propiedades mecánicas del material. (Caro etal., 2008).

Se sabe pues que el envejecimiento depende de varios factores y que un pavimento, que sufre de humedad, mal drenaje y un alto porcentaje de vacios, favorecerá al envejecimiento por oxidación, ya que el bitumen tiene un mayor contacto con el agua, pero además de esto la humedad genera una pérdida de adherencia entre los agregados y el cemento asfaltico, y a su vez una pérdida de cohesión de este último. Este proceso es conocido como "stripping".

En consecuencia a lo antes mencionado el stripping afecta el desempeño de la carpeta asfáltica con respecto a la resistencia a tensión y a su módulo dinámico (Hammons et al. 2006). Gracias a inspecciones de campo se sabe que el stripping comienza a afectar al pavimento desde el fondo de la capa y trabaja hacia arriba atacando en mayor medida al agregado grueso (Taylor & Khosla, 1983)

Radiación UV

La radiación solar ultravioleta es una parte de la energía radiante del sol, y esta se transmite en forma de ondas electromagnéticas en cantidad casi constante.

En el cemento asfaltico la radiación ultra violeta puede cambiar la estructura molecular del mismo y además alterar la susceptibilidad del agua o acelerar los procesos de envejecimiento térmico de la mezcla. (Cortes et al., 2010)

Esto sucede ya que tres mecanismos de envejecimiento se pueden dar al mismo tiempo, oxidación, volatilización y polimerización. Cuando la radiación alcanza el material, hay moléculas que experimentan niveles altos de energía, asi mismo puede ocurrir la degradación molecular. Al romperse las cadenas de carbono-carbono y combinarse con el aire se produce la oxidación, así mismo la degradación puede llevar a la perdida de materiales livianos, conocida como volatilización. Adicionalmente como resultado de la degradación puede presentarse formación de radicales libres y esto puede influir en la formación de nuevas moléculas al combinarse (polimerización). En con secuencia a todos estos procesos tenemos un endurecimiento superficial de a capa de rodadura, la fragilidad de la misma y la aparición de grietas (Montepara et al, 1996).

Tiempo de exposición

El tiempo de exposición es la variable que ha sido un poco esquiva para analizar para los investigadores, se ha intentado predecirla en diferentes pruebas y ensayos de laboratorio. Lo que se busca es el tiempo de duración de una prueba que sea equivalente al envejecimiento producido a corto plazo, y el tiempo de duración que sea equivalente al envejecimiento a largo plazo. El proyecto SHRP (Stragegic Highway Research Program 1987-1993) determinó que el efecto producido por el RTFOT durante 85 minutos y a 163°C equivaldría al envejecimiento a corto plazo, Mientras que el residuo de esta prueba sometido a un vaso de presión PAV durante 20 horas a 100°C y 2,07 MPa de presión equivaldría aproximadamente a 8 años de envejecimiento a largo plazo en servicio del pavimento asfaltico. (Bahia & Anderson, 1995; Bahia et al., 1999; Bahia etal, 1998).

En el cuadro de abajo podemos observar como el envejecimiento a corto plazo, el cual se produce en el momento de la mezcla, transporte y almacenamiento, se característica porque la volatilización y la oxidación en esta etapa se experimentan de una manera rápida. Esto se ve claramente en la pendiente alta que presenta la curva al principio. El proceso de envejecimiento a largo plazo se nota que es más lento con una pendiente más acostada, esto se debe a que después de la compactación solo las moléculas superficiales del pavimento reaccionan con el ambiente.

Gráfica 3-4. Etapas en el proceso de envejecimiento (Read & Whiteoak, 2003)

3.4. Módulos

Es bastante aceptado que un módulo muy bajo será evidencia de una mezcla muy flexible o blanda (con tendencia a ahuellarse), por lo cual siempre se busca mantener valores mínimos. Por el contrario valores muy altos darán una mezcla rígida que tendrán como consecuencia una influencia negativa a la resistencia a la fatiga. Una de las causas de incremento en los módulos es el envejecimiento.

Según los reportes de varios investigadores, dependiendo del volumen de vacíos de las mezclas, la relación de módulos antes y después del envejecimiento fue de hasta 5 veces. (C. Bell et al., 1991; Kim, Bell, Wilson, &Boyle, 1987; H. L. Von Quintus et al., 1991).

Gráfica 3-5. Relación de módulos de envejecimiento para tres mezclas asfálticas, a) al 88% y b) 94% de compactación (Kim et al. 1987).

CAPÍTULO 4:

Estudio de parámetros

4.1. Módulo Resiliente

El módulo resiliente es el modulo elástico utilizado en la teoría elástica. Se sabe que la mayoría de pavimentos no son elásticos sino que experimentas pequeñas deformaciones permanentes con el paso de las cargas, pero ya que la carga es muy pequeña comparada con la resistencia del material, la deformación en cada repetición de carga se recupera casi completamente, por lo que se puede considerar elástica.

