ESTUDIO REOLÓGICO DE CASOS PARA ASFALTOS ENVEJECIDOS A LARGO PLAZO ÍNDICE
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN.............................. INTRODUCCIÓN. .......................................................... .......................................................... .............................................................. ............................................ ........... 6 1.1
ANTECEDENTES GENERALES......................................................... GENERALES....................................................................................... ....................................................... .........................66
1.2
OBJETIVOS DEL ESTUDIO................................. ESTUDIO................................................................ ............................................................. ....................................................... .........................77
1.3
ALCANCES AL CANCES DEL ESTUDIO. ESTUDIO. ....................................................... ...................................................................................... ...............................................................7 ................................7
1.4
METODOLOGÍA DE TRABAJO.................................................................................................................8
1.5
ESTRUCTURA DE L A MEMORIA...................................................... MEMORIA................................................................................... ........................................................ ...........................99
CAPÍTULO 2: ASFALTOS............................................. ASFAL TOS.......................................................................... ........................................................ .............................................................. ...................................... ... 12 2.1
GENERALIDADES DE LOS ASFALTOS.................................................. A SFALTOS.............................................................................. ............................................... ................... 12
2.2
ASFALTOS. ASFAL TOS................................ ........................................................... .......................................................... ............................................................... ..................................................... .................... 13
2.2.1 Com Composición posición química del del asfalto.................................... asfalto............................................................................................................................. ......................................................................................... 14 2.2.2 Modelos odelos dela la Estructu Estructura ra Química uímica del Asfalto......................................................................................................... Asfalto......................................................................................................... 18 2.2.2.1 Modelo odelo Micelar del Asfalto. Asfalto......................................................................................................... ........................................................................................................ .....................18 ..................... 18 2.2.2.2 Modelo odelo Continu Continuo o Microestruc icroestructura turall SHR SHRP....................................................................................................... P. ...................................................................................................... 21 2.2.3 Química Química del Asfalto y Performa Performance nce del Pavime Pavimento. nto...... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ......... ....27 27
CAPÍTULO 3: COMPORTAMIENTO REOLÓGICO. REOLÓGICO. ........................................................ .................................................................................. ........................................... ................. 29 3.1
REOLOGÍA. ....................................................... .................................................................................... ............................................................ .......................................................... ...........................29 29
3.1.1 Viscos Viscosidad idad.. ................................................................................................................. ............................................. 30 3.1.2 Tipos Tipos de Com Comportam portamiento Reológ Reológico. ico............................................................................................................... .............................................................................................................. .......33 ....... 33 3.1.2.1 Fluidos Fluidos Newto Newtonian nianos..................................... os....................................................................................................................................... .................................................................................................. 33 3.1.2.2 Fluidos Fluidos NoNewtonia Newtoniano nos. s. ................................................................................................................................ 34 3.1.2.3 Tixotropía Tixotropía y Reopex Reopexia. ia. .............................................................................................................................. ......38 ...... 38 3.1.3 Viscos Viscosidad idadAbsoluta. Absoluta................................................................................................... .................................................................................................. ............................................. 42 3.1.4 Viscosidad Aparente (ηap).......................................................................................................................................42 3.1.5 Viscos Viscosidad idad Cinemática inemática.. ..................................................................................................................... ......................44 ...................... 44
3.2
COMPORTAMIENTO REOLÓGICO REOLÓGICO DE LOS ASFAL TOS.................................................................. TOS...................................................................... .... 44
