“Criterios de valorización de capas asfálticas en caliente para carpetas asfálticas y resistencia al ahuellamiento” Nieto Juan Pablo (1) Ing. Oscar Rebollo (2)

LEMaC Centro de Investigación Vial Área: Materiales Viales (1) Becario-Tesista (2) Director de Becario-Tesista

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1 Objetivo El presente trabajo de tesis pretende mostrar las técnicas de valoración de las mezclas asfálticas en caliente para carpeta de rodadura considerando las últimas tecnologías. Para ello el lector verá que se puede estudiar las mezclas en su conjunto o por sus partes componentes (áridos, ligante y filler de aporte). Desde el punto de vista del diseño de las mezclas para carpeta de rodadura se hará hincapié en aquellos parámetros que permitan evaluar su resistencia a las deformaciones plásticas permanentes producidas por las acciones dinámicas del transito. 2 Métodos de caracterización de asfaltos Los asfaltos presentan un comportamiento que depende de circunstancias externas a el, esto es: • Tiempo de aplicación de la carga. • Temperatura. • Tipo de carga Esta particularidad del asfalto hace necesario el conocimiento de la reología del material, es decir, el estudio de la deformación y fluencia de la materia en el tiempo. En la reología de los asfaltos se incluyen tanto las propiedades a altas temperaturas (que son las que se aplican durante el mezclado con los áridos), como a las bajas temperaturas de servicio de las mezclas en el camino. Ambos rangos varían prácticamente entre 180 ºC y 0 ºC., En general las propiedades de flujo son complejas, como se indico su comportamiento depende de circunstancias externas a el, pero en general a baja temperatura y cortos tiempos de carga pueden comportarse como sólidos elásticos, y a altas temperaturas y grandes tiempos de carga pueden tener fluir Newtoniano (viscoso puro), La gráfica Nº 1 esquematiza la función de una batería de ensayo para la valoración de las diferentes tipologías de falla en una mezcla asfáltica según la metodología SHARP SUPERPAVE:

Gráfica Nº 1 Valoración de las diferentes tipologías de falla en carpetas asfálticas.

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Las pruebas en general, y la metodología SUPERPAVE, pretenden cuantificar el desempeño del asfalto en las tres etapas de su vida; en estado original, después de mezclado y construcción y el envejecimiento después de estar en servicio. La tabla Nº 1 muestra las condiciones de envejecimiento del asfalto usadas el las pruebas [10]. Tabla Nº 1 Condiciones de envejecimiento del asfálto

La CPA (Comisión Permanente del Asfalto) en sus especificaciones técnicas generales de mezclas asfálticas en caliente [7] tiene presente las siguientes normativas de aplicación, tabla Nº 2: Tabla Nª 2: Especificaciones técnicas generales de mezclas asfálticas en caliente CPA (Comisión Permanente del Asfalto)

Según tales normativas, los convencionales son:

ensayos

característicos

de los

asfaltos

2.1 Vasija de envejecimiento, gráfico Nº 3, (PAV). SHARP SUPERPAVE El equipo se desarrolló para simular el envejecimiento en servicio del asfalto. El PAV expone al asfalto a presiones y altas temperaturas durante 20 h para reproducir el efecto del envejecimiento a largo plazo. El asfalto que se expone al envejecimiento a largo plazo tiene que haber pasado por el proceso de mezclado y construcción; el procedimiento PAV utiliza el asfalto envejecido en el RTFOT.

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Gráfico Nº 3: Ensayo de envejecimiento del asfalto. . 2.2 Reómetro de corte dinámico (DSR). SHARP SUPERPAVE La principal función de este ensayo es determinar el comportamiento Reológico del asfalto. En el gráfico Nº 4 se muestra el equipo de ensayo para la determinación del “Stiffness” del asfalto, o puede determinarse mediante un nomograma (diseñado por Van der Poel, que luego fue corregido por Heukelom) a cualquier temperatura y tiempo de carga, tomando (en lugar del punto de ablandamiento) una temperatura de referencia en que la penetración del asfalto es igual a 800 (T800) y el Indice de Penetración (I.P.).

Gráfico Nº 4: Determinación del módulo de rigidez (Stiffness) del asfalto Este ensayo consiste en la aplicación de un esfuerzo de corte oscilatorio a una muestra de asfalto colocada entre dos placas paralelas, obteniendo la medida de dos parámetros fundamentales de los ligantes bituminosos para pavimentación (grafica Nº 5) [11]:
El módulo complejo G* (Representa las componentes del asfalto la viscosa G’ y la elástica G’’)
EL ángulo de fase δ (Medida de la respuesta del material ante la carga)

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Gráfico Nº 5: Comportamiento elástico, viscoso del asfalto Tanto G* como δ dependen de la temperatura y de la frecuencia de la carga oscilante. Por ello, durante el ensayo se mantiene la muestra a temperatura constante. 2.3 Reómetro de viga a flexión (BBR). SHARP SUPERPAVE En el BBR se determina la rigidez mediante un ensayo de flexión, usado específicamente sobre asfaltos previamente envejecidos preparados en muestras prismáticas bajo la acción de una carga constante (representada por pesas de 100 gr que se van agregando de a una durante la ejecución del ensayo, hasta completar 400 gr) manteniéndolo lo más próximo posible en un comportamiento de sólido elástico, gráfico Nº 6.

Gráfico Nº 6: Ensayo de viga a flección 2.4 Viscosímetro rotacional (RV). SHARP SUPERPAVE La viscosidad rotacional se determina mediante el par requerido para mantener una velocidad de rotación constante de un vástago mientras se sumerge en una muestra de cemento asfáltico a una temperatura constante. Este par es directamente relacionado con la viscosidad del asfalto, ver gráfica Nº 7. El viscosímetro se utiliza para desarrollar esquemas de temperatura-viscosidad para estimaciones de temperaturas de mezclado y compactación en los diseños de mezclas.