El módulo elástico basado en tensión recuperable bajo cargas repetitivas, se llama

módulo Resiliente Mr definido como:

Gráfica 4-1. Deformaciones
bajo cargas repetitivas (Yang H. Huang)

4.1.1. Ensayo

El módulo resiliente en mezclas asfálticas puede ser determinado por cargas repetidas en la prueba de tracción indirecta (IDT). En el laboratorio de pavimentos de la UCSG, se tiene el equipo NAT, el cual hace este tipo de ensayos, los cuales consisten en aplicar cargas de compresión en forma de pulsos en un plano vertical diametral, de un espécimen cilíndrico y los resultados horizontales de deformación recuperada son medidos. El módulo resiliente se lo calcula de la siguiente manera.

4.2. Módulo dinámico complejo

Para diseños de pavimentos flexibles, mayoritariamente se basa en la teoría elástica de capas, la cual requiere de dos parámetros elásticos para caracterizar cada material.

• Modulo elástico (rigidez),E

• Razón de Poisson, v

El modulo dinámico E* es un parámetro que recrea la rigidez de la capa asfáltica en el

momento que pasa una rueda de carga. Esto se asemeja a una carga de pulso, ya que cuando está a una distancia considerable, del punto a estudiar, la deformación se considera nula, en cambio cuando se sitúa la rueda encima de este, la deformación es máxima.

Gráfica 4-2. Deformaciones longitudinales y transversales, al fondo de una capa asfáltica. Fuente: Seminario de Recapeo, PH.D Gabriel García S, junio 2012.

La única diferencia del módulo resiliente con el módulo complejo, es que en el primero se usan de cargas, con un periodo de descaso entre ellas, mientras que en el otro se usan cargas sinusoidales o "harvesine waveform" sin periodo de descanso. El modulo complejo es uno de los varios métodos que describe la relación Esfuerzo-Deformación de los materiales visco elásticos. El modulo es un número complejo en el cual la parte real representa la rigidez elástica y la parte imaginaria caracteriza el amortiguamiento interno de los materiales. (Yang H. Huang, 2002).

Cuando se aplican cagas a los materiales visco elástico, parte de la deformación es elástica y parte viscosa (no recuperable). El DSR ( Dynamic shear rheometer) da una imagen completa midiendo el parámetro G* y el ángulo de fase ? .

G* consta de dos partes; el módulo de almacenamiento de energía G´, o parte elástica,

y el módulo de perdida G´´ o parte viscosa, no recuperable.

El módulo de almacenamiento de energía se refiere a la energía almacenada en la muestra durante cada ciclo de la prueba. La componente viscosa o módulo de pérdida, se refiere a la energía perdida con cada ciclo a través de la deformación permanente.

En la Gráfica 4-3 se muestra como es necesario la medición del ángulo de fase para tener una clara idea del comportamiento del asfalto. Dos asfaltos con el mismo G* pueden tener diferentes comportamientos al tener diferente ángulo de fase.

El modulo G* del asfalto A, tiene una parte elástica mayor a la del asfalto B. Esto significara que cuando este asfalto sea cargado mostrara más deformación elástica (recuperable) y menos deformación viscosa o no recuperable (permanente) comparada con el asfalto A.

Gráfica 4-3. Dos asfaltos con el mismo G* pero con diferente ángulo de fase. Fuente: (Hot Mix Asphalt Materials, Mixture design and construction.)

4.2.1. Ensayo

Para obtener el modulo G* se utiliza del DSR (Dynamic Shear Rheometer) cuyo principio es muy simple. El procedimiento esta normado por AASHYO TP5. Según como se muestra en la Gráfica 4-4, la muestra asfáltica está confinada entre una placa rígida y otra oscilante. Cuando se aplica un torque a la placa oscilante, esta se empieza amover del punto A hasta el punto B. Del punto B, la placa regresa hasta el punto C, pasando por el punto A. Del punto regresa al punto A. Esto se toma como un ciclo de oscilación. La frecuencia de oscilación se puede expresar en Hertz (número de oscilaciones por cada segundo), o en radianes. Los ensayos DSR se conducen a 10 radianes por segundo lo que equivale a 1,59Hz.

Gráfica 4-4. Caracterización básica del reómetro dinámico de corte.

Se pueden realizar dos tipos de pruebas, en el reómetro, estas son: carga constante y deformación constante. Los reómetros de carga constantes usan un solo torque durante el ensayo, por lo cual la deformación unitaria es la que cambia de forma ascendente; Por otro lado los reómetros de deformación constante tienen placas ajustadas para moverse hasta cierta deformación por lo cual la carga va a variar de forma descendente. El tiempo de desfase entre la aplicación de la carga y la deformación resultante se conoce como ángulo ?