3.2.1 Variables que Afectan las Propiedades Reológicas del Asfalto..............................................................................45 3.2.1.1 La Tem Temperatura peratura........... ......................................................................................................................... .............................................................................................................. ......................45 ...................... 45 3.2.1.2 La Tasa Tasa de Corte............................................................................................................................................. 46 3.2.1.3 Condic Condicione ioness de Medición.............. edición.......................................................................................................................... ............................................................................................................ ......46 ...... 46 3.2.1.4 El Tiempo. po. .................................................................................................................. .....................................47 ..................................... 47 3.2.1.5 Presión. Presión....................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... .....................47 ..................... 47 3.2.1.6 Historia Historia Previa Previa.. ........................................................................................................................... .....................47 ..................... 47 3.2.1.7 Com Composición posicióny Aditivos.. Aditivos.............................................................................................................. ............................................................................................................ .....................48 ..................... 48 3.2.2 Efecto de las Variables en el el Comportamiento Comportamiento Reológico Reológico del Asfalto y sus Tipos de Comportamiento. Comportamiento. ...... ......... ...... ...... ...48 48 3.2.3 Dificultades en la Medición de las Propiedades Reológicas...................................................................................50
CAPÍTULO 4: ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO. ASFAL TO. ..................................................... ............................................................................... .............................................. .................... 52 4.1
INTRODUCCIÓN........................................ INTRODUCCIÓN...................................................................... .......................................................... .............................................................. ..................................... ... 52
1
4.2
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ENVEJECIMIENTO.................. ENVEJECIMIENTO............................................... ..................................................... ........................54 54
4.3
ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO ASFAL TO SEGÚN ETAPAS DE CONSTRUCCIÓN....................................... CONSTRUCCIÓN.......................................59 59
4.3.1 4.3.2 4.3.3
4.4
Envejecimiento del Asfalto durante el Mezclado con los Agregados......................................................................59 Envejecimien Envejecimiento to en una Mezcla Mezcla durante el Almacen Almacenam amiento iento en Caliente, Transporte Transporte y Colocación. Colocación...... ........... ........... .......... ..... 61 Enveje Envejecim cimiento iento del del Asfalto Asfalto en Servicio.................................................................................................................... Servicio.................................................................................................................... 61
ESTUDIOS DE ENVEJECIMIENTO ENVEJECIMIENTO SOBRE CEMENTO CEMENTO ASFÁLTICO. ASFÁL TICO....................... ................................................. ............................. 63
4.4.1 Proced Procedimie imiento ntoss de Envejec Envejecim imiento iento en Laborat Laboratorio.......................... orio................................................................................................. ....................................................................... 67 4.4.1.1 Procedimientos de Calentamiento Extenso (Extended Heating Procedures ).................................................67 4.4.1.2 Proced Procedim imiento ientoss de Oxidación xidación..................................................................................... ..................................................................................... .....................................72 ..................................... 72 4.4.1.3 Tratam Tratamiento ientoss conLuzUltravioleta Ultravioleta e Infrarroja. Infrarroja.......................................................................................... ......................................................................................... ......77 ...... 77 4.4.1.4 Endu Endurecim recimiento iento Estérico (Tixotróp (Tixotrópico). ico)............................................................................................................ ........................................................................................................... 78 4.4.2 Estudios de Relación entre Ensayos de Envejecimiento en Laboratorio y Performance de Terreno.....................78 4.4.2.1 Estudio Estudioss en California. California............................................................................................................................... .............................................................................................................................. ......79 ...... 79 4.4.2.2 Tram Tramo de Prueba Pruebade Michigan................................ ichigan........................................................................................................................ ........................................................................................ 80 4.4.2.3 Tram Tramo de Prueba Pruebade Penn Pennsylva sylvania......................................................................................... nia......................................................................................... ........................82 ........................ 82 4.4.2.4 Estud Estudio io de Iowa............................................................................ Iowa............................................................................ ................................................................... 82
CAPÍTULO 5: ENVEJECIMIENTO CONTEXTO CONTEXTO SUPERPAVE. ....................................................... ................................................................................. ..........................83 83 5.1
INTRODUCCIÓN A SUPERPAVE......................................... SUPERPAVE.................................................................... ......................................................... ........................................ .......... 83