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Gráfica Nº 7: Viscosímetro rotacional broockfield. 2.5 Tensión directa. SHARP SUPERPAVE La prueba se ejecuta sobre asfaltos envejecidos tanto en el RTFO como en el PAV, ver gráfica Nº 3. Es importante que un cemento asfáltico sea capaz de una mínima cantidad de alargamiento. Típicamente, asfaltos más rígidos son más quebradizos y asfaltos más suaves son más dúctiles. Este requerimiento adicional aplica sólo para asfaltos que tienen una rigidez en fluencia en el BBR entre 300 a 600 MPa. Si esa rigidez está debajo de 300 MPa no se aplica. Los rangos de temperaturas donde el asfalto generalmente exhibe un comportamiento quebradizo es de 0ºC a -36ºC.

Gráfica Nº8: Ensayo de tensión directa 2.6 Película delgada, gráfico Nº 9, (RTFOT). ASTM Puede definirse la buena durabilidad del asfalto como su resistencia al deterioro o envejecimiento, o sea la conservación de su capacidad para mantener sus propiedades de adherencia y cementantes durante la vida útil del pavimento.

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Gráfica Nº 9: Ensayo RTFOT 2.7 Peso específico, gráfico Nº 10. IRAM. Peso específico es la relación que existe entre el peso de un volumen dado de material a una temperatura de 25 ºC, y el peso de un volumen igual de agua destilada a la misma temperatura.

Gráfica Nº 10: Ensayo de peso específico. 2.8 Penetración, gráfico Nº 11. IRAM. Este es uno de los ensayos para determinar la consistencia de los materiales bituminosos.

Gráfico Nº 11.: Ensayo de Penetración

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2.9 Ductilidad gráfico Nº 11. IRAM. Consiste en someter una muestra del asfalto colocado en una probeta de forma y dimensiones standard, a un alargamiento con una velocidad de 5 cm por minuto y a una temperatura de 25 ºC ± 0.5 ºC, hasta el momento en que se produce el corte del material. La distancia expresada en centímetros se toma como Ductilidad del material

Gráfico Nº 11.: Pastilla para ensayo de ductilita en asfalto. 2.10 Punto de ablandamiento, gráfico Nº 12 IRAM. Este ensayo determina la consistencia de los betunes. Se considera como punto de ablandamiento la temperatura en la cual el betún colocado en un anillo se hace lo suficientemente blando como para permitir el paso de una esfera dada. El ablandamiento de los materiales bituminosos no ocurre generalmente en un momento o temperatura dados. A medida que la temperatura se eleva gradualmente, cambia su consistencia quebradiza o excesivamente viscosa y de lento escurrimiento, a una más fluida.

Gráfico Nº 12: Ensayo de punto de ablandamiento 2.11 Viscosidad IRAM. El método mas utilizado es el viscosímetro Brookfield del tipo rotacional (ver gráfica Nº 7), mediante el cual es posible medir la viscosidad aparente del asfalto a temperaturas controladas, sumergiendo en el mismo, un rotor, y midiendo la resistencia a la rotación (torque) registrada, en función de la deformación que experimenta un resorte calibrado. Considerando que los betunes asfálticos son materiales termoplásticos es decir que se licuan gradualmente al calentarlos, para caracterizarlos es necesario conocer su consistencia, o sea, el grado de fluidez o plasticidad a distintas Tesis de Becarios-Tesistas de Investigación del Año 2010 ISBN: 978-950-42-0133-5

temperaturas, gráfico Nº 13. Se los clasifica en base al valor de la consistencia a una temperatura dada. Antiguamente se realizaba mediante el ensayo de penetración pero este resulta un método empírico poco adecuado para la tecnología moderna. Actualmente la tendencia es clasificarlos con una base más científica, de acuerdo a su viscosidad.

Gráfico Nº 13: Comportamiento viscoso de asfalto 2.12 Punto de fragilidad. Gráfico Nº 14.ASTM. Este ensayo es de especial interés para el caso en que se empleen mezclas bituminosas en zonas de clima frío. De hecho, es uno de los pocos procedimientos tradicionales que describe el comportamiento del ligante a muy bajas temperaturas. El objetivo del ensayo es determinar la temperatura crítica a la cual se torna frágil.

Gráfico Nº 14 Ensayo de punto de fragilidad. 2.13 Adhesividad, gráfico Nº 15. ASTM La adhesión puede definirse como “la capacidad de un ligante para permanecer fijado a un árido recubriéndolo sin ningún riesgo de desplazamiento aún en presencia de agua o tráfico”. Esta vinculación puede producirse tanto desde el punto de vista químico, físico y/o fisicoquímico.

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Gráfico Nº 15: Adhesividad (Norma ASTM D-3625-83) 3

Caracterización de agregados.

En las mezclas asfáltica el agregado pétreo compone, en general, un 95% del peso total de la misma (incluyendo el filler de aporte), y por ende no es raro de esperarse que se establezcan ensayos de aceptación mínimos para el cumplimiento tanto estructural y resistente como duraderos de la mezcla. Entre ellos tenemos: 3.1 Propiedades de consenso: Tal designación proviene de la metodología SUPERPAVE, que luego fue normalizada. Entre los ensayos más característicos tenemos:: 3.1.1 Angularidad del agregado grueso. AASHTO. Estas propiedades aseguran un alto grado de fricción interna y alta fuerza al corte para resistencia a las roderas. Es definido como el porcentaje por peso de agregados más grandes de 4.75 mm, con una o más caras fracturadas. 3.1.2 Angularidad del agregado fino [1], [8], [10] AASHTO. Estas propiedades aseguran un alto grado de fricción interna y alta fuerza al corte para resistencia a las roderas. Se define como el porcentaje de vacíos de aire presentes en agregados sueltos, con tamaños menores de 2.36 mm [AASHTO TP 33], "método de prueba para la determinación del porcentaje de vacíos en agregado fino, levemente compactado” (así como la influencia de la forma de la partícula, textura de la superficie y graduación), (método A)], altos porcentajes de vacíos significan más caras fracturadas, gráfica Nº 16.