La Gráfica 4-5 muestra dos resultados de ensayos de reómetro realizados a un material

elástico y un material totalmente viscoso. Para un material elástico perfecto hay una respuesta inmediata y por lo tanto el tiempo entre la aplicación de la carga y la deformación resultante es cero, por lo que se tiene un ángulo ? igual a cero. Cuando

se realiza este ensayo a un material viscoso como lo puede ser el asfalto caliente, el

lapso de tiempo entre la aplicación de la carga y la deformación es mayor y el ángulo de fase ? se aproxima a los 90 grados.

Para el caso de las mezclas asfálticas, la respuesta de será la de un material con propiedades intermedias. En la gráfica 4-6 se muestra el diagrama Esfuerzo- Deformación donde se ve que el ángulo de fases está entre los valores de 0 y 90 grados.

Gráfica 4-5. Resultados de Esfuerzo y deformación obtenidos en un reómetro de esfuerzo constante. (Obtenido de Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design ans Construction)

Gráfica 4-6. Respuesta de Esfuerzo-Deformación de un material visco elástico. (Obtenido de Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design ans Construction)

4.3. Propiedades volumétricas

Un factor que se debe tomar en consideración cuando se esturdía el comportamiento de una mezcla de asfalto caliente, son las propiedades o proporciones volumétricas.

Las propiedades volumétricas son:

• Densidad de a mezcla

• Vacíos de aire, Va.

• Vacíos en el agregado minera, Vma

• Vacíos llenos de asfalto, Vfa

• Contenido de asfalto, Pb.

Los agregados son porosos y por lo tanto pueden absorber agua y asfalto a un grado variable. Por esto se han desarrollado tres métodos para medir la gravedad especifica del agregado considerando las distintas variaciones, estos métodos se definen a continuación.

Gravedad Especifica Bulk, Gsb.- Es la proporción de la masa de aire en una unidad de volumen de un material permeable (que incluye los vacios permeables e impermeables del material) a una temperatura indicada, con respecto a la masa de aire de igual densidad de agua destilada de igual volumen a una temperatura indicada.

Gravedad Especifica Aparente, Gsa.- Es la proporción de aire por unidad de volumen de un material impermeable a una temperatura indicada con respecto a una masa de aire de igual densidad a un volumen igual de agua destilada a una temperatura indicada.

Gravedad Especifica Efectiva, Gse.- Es la proporción de la masa de aire de una unidad de volumen de un material permeable (excluyendo los vacios permeables al asfalto) a una temperatura indicada de una masa de aire de igual densidad, de un mismo volumen de agua destilada a una temperatura indicada.

Gráfica 4-7 Ilustración de los parámetros
del diseño volumétrico Tomado de Superpave Design

A continuación se definen los términos Vacíos del agregado mineral (VMA), contenido de asfalto efectivo (Pbe), vacíos de aire (Va), y vacíos llenos de asfalto (VFA).

Vacíos del agregado mineral, VMA.- el volumen de vacíos inter granulares, entre las partículas del agregado de una mezcla asfáltica compactada que incluyen los vacíos de aire y el contenido efectivo de asfalto, expresado como porcentaje del volumen total de la muestra.

Contenido efectivo de asfalto, Peb.- El contenido total de asfalto de una mezcla menos la proporción de asfalto absorbido por los vacíos del agregado mineral.

Vacíos de aire, Va.- El volumen total de los pequeños espacios de aire entre las partículas del agregado mineral, obtenidos en una mezcla compactada, la que se expresa en volumen bulk de la mezcla.

Vacíos llenado con asfalto, VFA.- Es una parte del porcentaje de volumen de los vacíos de aire intergranular en las partículas del agregado mineral que están ocupadas por asfalto efectivo. Se expresa a razón de VMA (VMA-Va).

Gráfica 4-8. Ilustración de los volúmenes de los diferentes componentes del asfalto.

Tomado de Superpave Design.

CAPÍTULO 5:

Desarrollo de la problemática

5.1 Introducción

Se sabe que las fisuras a fatiga, son uno de los mayores problemas para los pavimentos hechos con mezclas asfálticas en caliente, por esta razón el estudio de este fenómeno es de vital importancia si queremos mejorar de sobre manera la calidad de las vías.

En cuanto a control de calidad, todavía no hay una prueba simplificada que nos permita predecir el comportamiento a la fatiga de nuestra mezcla. Los estudios de Fatiga, nos permiten de alguna manera conocer cómo podría ser el comportamiento de nuestra mezcla ya puesta en obra, pero estos ensayos no solo son de amplia duración, sino que los equipos para realizarlos son caros y no muy comunes en el medio.