5.1.1 Modelo odelo Reológ Reológico................................................. ico.................................................................................................................................................... ................................................................................................... 85 5.1.1.1 Reóm Reómetro etro de Corte Corte Dinám Dinámico ico (DSR)............................................................................................................... (DSR)............................................................................................................... 86 5.1.1.2 Determ Determinac inación ión del intervalo intervalo de compo comportam rtamiento iento lineal. lineal. ............................................................................... ...90 ... 90 5.1.1.3 Supe Superpos rposición ición Tiempo – Tem Temperatura peratura....... ............................................................................................................ ..................................................................................................... 92 5.1.1.4 Parámetros Característicos de una Curva Maestra........................................................................................94 5.1.1.5 Modelo Matemático para Describir las Curvas Maestras................................................................................97 5.1.1.6 Discusión del Nomogram Nomograma a de Van der Poel . ................................................................................................ 100 100
5.2
ENDURECIMIENTO FÍSICO FÍSICO DE BAJ A TEMPERATURA. .................................................................... ....................................................................101 101
5.3
ASPECTOS QUÍMICOS DEL ENVEJECIMIENTO......................................... ENVEJECIMIENTO.................................................................... ........................................ ............. 107
5.4
SIMULACIÓN DEL ENVEJECIMIENTO DE LARGO PLAZO............................... PLA ZO............................................................. ................................. ... 108
5.4.1 An Antec tecedentes tes Prev revios ios..... ....... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...10 .109 9 5.4.2 Selección del Procedimiento Final de Envejecimiento..........................................................................................113 5.4.3 Variables que Afectan los Niveles de Oxidación en el PAV..................................................................................116 5.4.3.1 Reab Reabaste astecim cimiento iento de Oxígen Oxígeno.................................................... o...................................................................................................................... .................................................................. 116 5.4.3.2 Mezcla ezcla de Distintos Distintos Asfaltos Asfaltos en el PAV. AV. ....................................................................................................... 117 5.4.3.3 Posición Posición de las Muestras uestras en el PAV. PAV............................................................................................ ........................................................................................... .................117 ................. 117 5.4.3.4 Espe Espesor sorde la Película................................................................................................................................... Película................................................................................................................................... 118 5.4.3.5 Temperatura..................................................................................................................................................119 5.4.4 Validació Validación n deTerreno Terreno delos Resulta Resultado doss del del Test.............................. Test................................................................................................ .................................................................. 122
CAPÍTULO 6: CÁMARA CÁ MARA DE ENVEJECIMIENTO A PRESIÓN PRESIÓN (PAV)...................................................................... (PAV)......................................................................125 125 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4
6.2
ANTECEDENTES GENERALES......................................................... GENERALES....................................................................................... ................................................... .....................125 125 Prepa Preparació ración n de la Muestra..................................................................................................................................... uestra..................................................................................................................................... 126 Cuidad Cuidados os Especiales speciales.. ........................................................................................................................ ....................127 .................... 127 An Anális lisis de Resulta ltados...... s........ .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..12 27 Calibrac Calibración ión y Norm Normaliza alización ción.. ............................................................................................................. ....................128 .................... 128
EQUIPO PAV PRENTEX MODELO MODELO 9300. ...................................................... .................................................................................... ....................................... ......... 128
6.2.1 Principa Principales les Caracte Característica rísticas. s................................................................................................................ ............................................................................................................... ....................128 .................... 128 6.2.2 Principa Principales les Com Componen ponentes tes y Acces Accesorios orios.. ............................................................................................................... 129 6.2.3 Sistem Sistemas as de Control. Control. ...................................................................................... ....................................................... 130 6.2.4 Instrucciones para Operar el PAV PRENTEX Modelo 9300 [MIÑO03].................................................................131 6.2.4.1 Descarga Descarga de Datos Datos almacena almacenados dos en el Sistema Sistema Controlador Controlador Modelo Modelo 9300SC 9300SC.. ........... ................. ............ ............ ........... ........... ..........134 134
2
CAPÍTULO 7: ENVEJECIMIENTO Y REOLOGÍA.............................................................................. REOLOGÍA..................................................................................................... .......................136 136 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5
7.2