Gráfica Nº 16: Angularidad del agregado fino

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3.1.2 Partículas alargadas y aplanadas ASTM. Es el porcentaje en peso del agregado grueso, cuya relación entre las dimensiones máxima y mínima es mayor de 5 las partículas alargadas son indeseables porque tienden a quebrarse durante la construcción y el tránsito (Norma ASTM D4791, "partículas planas y alargadas en agregados gruesos, mayores de 4.75mm). 3.1.3 Equivalente de arena. ASTM Es el porcentaje de arena presente en la fracción de agregado menor de 4.75 mm (Norma ASTM D2419, "Finos plásticos en agregados graduados y suelos usando el ensayo de equivalente de arena"). Consiste en la separación las arenas que sedimentan en el fondo de la probeta y hacia arriba se tienen las partículas plásticas en suspensión, gráfica Nº 16.

Gráfica Nº 16:Equivalente de arena 3.2 Propiedades de origen. Aun cuando estas propiedades son relevantes durante el proceso de diseño de la mezcla, podrían también ser usadas como un control de aceptación de la fuente de origen; estas son: 3.2.1 Tenacidad (la prueba de desgaste de Los Ángeles) ASTM. La tenacidad es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de abrasión de Los Ángeles. Norma ASTM D131. 3.2.2 Durabilidad (intemperismo acelerado) ASTM, AASHTO. Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o magnesio. Norma es la ASTM C88. Los materiales deletéreos se definen como el porcentaje en peso de contaminantes como esquistos, madera, mica y carbón mezclado con los agregados. La norma es la AASHTO T 112, " Masa de arcilla y partículas friables en agregados". Puede aplicarse tanto a agregados finos como gruesos. 3.3

Análisis granulométrico.

3.3.1 La metodología SRARP SUPERPAVE hace referencia a la granulometría modificado el enfoque de la granulometría Marshall, empleando el exponente 0.45 en la carta de granulometría para definir la granulometría Tesis de Becarios-Tesistas de Investigación del Año 2010 ISBN: 978-950-42-0133-5

permitida (gráfica de Fuller). Un rango importante de esta carta es la granulometría de máxima densidad; La granulometría de máxima densidad representa la graduación para la cual las partículas de agregado se acomodan entre sí, conformando el arreglo volumétrico más compacto posible. Evidentemente, esta granulometría debe evitarse porque habría muy poco espacio entre los agregados como para permitir el desarrollo de una película de asfalto lo suficientemente gruesa, como para obtener una mezcla durable. Para especificar la granulometría del agregado, se emplean dos conceptos adicionales: puntos de control y una zona restringida. Los puntos de control son puntos de paso obligado para la curva granulométrica y corresponden al tamaño máximo nominal, un tamaño intermedio (2.36 mm) y un tamaño de finos (0.075mm). Por su parte, la zona restringida se ubica entre los tamaños intermedios (4.75 ó 2.36 mm) y 0.3 mm, formando una banda por la cual la curva granulométrica no deberá pasar. Granulometrías que pasan a través de la zona de restricción (desde abajo), se llaman "humped graduations" (graduaciones con joroba) por la forma característica de joroba que se forma en la curva al pasar por aquella zona. En la mayoría de los casos, estas curvas indican una mezcla con mucha arena fina en relación con el total de la arena. Las granulometrías que violan la zona restringida poseen un esqueleto granular débil que depende demasiado de la rigidez del cemento asfáltico para alcanzar una mezcla con resistencia al corte. Un diseño de la estructura del agregado que pase entre los puntos de control y evite la zona de restricción satisface los requerimientos granulométricos de Superpave. Ver Gráfico Nº 17.

Gráfico Nº 17: Curva granulométrica SUPERPAVE 3.3.2 La CPA, especifica dentro de su PETG (pliego de especificaciones técnicas generales) curvas granulométricas dependiendo del tipo de carpeta de rodadura (de bajo o alto espesor, indicado más adelante).

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La granulometría de las distintas fracciones de árido constituyente de la mezcla (incluido el filler de aporte) deber estar comprendida según los husos definidos en la tabla Nº 3 (IRAM 1505). Tabla Nª 3: Granulometría, PETG de la CPA de mezclas asfálticas en caliente.

La gráfica Nº 18 corresponde a una granulometría de la mezcla asfáltica clasificada como CAC D20 correspondiente a la gráfica Nº 19 para una granulometría sin filler de aporte; la gráfica Nº 20 corresponde a una granulometría de la mezcla asfáltica clasificada como CAC D20 correspondiente a la gráfica Nº 21 para una granulometría con filler de aporte.

Gráfico Nº 18 Curva granulométrica, CAC D20 (correspondiente a la dosificación de la Gráfico Nº 18)

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Gráfico Nº 19 Dosificación sin filler de aporte. CAC D20

Gráfico Nº 20 Dosificación sin filler de aporte. CAC D20

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Gráfico Nº 21 Dosificación con filler de aporte. CAC D20 3.3.3 Otra metodología de diseño de capas asfálticas para carpeta de rodadura corresponde a la metodología Bailey. Este método es una herramienta práctica y exitosa utilizada para el desarrollo y análisis de mezclas asfálticas en caliente, tanto en laboratorio como en el campo. Permite definir la curva granulométrica que mejor se ajusta al diseño de una mezcla, ya sea Superpave o Marshall. El método utiliza dos principios que son la base de la relación entre la gradación de los agregados y la mezcla volumétrica. Con estos dos principios el Método propone dos pasos principales; la combinación de los áridos en un volumen y el analizar la mezcla combinada. 4

Elección de las mezclas asfálticas en caliente para carpeta.

En muchas ocasiones, el proyecto de una mezcla asfáltica se reduce a determinar su contenido de ligante; sin embargo, ésa es sólo la última fase de un proceso más amplio, que requiere de un estudio cuidadoso de todos los factores involucrados, a fin de garantizar un comportamiento adecuado de la mezcla y un considerable ahorro económico en la solución [1]. Las mezclas asfálticas sirven para soportar directamente las acciones de los neumáticos y transmitir las cargas a las capas inferiores, proporcionando una

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superficie de rodadura segura, confortable y estética de la forma más satisfactoria. Las fases de las que consta el proyecto de una mezcla son las siguientes [1], [8]:  Análisis de las condiciones en las que va a trabajar la mezcla: tránsito, tipo de infraestructura (carretera, vía urbana, aeropuerto, etc.), la capa de la que se trata (rodadura, intermedia o base) y espesor, naturaleza de las capas subyacentes, intensidad del tráfico pesado, clima, etc. Asimismo, hay que distinguir si se trata de un pavimento nuevo o de una rehabilitación (Fernández Del Campo J.A., 2001).  Determinación de las propiedades fundamentales que ha de tener la mezcla, dadas las condiciones en las que ha de trabajar. Debe establecerse la resistencia a las deformaciones plásticas o la flexibilidad, entre otras.  Elección del tipo de mezcla que mejor se adapte a los requerimientos planteados, incorporando en este análisis las consideraciones económicas o de puesta en obra que haya que considerar.  Materiales disponibles y elección de los agregados pétreos, los cuales deben cumplir con determinadas especificaciones, pero que en general serán los disponibles en un radio limitado y, por lo tanto, a un costo razonable. Asimismo, hay que elegir el polvo mineral de aportación y su relación con la cantidad de ligante asfáltico.  Elección del tipo de ligante (asfalto, asfalto modificado, emulsión asfáltica); el costo es siempre un factor muy relevante. Esto será de acuerdo al tipo de mezcla, tipo de tránsito, clima.  Dosificación o determinación del contenido óptimo de ligante según un proceso que debe adaptarse al tipo de mezcla, la cual debe hacerse para distintas combinaciones de las fracciones disponibles del agregado pétreo, de manera que las granulometrías conjuntas analizadas estén dentro de un huso previamente seleccionado. Otros factores a tener en cuenta en el diseño y selección de una mezcla asfáltica son los siguientes: exigencias de seguridad vial, estructura del camino, técnicas de diseño y ejecución, sitio de construcción del pavimento (topografía, temperatura, terreno, periodo de lluvias, trazado de la vía, entre otros), condiciones de drenaje entre otros. La CPA (Comisión Permanente del Asfalto; ESPECIFICACIONES TECNICAS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE Versión 01, año 2006) clasifica a las mezclas asfálticas: a) Mezclas de bajo espesor (espesor de carpeta menor o igual a 40mm) Se definen como mezclas asfálticas en caliente de bajo espesor, a aquellas elaboradas y colocadas en obra a temperatura muy superior a la ambiente, en espesores menores ó iguales a

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40 mm y con agregado pétreo de tamaño máximo 12 mm. Su composición incluye agregados pétreos según lo expresado, filler, asfalto y eventualmente aditivos tales como mejoradores de adherencia, fibras, etc. Las mezclas definidas en esta especificación, tienen por objeto ser utilizadas como carpetas de rodamiento en obras nuevas ó como parte de recapados de pavimentos preexistentes. Tipos de mezclas asfálticas de bajo espesor: a.1 CAC D 12: Concreto asfáltico convencional denso, tamaño máximo de agregado 12 mm (1/2”) Concreto asfáltico de granulometría continua. Puede utilizarse en su elaboración asfaltos modificados con polímeros. a.2 CAC S 12: Concreto asfáltico convencional semidenso, tamaño máximo de agregado 12 mm (1/2”) Concreto asfáltico de granulometría continua. Se diferencia respecto del CAC D 12 en el huso granulométrico. Pueden utilizarse en su elaboración asfaltos modificados con polímeros. a.3 CAD 12: Concreto asfáltico drenante, tamaño máximo de agregado 12 mm (1/2”) Concreto asfáltico con alto contenido de vacíos (> 20 %) que lo hacen al agua. Para su elaboración es necesaria la utilización de asfaltos modificados con polímeros y, eventualmente, fibras, si así se especifica particularmente, las cuales posibilitan el uso de mayor cantidad de ligante asfáltico sin problemas de escurrimiento. a.4 MAC M8 y MAC M10 Microconcretos asfálticos de granulometría discontinua monogranulares tamaños máximos de agregado 8 mm y 10 mm respectivamente. Concretos asfálticos de granulometría discontinua especialmente proyectados para carpetas de rodamiento con espesores entre 1,5 y 2,5cm. Necesaria la utilización de asfaltos modificados con polímeros. a.5 MAC F8 y MAC F10: Microconcretos asfálticos de granulometría discontinua de tamaño máximo de agregado 8mm y 12mm respectivamente. Concretos asfálticos de granulometría discontinua especialmente proyectados para carpetas de rodamiento con espesores entre 2 y 3,5 cm. Necesaria la utilización de asfaltos modificados con polímeros. a.6 SMA 10 y SMA 12 Concretos asfálticos tipo SMA: Concretos asfálticos en caliente Stone Mastic Asphalt, tamaño máximo de agregado 9,5 mm y 12mm respectivamente. Mezclas formadas por un esqueleto pétreo autoportante y mástic con alto contenido de ligante asfáltico, filler y fibras. Pueden utilizarse asfaltos modificados en su elaboración. b) Mezclas de alto espesor (espesor de carpeta igual o mayor a 50mm)