MEDIDAS PUNTUALES. PUNTUAL ES................................ ............................................................ ............................................................. ............................................................ ............................136 136 Penetración............................................................................................................................................................136 Ductilidad...............................................................................................................................................................138 Punto Punto de Abland Ablandam amiento iento.. ...................................................................................................................................... 139 Punto Punto de Fragilida Fragilidad d Fraass Fraass.................................................................................... .................................................................................... ................................................ ................................................139 139 Viscos Viscosidad idad.. ................................................................................................................. ........................................... ...........................................142 142
PARÁMETROS DE SUSCEPTIBILIDAD. ........................................................ ....................................................................................... ...................................... ....... 144
7.2.1 Parám Parámetros etros de Suscep usceptibilidad tibilidad de Tem Temperatura peratura.. .............................................................................. ....................144 .................... 144 7.2.1.1 Índicede Pene Penetració tración n (IP)............................................................................................................................. 145 7.2.1.2 PVN PVN (Pene (Penetration tration Viscosity Viscosity Num Number). ber). ........................................................................................................... 146 7.2.1.3 VTS VTS (Viscosity (Viscosity – Tem Temperature perature Susce Susceptibility)............................. ptibility)............................................................................................... .................................................................. 147 7.2.2 Parám Parámetros etros de Susce Susceptibilida ptibilidad d de Corte.............. Corte............................................................................................................... ................................................................................................. 148
7.3 7.3.1
7.4 7.4.1 7.4.2
CARACTERIZACIÓN VISCOELÁSTICA LINEAL (LVE).......................................................................149 Efecto del del Envejecimiento Envejecimiento sobre propiedades propiedades Reológica Reológicass dentro del Proyecto S SHR HRP.. P....... ........... ........... ........... ............ ............ .......... ....150 150
SISTEMA DE GRADUACIÓN PROPUESTO PROPUESTO PARA CHILE. ....................................................... ................................................................. .......... 153 Reglas Reglas para para la Graduac raduación ión por por Desem Desempe peño........ ño......................................................................................................... ................................................................................................. 154 Desventaja del sistema de graduación propuesto.................................................................................................159
CAPÍTULO 8: DATOS DA TOS EXPERIMENTALES............................................................... EXPERIMENTALES............................................................................................ ............................................... ..................161 161 8.1
ETAPA DE RECUPERACIÓN DEL LIGANTE. .......................................................... ...................................................................................... ............................161 161
8.1.1 Elección de Caminos de la Región para Recuperar..............................................................................................161 8.1.2 Extracc Extracción iónde Testigo Testigos. s.......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... 162 8.1.2.1 Faena Faenade Extracc Extracción ión de Testigo Testigos...................................................... s.................................................................................................................. ............................................................ 163 8.1.3 Recup Recupera eración ción del Ligante................................................................................................... Ligante................................................................................................... ...................................164 ................................... 164
8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3
ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL EN RPC. ...................................................... ..................................................................................... ...................................... ....... 166 As Asfalt falto os Utili tiliza zad dos. .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..16 67 Equipo Equipo Utilizado Utilizado............................... ..................................................................................................................................................... ...................................................................................................................... 168 Etapa Etapa de Envejecim Envejecimiento iento y Obtención Obtención de Resultados. Resultados....... ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ......... ...169 169
8.3
ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN. ......................................................... ..................................................................................... ........................................... ............... 174
8.4
ANÁLISIS ANÁ LISIS DE LOS DATOS....................................... DA TOS....................................................................... ............................................................. ............................................. ................180 180