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Se definen como Concretos Asfálticos Convencionales Denso (CAC D20), Semidensos (CAC S20 y CAC S25) y Gruesos (CAC G20 y CAC G25), a la combinación de un ligante asfáltico convencional ó modificado, áridos (incluido filler) y eventualmente aditivos tales como mejoradores de adherencia, fibras naturales, etc., fabricadas en plantas al efecto y colocadas en obra a temperatura muy superior a la ambiente. El concreto asfáltico a utilizar en función del tipo y espesor de la capa del paquete estructural, se define en el pliego de especificaciones técnicas particulares. Tipos de mezclas asfálticas de alto espesor: b.1 CAC D 20: Concreto asfáltico convencional denso, tamaño máximo de agregado 19 mm (3/4”) Concreto asfáltico de granulometría continua. b.2 CAC S 20: Concreto asfáltico convencional semidenso, tamaño máximo de agregado 19 mm (3/4”) Concreto asfáltico de granulometría continua. b.3 CAC G 20: Concreto asfáltico convencional grueso, tamaño máximo de agregado 19 mm (3/4”) Concreto asfáltico de granulometría continua. b.4 CAC S 25: Concreto asfáltico convencional semidenso, tamaño máximo de agregado 25 mm (1”) Concreto asfáltico de granulometría continua. b.5 CAC G 25: Concreto asfáltico convencional grueso, tamaño máximo de agregado 25mm (1”) Concreto asfáltico de granulometría continua. Para la definición del espesor de la capa se debe respetar la relación: e > 2,5 D e = espesor de la capa. D: tamaño máximo nominal del agregado, definiéndose como tal la dimensión del tamiz de menor abertura, de la serie normalizada de tamices, que retiene hasta el 10% de la mezcla de árido en peso. En la tabla Nº 2 se indican las normas Técnicas de Aplicación. Las mezclas se caracterizan, en general, por ciertas características técnicas o tecnológicas como se muestra en la tabla Nº 4.

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Tabla Nº 4: Clasificación de mezclas asfálticas

En la tabla Nº 5 se presenta características técnicas que una carpeta de rodadura asfálticas en caliente deberá cumplir, y en particular su resistencia alas deformaciones permanentes.

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Tabla Nº 5: Propiedades técnicas para carpeta

Los requerimientos del diseño de mezclas asfálticas y como lo indica la metodología SUPERPAVE entre otros, son: • Requerimientos volumétricos de la mezcla Los requerimientos volumétricos de la mezcla son: vacíos de aire; vacíos del agregado mineral y vacíos llenos de asfalto. El contenido de vacíos de aire es una propiedad importante que se utiliza como base para la selección del contenido del cemento asfáltico. Superpave define los vacíos del agregado mineral (VAM), como la suma del volumen de vacíos de aire y del asfalto efectivo en una muestra compactada, representando los vacíos entre las partículas del agregado. Los vacíos llenos de asfalto (VFA) son el porcentaje de VAM que contiene cemento asfáltico. Consecuentemente, VFA es el volumen de cemento asfáltico efectivo expresado como el porcentaje de VAM. • Proporción de polvo Se calcula como la relación entre el porcentaje en peso del agregado más fino que el tamiz 0.075 mm y el contenido de asfalto efectivo en porcentaje de peso total en la mezcla, menos el porcentaje de asfalto absorbido. •

Susceptibilidad a la humedad

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El ensayo de susceptibilidad a la humedad para evaluar una HMA al desprendimiento es la Norma T 283, "Resistencia de mezclas bituminosas compactadas al daño inducido por humedad". Este ensayo, que no se basa en el desempeño, sirve para dos propósitos; primero, identificar si una combinación de cemento asfáltico y agregado es susceptible a la acción del agua; segundo, mide la efectividad de los aditivos anti-desprendimiento o de mejora de adherencia. Así, las metodologías de diseño de capas asfálticas en caliente para carpetas de rodadura establecen tres especificaciones:
Para el cemento asfáltico,
Para el agregado mineral
Para la mezcla asfáltica. Siendo relevantes conocer (para el caso de esta tesis) dos parámetros que nos permitirán proyecta nuestro diseño de carpeta de rodadura:
Módulo dinámico o STIFFNESS de la mezcla
Resistencia al ahuellamiento 4.1 Ahuellamiento El ahuellamiento de una mezcla asfáltica para carpeta de rodadura se puede decir que son canales que se forman a lo largo de la trayectoria longitudinal de circulación de los vehículos, exactamente en las huellas por donde ruedan los neumáticos sobre el pavimento. Representan la acumulación de pequeñas deformaciones permanentes producidas por aplicaciones de carga provenientes del mismo rodado de los vehículos sobre la superficie del pavimento y es uno de los tipos de deterioro que más preocupa dentro del estudio del comportamiento de las mezclas asfálticas en caliente, debido a su incidencia preponderante en el camino, y su alta intervención como factor generador de accidentes (Padilla Rodriguez A., 2002). La acumulación de deformaciones plásticas en una capa de concreto asfáltico pueden ser causadas por una reducción volumétrica del material que compone la mezcla asfáltica y por las deformaciones debidas a los esfuerzos cortantes que transmiten las cargas del tránsito. La deformación plástica permanente se caracteriza por una sección transversal del pavimento que no se encuentra en la posición original de diseño; se llama permanente porque representa una acumulación de pequeñas cantidades de deformación irrecuperable que ocurre cada vez que se le aplica la carga. Existen dos tipos principales (Garnica Anguas P. et al, 2004):
Por fallas en la subrasante
Por fallas en la capa de la mezcla asfáltica

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Ahuellamiento de una subrasante débil

Ahuellamiento (rutting) de una mezcla débil Gráfica Nº 22: Distintos tipos de ahuellamiento

En este tipo de fallas es central el diseño de las mezclas asfálticas que resistan las acciones dinámicas del tránsito. Resultan relevantes las condiciones ambientales, tales como humedad y temperatura, y cobra especial importancia la intensidad del tránsito y la frecuencia del mismo. Las cargas pesadas y lentas serán en general las que mayor incidencia posean en las deformaciones plásticas, al elevarse el tiempo de permanencia de la carga. Siendo necesario tener una medida de si la mezcla que se diseña es susceptible al ahuellamiento para poder corregir el problema a tiempo y no verlo en el pavimento ya colocado con los inconvenientes que ello ocasiona, dentro del PET (pliego de especificaciones técnicas) de mezclas asfálticas en caliente de bajo espesor para carpetas de rodamiento redactado por la CPA (Comisión Permanente del Asfalto) se especifica al ensayo de rueda cargada como de determinación obligatoria, para una base de datos. Formación del ahuellamiento en una mezcla asfáltica Se puede decir que los mecanismos principales de formación de huellas en el área de solicitación es el siguiente:  Compactación del tránsito. En esta fase inicial, la compactación debida al tránsito tiene una mayor influencia en las deformaciones.  Luego, el volumen que disminuye por debajo de las llantas es aproximadamente igual al volumen que se incrementa por los bordes en la parte superior del pavimento. Esto es un indicador de que mayormente la compactación se lleva a cabo bajo las solicitaciones del tránsito y que las huellas son causadas primordialmente por desplazamiento con volumen constante (flujo plástico). Esta fase se consideró en gran parte para representar el comportamiento de la deformación en el tiempo de vida del pavimento. La deformación a través de las capas de concreto asfáltico es mayor cerca de la superficie donde se aplican las cargas y gradualmente decrece en las capas de niveles inferiores. El flujo plástico se reduce con la profundidad (Hofstra et al, 1972). El flujo plástico (etapa terciaria) se manifiesta luego de la densificación de la mezcla (etapa secundaria), y se interpretaría como el desplazamiento de una capa (interior a la mezcla) sin resistencia de su entorno (Esfuerzo de Corte

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nulo), caracterizado por una variación de volumen igual a cero, y es el valor a determinar. Los principales factores que hacen sensible a una mezcla al ahuellamiento son (Brown S. F. et al, 1979): 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Granulometría de los áridos. Forma, tamaño y textura de los áridos. Contenido de polvo mineral en la mezcla. Tipo y cantidad de ligante asfáltico. Modificación del asfalto. Contenido de Vacíos en el agregado mineral y contenido de vacíos en la mezcla asfáltica. Cargas por eje equivalente de los vehículos y presión de contacto de los neumáticos con el pavimento y frecuencia. Las condiciones ambientales.

A continuación se detalla de cada ítem: 4.1 Granulometría de los áridos Las mezclas de granulometrías densas son de mejor prestación ya que mitigan la aparición de huellas. Cuando las mezclas asfálticas densas o de granulometrías continuas, se compactan adecuadamente con buenos equipos y a temperatura adecuada, se logran mezclas con menor porcentaje de vacíos y con mayores puntos de contacto entre las partículas que las mezclas de granulometría abierta. Las mezclas abiertas o de granulometría discontinua presentan una mayor susceptibilidad a las deformaciones plásticas y son aún más vulnerables a las deformaciones plásticas a temperaturas altas que las mezclas densas o elaboradas con granulometrías continuas (Brown et al, 1974). 4.2 Forma, tamaño y textura de los áridos En climas cálidos, donde las deformaciones permanentes son más factibles de aparecer la textura de la superficie del agregado desarrolla un rol de significación. Tanto la textura como la forma del agregado son valores que traban la mezcla, producen una mayor fricción interna y el rozamiento final hace que disminuya el riesgo a generar deformación permanente. En este estudio el efecto de la trituración en la textura superficial no fue definido, debido a que es muy difícil separar los efectos de la textura superficial y los de la forma, debido a las caras de fractura. De esta forma se puede decir que las experiencias realizadas han notado el mejor comportamiento de las mezclas con áridos triturados que con naturales, y que a medida que la fracción natural aumenta, se incrementa el riesgo a la deformación permanente. El empleo de áridos de mayor angularidad y el aumento de la fracción triturada, obliga al diseño de mezclas más trabadas, a modificar los trenes de compactación contribuyendo el esqueleto mineral a la componente elástica del material; su forma y textura influyen en las propiedades elásticas de las mezclas asfálticas, así como la compactación, ya