8.4.1 An Anális lisis de Medida idas Puntua tuales les..... ....... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...18 .183 3 8.4.1.1 An Anális lisis de Penetra tracion iones...... ........ .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...18 .183 3 8.4.1.2 An Análisi lisis de Ductili ctilidades. .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...18 .186 6 8.4.1.3 An Anális lisis de Puntos tos de Ablan landamien iento... to..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..18 87 8.4.1.4 An Análisis lisis de Puntos tos de Frag ragilid ilida ad de Fraa raass.... s...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..18 88 8.4.1.5 An Anális lisis de Visc iscosida idades..... ....... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..19 90 8.4.2 An Anális lisis de los los Parám rámetro tros de Susce sceptib tibilid ilida ad a la Temperatu ratura ra.. .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..19 94 8.4.2.1 An Análisi lisis del Índ Índice ice de Penetra tración (IP (IP)... ). .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..19 94 8.4.2.2 An Análisi lisis del PVN (Pe (Penetra tratio tion Visc iscosity ity Number)... r)..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..19 95 8.4.3 An Análisi lisis de los los Crite riteri rio os de Especific ifica acion iones por Desempeño.... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....1 ..19 96 8.4.3.1 Selecc Selección ión del GradoPG................................................................................................................................ 197 8.4.3.2 Requerimientos de las Especificaciones por Desempeño............................................................................197 8.4.3.3 Determina Determinación ción de los Parámetros Parámetros y Comparación Comparación con con Criterios de Especificación. Especificación...... ........... ............ ............ ........... ........... ..........199 199
CAPÍTULO 9: CONCLUSIONES. ....................................................... .................................................................................... .......................................................... .......................................... ............. 207 CAPÍTULO 10: BIBLIOGRAFÍA. BIBL IOGRAFÍA. ...................................................... .................................................................................... ............................................................ ........................................... ............. 211
3
ÍNDICE DE FIGURAS Figura Figura 2.1: Grupos rupos Anillos Anillos Arom Aromáticos..................... áticos................................................................................................................................... .............................................................................................................. ............16 ............ 16 Figura Figura 2.2: Grupos rupos Anillos Anillos Cíclicos Cíclicos (arom (aromáticos áticos nafténico nafténicos).................................................................... s).............................................................................................................. .......................................... 16 Figura Figura 2.3: Grupos rupos Alifáticos Alifáticos("aceitosos")............................................................... ("aceitosos")......................................................................................................................................... .......................................................................... 16 Figura Figura 2.4: Modelo odelo Micelar Micelar del del Asfalto. Asfalto.................................................................................................................... ................................................................................................................... ........................... 19 Figura 3.1: Modelo Modelo de dos Planos Planos Paralelos Paralelos de un Fluido en Movimiento Movimiento.. ............ .................. ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ............ ...... 31 Figura 3.2: Gráfico τ versus versusS para para fluidos fluidos newto newtonian nianos............................................................... os................................................................................................................... .................................................... 33 Figura 3.3: Gráfico η versus versus S para para fluido fluidoss newto newtonian nianos............... os.................................................................................................................. ................................................................................................... 33 Figura Figura 3.4: Fluidos Fluidos seudo-p seudo-plástico lásticos...................................................................... s.................................................................................................................................................... .............................................................................. 34 Figura 3.5: Depen Dependenc dencia ia de la Viscosidad de uun n Fluido seudo-plástico seudo-plástico respecto respecto al Gradiente de de Velocidad. Velocidad....... ........... .......... ........... ............ ........... ..... 36 Figura Figura 3.6: Com Comportam portamientode un Fluido Fluido Dilatante Dilatante........................................ ........................................................................................................................... ................................................................................... 37 Figura Figura 3.7: Fluidos Fluidos Plásticos. Plásticos. ....................................................................................................................................................... ......37 ...... 37 Figura Figura 3.8: Com Comportam portamientode un Fluido Fluido Tixotróp Tixotrópico. ico............................................................................................. ............................................................................................ .......................... 38 Figura Figura 3.9: Represen epresentació tación n Gráfica Gráfica dela la Tixotropí Tixotropía.................................................................. a.......................................................................................................................... ........................................................ 40 Figura Figura 3.10: 3.10: Com Comportam portamiento iento de un Fluido Fluido Reopé Reopéxico...................................................................................................................... xico...................................................................................................................... 41 Figura 3.11: Ejemplo del Concepto de Viscosidad Aparente.............................................................................................................43 Figura Figura 4.1: Esque Esquem ma de Perform Performanc ance................................................................................................................................................ e................................................................................................................................................ 53 Figura 4.2: Relación en entre tre la la Temperatura Temperatura de Mezclad Mezclado o y el Incremento Incremento en el Punto Punto de Ablandam Ablandamiento. iento....... ............ ........... ........... ............ ........... .......... ..... 60 Figura Figura 4.3: Enveje Envejecim cimiento ientoa través través del Tiempo. po. ........................................................................................................ .......................62 ....................... 62 Figura 4.4: Cam Cambios bios en la viscosidad viscosidad durante durante vida de servicio servicio de tres asfaltos de Zaca-W Zaca-Wigm igmore. ore....... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........... ......... ....72 72 Figura 4.5: Penetración Penetración versus Tiempo Tiempo de Envejecim Envejecimiento iento (Lee, 1973). 1973). ........... ................. ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ........... ......... ....74 74 Figura 4.6: Viscosidad Viscosidad a 25ºC 25ºC versus Tiempo Tiempo de Envejecim Envejecimiento iento (Lee, (Lee, 1973). 1973). ............ ................. ........... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ...... 75 Figura 4.7: Curvas de Correlación entre los Tiempos de Envejecimiento (Lee, 1973)......................................................................76 Figura 4.8: Envejecim Envejecimiento iento y Camb Cambios ios de de Consistencia Consistencia (Corbett (Corbett y Schwey Schweyer). er). ........... ................. ........... ........... ........... ........... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... .........81 81 Figura Figura 5.1:Platosde reómetrode cortedinámico.............................................................................................................................. dinámico.............................................................................................................................. 87 Figura Figura 5.2:Módulo MóduloComplejo Complejoy Ángulo Ángulode Fase. Fase................................................................................................................................ ............................................................................................................................... 87 Figura 5.3: Desfase Desfase entre Deformación Deformación Aplicada y Esfuerzo Esfuerzo Resultante. Resultante....... ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........ ...88 88 Figura 5.4: 5.4: Representa Representación ción vectorial vectorial del módulo módulo complejo, complejo, de almacen almacenam amiento iento y de pérdida. pérdida. ........... ................. ........... ........... ............ ........... ........... ........... ........... ...... 90 Figura 5.5: Tres Tres etapas etapas en el comp comportam ortamiento iento del del asfalto asfalto a la deform deformación. ación. ............ .................. ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........ ...91 91 Figura 5.6: Superposición Tiempo – Temperatura en la Construcción de la Curva Maestra para el Módulo Complejo v/s Frecuencia.........................................................................................................................................................................93 Figura 5.7: Curva Curva Maestra Típica para Módulo Complejo y Ángulo Ángulo de Fase. Fase. ............ ................. ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........ ...95 95 Figura Figura 5.8: Parám Parámetros etrosde Curva Curva Maestra aestra Típica. Típica......................................................................................................... ........................................................................................................ .....................96 ..................... 96 Figura 5.9: Cambio en el Stiffness con el Tiempo de Almacenamiento a -15ºC..............................................................................102 Figura 5.10: 5.10: Respu Respuesta esta Medida Medida en Creep Creep y su Variación Variación con con el Tiemp Tiempo o Isotérmico. Isotérmico. ........... ................. ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ...... 104 Figura 5.11: Variación del Módulo Módulo de Rigidez con el Tiem Tiempo po Isotérmico. Isotérmico....... ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............ ...... 104 Figura 5.12: Relación Relación Camb Cambio io de Volumen y Temperatura. peratura. ........... ................. ........... ........... ........... ........... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............ ...... 105 Figura 5.13: Índices de Envejecim Envejecimiento iento para distintas temperatu temperaturas ras de de PAV PAV.. ............ .................. ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ .......... ....114 114 Figura 5.14: Com Comparación paración de Protocolos Protocolos en PAV PAV por Índices Índices de Envejecim Envejecimiento. iento. ........... ................. ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ .......... ....115 115 Figura Figura 5.15: Efecto Efecto del Espe Espesor sor de la Película Película en el PAV. PAV............................................................................................................... .............................................................................................................. 119 Figura 5.16: Comparación endurecimiento en PAV entre protocolo de 144-horas, 71ºC y protocolo de 20-horas a diferentes tempera temperaturas turas.. .................................................................................................................. ................................................ ................................................121 121 Figura 5.17: Comparación endurecimiento en PAV entre protocolo de 144-horas, 71ºC y protocolo de 100ºC y diferentes tiempos deenvejecim envejecimiento iento.. ............................................................................................................. ............................................. .............................................122 122 Figura 5.18: Curvas Maestras para asfalto usado en Sección de Florida, 8 años...........................................................................124 Figura 5.19: Funciones de cambio de Temperatura para asfalto en Florida, 8 años.......................................................................124 Figura 6.1: Cámara de Envejecimiento a Presión, Modelo PRENTEX 9300...................................................................................130 Figura 7.1: Penetración Penetración versus Tiempo Tiempo de Envejecim Envejecimiento iento en Meses....... eses. ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ .......... ....137 137 Figura 7.2: Predicción del Punto de Fragilidad de Fraass [DEBA04]...............................................................................................141 Figura Figura 7.3: Viscosid Viscosidad ada 60ºC 60ºCv/s Tiem Tiempoen Meses.................................................................................................... eses.................................................................................................... ...................142 ................... 