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que un esqueleto mineral bien compactado tiene un mayor comportamiento elástico (Uge et al, 1974). Además, autores como Morea- Padilla mencionan en La granulometría final que cuanto más gruesa menos deformaciones permanentes tendrá la mezcla asfáltica, controlando la curva granulométrica en los límites inferiores para los tamaños medios de tamices, sobre todo en el rango de las arenas. Las propiedades volumétricas en las que hay que hacer hincapié son los porcentajes de vacíos y asfalto, como ya se indico, en porcentaje de vacíos optimo de alrededor de 4 % para una mezcla densa. para evitar exudaciones y deformaciones. Para el porcentaje de asfalto este no debe ser excesivo de lo contrario se tendrá una mezcla más deformable y propensa a sufrir exudaciones. En Las mezclas del tipo SMA o microaglomerados son diferentes tanto en tecnología como diseño (porcentajes de asfalto de entre 6 y 7 %) escapan a estas consideraciones por ser desarrollos especiales. Las anteriores son premisas a la hora de diseñar las cuales deben verificarse de alguna manera. Aquí es donde entra en juego el ensayo de rueda cargada. Este nos revelara en cierta medida el futuro comportamiento de la mezcla una vez que esta este colocada en el pavimento. Este ensayo nos permitirá ver posibles cambios en el diseño debido a un mal funcionamiento de la mezcla en este ensayo. 4.3 Contenido de polvo mineral en la mezcla. El polvo mineral junto con el ligante forma el mastic asfáltico. La calidad de éste tiene una importancia fundamental en el comportamiento reológico, impermeabilidad y durabilidad de la mezcla asfáltica. Los factores que intervienen para conseguir un buen mastic son diversos: a) La relación polvo mineral/asfalto de manera que cuanta más alta es esta relación, más elevada es la viscosidad de masa y más rígida es la mezcla. b) La finura del polvo mineral y su afinidad por el agua. Es importante comprobar la insensibilidad al agua de los polvos minerales ya que estos ponen en riesgo la estabilidad de la mezcla. El Test de Lottman modificado y la estabilidad remanente del ensayo Marshall ponen en evidencia los riesgos. El riesgo de sensibilidad al agua del mortero de la mezcla puede deberse no solamente a la naturaleza del polvo mineral sino también a ciertas composiciones químicas de algunos asfaltos. El polvo mineral tiene un papel fundamental en el comportamiento de las mezclas asfálticas por su elevada superficie específica, en función de su naturaleza, finura, actividad y proporción en la que entra a formar parte de la mezcla. El polvo mineral o filler forma parte del esqueleto mineral y por lo tanto soporta las tensiones por rozamiento interno o por contacto entre las partículas; además cumple con las siguientes funciones (Padilla Rodríguez A., 2002): • Rellena los vacíos del esqueleto de agregados gruesos y finos; por lo tanto impermeabiliza y densifica el esqueleto. Sustituye parte del asfalto o betún que de otra manera sería necesario para conseguir unos huecos en mezcla suficientemente bajos.

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• Proporciona puntos de contacto entre agregados de mayor tamaño y los encaja limitando sus movimientos, aumentando así la estabilidad del conjunto. • Facilita la compactación, actuando a modo de rodamiento entre los áridos más gruesos. • Hace la mezcla más trabajable al envolver los áridos gruesos y evitar su segregación. 4.4 Tipo y cantidad de ligante asfáltico. Modificación del asfalto. Los ligantes asfálticos necesariamente deben ser de mayor viscosidad a efectos de aumentar la resistencia a las deformaciones plásticas. El uso de cualquier tipo de modificador de asfalto mejora el comportamiento frente a las solicitaciones pesadas y lentas combinados con elevadas temperaturas. Se debe recordar que se produce una tensión con el concepto de rigidez. La componente elástica del ligante asfáltico contribuye a aumentar el comportamiento elástico de la mezcla; de igual forma, el ligante influye decisivamente en la componente viscosa y su mayor presencia dentro de la mezcla hace que aumente ésta (Corté et al, 1994). En cuanto a la cantidad de ligante asfáltico se puede diseñar en forma preliminar con el ensayo Marshall, para luego hacer las comprobaciones con ensayos dinámicos. Los elevados contenidos de asfalto producen mezclas de bajos vacíos en las mezclas y como consecuencia un incremento potencial en la susceptibilidad a la deformación plástica de la mezcla ( Mahboub, et al, 1988). En general se ha observado una mejora en las mezclas con ligantes modificados frente a estados de solicitaciones dinámicas como la del tránsito. Los modificadores pueden ser utilizados para incrementar la rigidez de las mezclas asfálticas a temperaturas crítica, reduciendo la susceptibilidad ante la formación de huellas (Monismith et al., 1994). Cave mencionar que los asfaltos por sus propiedades viscosas, a temperaturas bajas se comportan como sólidos, y elevadas fluyen, propiedad usada para la puesta en obra de la mezcla (las óptimas o mínimas). Tales temperaturas son determinadas en laboratorio con relación a parámetros de viscosidad Broockfield, en asfaltos Newtonianos y No-Newtonianos (modificados).a estos últimos se determina bajo el concepto de ZSV (viscosidad de corte cero). Entiéndase fluidos No-Newtonianos aquellos donde la viscosidad y la velocidad de fluir (o de corte) están en dependencia (menor viscosidad a mayores velocidades, y la pérdida de viscosidad es perdida de esfuerzo de corte). (Agnusdei et.al-Efecto de la temperatura de preparación y compactación en mezclas con asf. modif.) 4.5 Contenido de vacíos en el agregado mineral y contenido de vacíos en la mezcla asfáltica La buena resistencia a la deformación plástica de las mezclas requieren bajo contenido de vacíos en el agregado mineral (para VAM>10%) y la granulometría deseada para mínimos contenidos de VAM puede ser determinada usando ensayos a agregados secos. Sin embargo se debe tener