142 Figura 7.4: 7.4: Cambios Cambios en la Curva Curva Maestra Maestra de un un asfalto despué despuéss del envejecimiento envejecimiento en en PAV. PAV...... ........... ............ ........... ........... ........... ........... ............ ............ ......... ...150 150 Figura 7.5: Cambios en la Función Shift de un asfalto después del envejecimiento en PAV..........................................................151 Figura 7.6: Efecto del envejecimiento sobre el ángulo de Fase( δ)..................................................................................................152 Figura 7.7: Efecto del envejecimiento sobre el Módulo Complejo (G*)............................................................................................152 Figura 7.8: Nomograma para la estimación de la Elongación a la Rotura [DEBA04]......................................................................157 Figura Figura 8.1: Faena Faenade Extracc Extracción ión deTestigos.................................................................................... Testigos.................................................................................... ............................................... ...............................................163 163 Figura 8.2: Rotavapor Utilizado en la Recuperación de Ligante......................................................................................................165 Figura Figura 8.3: Recup Recuperac eración ión del del Ligante Ligante............................................................................................. ............................................................................................. .................................................. ..................................................165 165 Figura Figura 8.4: PAV PAV – Corrida Corrida 1. .......................................................................................................... .................................................. ..................................................171 171
4
Figura 8.5: PAV – Corrida 2. .......................................................................................................... ..................................................171 Figura 8.6: PAV – Corrida 3. .......................................................................................................... ..................................................172 Figura 8.7: PAV – Corrida 4. .......................................................................................................... ..................................................172 Figura 8.8: PAV – Corrida 5. .......................................................................................................... ..................................................173 Figura 8.9: PAV – Corrida 6. .......................................................................................................... ..................................................173 Figura 8.10: PAV – Corrida 7........................................................................................ ................................................................... 174 Figura 8.11: Enfoques de Análisis Realizados a los Datos Experimentales....................................................................................182 Figura 8.12: Comparación Penetraciones Caminos Recuperados v/s Prueba de Michigan........................................................... 185 Figura 8.13: Estimación del Punto de Fraass para los Asfaltos Recuperados................................................................................189 Figura 8.14: Curvas Log-Stiffness v/s Log-Tiempo de Carga, determinación de Valor-m...............................................................204
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Composición Química del Asfalto...................................................................................................................................... 15 Tabla 4.1: Efectos que Pueden Reducir las Propiedades de Ligazón del Asfalto (Traxler, 1963). ................................................... 58 Tabla 4.2: Envejecimiento Acelerado de Laboratorio y Métodos de Evaluación...............................................................................65 Tabla 4.3: Nivel de Envejecimiento usando diferentes métodos........................................................................................................71 Tabla 4.4: Índice de Envejecimiento de Asfaltos AC-10 de diferentes fuentes usando TFAAT........................................................71 Tabla 4.5: Relación entre contenido de vacíos y viscosidad de asfaltos después de 11-13 años de servicio..................................71 Tabla 4.6: Efecto del “climatómetro” (weatherometer) en la Viscosidad (Edler et al., 1985).............................................................78 Tabla 5.1: Procedimientos de Envejecimiento Acelerado................................................................................................................111 Tabla 7.1: Temperaturas de Grados por Desempeño propuestos para Chile. ................................................................................155 Tabla 7.2: Proposición de Graduación por Desempeño para Chile.................................................................................................158 Tabla 8.1: Puntosde Extracción deTestigos................................................................................ ................................................... 162 Tabla 8.2: Muestra D.................................................................................................................................................... ....................167 Tabla 8.3: Muestra E. ...................................................................................................... ................................................................. 167 Tabla8.4: MuestraF....................................................................................... .................................................................................. 167 Tabla 8.5: Muestra G.................................................................................................................................................... ....................168 Tabla 8.6: Muestra H.................................................................................................................................................... ....................168 Tabla 8.7: Corridas en el PAV....................................................................................................................................... ...................170 Tabla 8.8: Valoresde Penetración, [dmm]................................................................................................................... ....................175 Tabla 8.9: Valoresde Puntode Ablandamiento, [ºC]....................................................................................................................... 