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precaución que la mezcla contenga el mínimo nivel de vacíos teóricos en el agregado mineral. Puede ser deseable que hubiera suficientes vacíos en el agregado mineral con el fin de asegurar que la cantidad de ligante asfáltico sea satisfactoria (Cooper, et al, 1985). Se ha encontrado que los desplazamientos relativos de las partículas minerales ocurren cuando la mezcla asfáltica es manejada a altas temperaturas (durante la extensión y compactación de la mezcla) o a moderada temperatura, pero también bajo cargas prolongadas sucede de la misma forma (Uge y Van de Loo, 1974). En general, se puede decir que un incremento en el contenido de vacíos (para Va>3%) en la mezcla provoca una baja en la resistencia de la mezcla a la deformación plástica. Por lo que por durabilidad y por plasticidad resulta conveniente ser muy cuidadosos en el control de vacíos de la mezcla en obra. Por último, las mezclas con bajo contenido de vacíos se comportaron mejor que las mezclas con altos contenidos de vacíos. El grado de compactación es uno de los principales parámetros de calidad de las mezclas, especialmente para diseños críticos con bajos contenidos de ligante para favorecer la resistencia al ahuellamiento. Es por eso que los cuidados en la colocación deben extremarse pues un buen diseño puede fracasar en el proceso de colocación. Se tiene que mencionar que la compactación es un factor crítico en la preparación de muestras para evaluación en el laboratorio. Se debe tratar de simular y reproducir, en la medida de lo posible, la compactación que se lleva a cabo en campo en condiciones reales. En los casos del diseño de mezclas, se deben incluir requisitos sobre los porcentajes mínimos y máximos aceptables referentes al contenido de vacíos tanto en la mezcla como en el agregado mineral para poder garantizar un funcionamiento adecuado del pavimento durante el periodo de servicio (Padilla Rodriguez A., 2002). 4.6 Cargas por eje equivalente de los vehículos y presión de contacto de los neumáticos con el pavimento y frecuencia El contacto de los neumáticos con el pavimento vuelve a ser un punto central. Como se mencionó en las características superficiales en relación a la adherencia, se deben diseñar mezclas que sean de adecuada macro y micro textura. Desde el punto de vista estructural deben ser considerados los neumáticos como el elemento de apoyo, por lo que la presión de inflado y el área de contacto es un factor importante a considerar. Las presiones altas de contacto sobre los pavimentos están directamente relacionadas con los valores de las cargas por eje de los vehículos, lo que conlleva a la formación de huellas son presiones altas de contacto sobre los pavimentos. A su vez es importante considerar la frecuencia del tránsito. Un aumento en el número de repeticiones de carga establece una disminución en la resistencia de los pavimentos a la generación de deformaciones plásticas; es decir, que

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cuando se incrementa el número de repeticiones de carga, el pavimento es más susceptible a sufrir este tipo de deterioro (Monosmith et al, 1994) 4.7 Las condiciones ambientales Las altas temperaturas actúan sobre la consistencia del asfalto (lo reblandecen) ocasionando una enorme susceptibilidad a sufrir deformaciones plásticas debido a que la mezcla presenta un comportamiento muy viscoso, que la hace fluir y desplazarse con mucha facilidad. La temperatura medioambiental, por lo tanto, es un factor que influye de una manera muy importante en las deformaciones plásticas de los pavimentos porque permite que una mezcla asfáltica se comporte de manera viscosa o elástica. La presencia de agua puede aumentar la susceptibilidad de una mezcla asfáltica a las deformaciones plásticas permanentes. Los efectos del agua pueden ser considerados en la fase inicial de diseño de las mezclas o como una parte del proceso de evaluación de las mezclas. Cuando existe una modificación de la estructura de pavimento de estado seco a húmedo, se presenta una disminución de la resistencia de la mezcla. Haciendo una síntesis se puede decir, tal como lo citan Angelone et al, 2006 (IMAE, Universidad Nacional de Rosario), que los efectos principales en las variaciones citadas son las siguientes:

Tabla Nº 4 – Síntesis de principales efectos sobre la resistencia al ahuellamiento Tesis de Becarios-Tesistas de Investigación del Año 2010 ISBN: 978-950-42-0133-5

Modelos para medir ahuellamientos

Gráfico Nº 23. Modelo reológico del comportamiento de materiales

Gráfico Nº 24 - Evolución de la deformación permanente para una carga cíclica Donde: σ: Tensión ε: deformación específica εP: deformación específica axial permanente εR: deformación específica axial resiliente. El comportamiento de la mezcla frente a un estado de solicitación es mediante el inmediato desarrollo de deformaciones específicas del tipo elástico, seguidas por otras del tipo viscoso y dependientes del tiempo tal cual se expresara con anterioridad. Si la carga es cíclica, como la que se muestra en la figura, la deformación plástica se va acumulando en el tiempo. La evolución de la deformación en el tiempo se desarrolla en tres fases: La primaria: se produce rápidamente en los primeros ciclos La secundaria: propia de cada mezcla como se ha visto. Tesis de Becarios-Tesistas de Investigación del Año 2010 ISBN: 978-950-42-0133-5

La terciaria: es una deformación a volumen constante y deformaciones por corte.

Gráfico N º 25: Etapas de las deformaciones permanentes

Gráfica Nº 26: Deformaciones plásticas permanentes según el número de ciclos Los modelos matemáticos actuales para el cálculo de la deformación plástica permanente fueron desarrollados por Kaloush, Gráfico anterior. Este tipo de modelo evolucionó en el tiempo a modelos más completos que tienen en cuenta la mayoría de los factores que se mencionan en la tabla Nº 4.

Formulación de deformaciones plásticas permanentes El método AASHTO 2002 de diseño de pavimentos sintetiza la ecuación de cálculo en la fórmula

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N: Número de ciclos T: Temperatura σd : Tensor desviador η: Viscosidad del ligante a 60 ºC Vbeff: Porcentaje de volumen efectivo del ligante Va: Porcentaje de vacíos ai ; bi : Constantes de correlación experimentales Equipo para medir ahuellamiento desarrollado en el LEMaC El instrumental para medir ahuellamiento, tanto el ensayo propiamente dicho como el equipo para compactar las probetas fueron desarrollados en el LEMaC, en el marco de la presente Tesis. Se ha realizado contratando especialistas en el diseño electrónico, eléctrico, mecánico, hardware y software para que se ajustara a la actual normativa vigente en la Comunidad Europea, 2004. (BS EN 12697-22:2003 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt part 22. Wheel Tracking). A continuación se dan las características del equipo y la muestra de ensayo: Características de la probeta  De acuerdo al espesor de la capa Tabla Nº 6: Espesor probetas en función del tamaño máximo del agregado Espesor probeta (cm) 2.5 4 6 8 Tamaño máximo del < 8 816 16