175 Tabla 8.10: Valoresde Ductilidad, [cm]............................................................................................................................................ 176 Tabla8.11: Valoresde Puntode FragilidaddeFraass, [ºC]............................................................................................................ 176 Tabla 8.12: ViscosidadAbsoluta a 60ºC, [Poises]........................................................................................................................... 177 Tabla 8.13: Viscosidad Cinemática a 135ºC, [cSt]........................................................................................................................... 178 Tabla 8.14: Cuadro Resumen de Ensayos de Caracterización.......................................................................................................179 Tabla 8.15: Valores Originales Estimados, Caminos Recuperados (Muestras A, B y C)................................................................181 Tabla 8.16: Enfoque 2 Análisis de Penetraciones............................................................................................................................ 183 Tabla 8.17: Enfoque 2 Análisis deDuctilidades............................................................................................................................... 186 Tabla 8.18: Enfoque 2 Análisis de Puntos de Ablandamiento......................................................................................................... 187 Tabla8.19: Enfoque 3 Análisis dePuntosde Fraass. .................................................................................................. ...................189 Tabla 8.20: Enfoque 1 Análisis de Viscosidades Absolutas (60ºC). ................................................................................................191 Tabla 8.21: Enfoque 2 Análisis de Viscosidad Absoluta a 60ºC......................................................................................................192 Tabla 8.22: Enfoque 2 Análisis de Viscosidad Cinemática a 135ºC................................................................................................193 Tabla 8.23: Enfoque 2 Análisis deÍndicesde Penetración.............................................................................................................. 194 Tabla 8.24: Enfoque 2 y 3 Análisis de Índices de Penetración........................................................................................................195 Tabla 8.25: Resumen Especificación Superpave para un Grado PG 64-10....................................................................................198 Tabla 8.26: Resumen Especificación propuesta para Chile para un Grado PG 64-10....................................................................198 Tabla 8.27: Trabajabilidad, Viscosidades 135ºC en Pa•s para los Asfaltos Originales. ..................................................................199 Tabla 8.28: Ahuellamiento, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG64-10. ..................................................................................200 Tabla 8.29: Agrietamiento por Fatiga, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10...................................................................201 Tabla 8.30: Agrietamiento Térmico, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10......................................................................202 Tabla 8.31: Agrietamiento Térmico, Valor-m para Muestras Estudiadas, PG64-10.......................................................................203 Tabla 8.32: Agrietamiento Térmico, Elongación a la Rotura, PG64-10..........................................................................................205
5
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN.
1.1
ANTECEDENTES GENERALES.
El asfalto, como material utilizado en ingeniería vial para la construcción de pavimentos, ha logrado una alta masificación en los últimos años debido a sus características deseables de costo, rapidez de construcción y un singular comportamiento reológico visco-elástico. Esta última característica es la que los ingenieros viales han estudiado para poder predecir el desempeño de la carpeta asfáltica en su vida de servicio, lo que ha permitido crear especificaciones que buscan minimizar los modos de falla típicos de los pavimentos asfálticos, tales como, ahuellamiento, agrietamiento por fatiga y agrietamiento térmico. En la última etapa de servicio del pavimento, el asfalto ha sufrido un natural endurecimiento producto de muchos factores, entre los cuales la oxidación es uno de los más importantes. Este proceso es llamado “envejecimiento del asfalto” y muchos investigadores han tratado de simularlo a través de muchas técnicas. Dentro de este contexto están las especificaciones SUPERPAVE
(SUperior
PERformance
PAVEments )
que
controlan
características
fundamentales del ligante a distintas temperaturas (según la zona donde se pretende utilizar) y en distintas etapas de la vida de servicio del asfalto. Para lograr esto último, la especificación contempla la aplicación de un procedimiento de envejecimiento acelerado del ligante en laboratorio, llamado Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV – Pressure Aging Vessel ) que simula el endurecimiento que sufre el asfalto en el Largo Plazo en terreno, tras un período de 5 a 10 años de vida en servicio. El procedimiento anteriormente nombrado nunca se había aplicado en el país en un estudio de casos con asfaltos nacionales, ni comparado con ligantes recuperados desde pavimentos. Este trabajo de Memoria consistió justamente en eso: se envejecieron artificialmente ligantes nacionales en el PAV, se recuperaron asfaltos de caminos de la región envejecidos en el Largo Plazo y se compararon ambos endurecimientos a través de una serie de ensayos de caracterización realizados sobre los residuos. Esto permitió, dentro de las limitantes mismas del estudio, realizar una validación del procedimiento de envejecimiento acelerado con respecto a asfaltos originales de la zona y envejecidos en terreno.
6
1.2
OBJETIVOS DEL ESTUDIO.
La presente memoria tiene como objetivo estudiar el envejecimiento a Largo Plazo producido por el ensayo PAV (Cámara de Envejecimiento a Presión) sobre asfaltos originales, mediante la comparación de propiedades reológicas con asfaltos envejecidos naturalmente en terreno. Para lo anterior se definen los siguientes objetivos específicos:
Puesta a punto de la Cámara de Envejecimiento a Presión, modelo PRENTEX 9300 presente en la Refinería de Petróleos de Concón, a fin de envejecer ligantes originales según procedimiento Superpave.
Optimización del procedimiento de recuperación de ligantes implementado en el laboratorio LEMCO de la Universidad a través del equipo Rotavapor, según procedimiento 8.302.58-MCV8.
Validación del procedimiento PAV realizado en RPC con respecto a los resultados del Proyecto Superpave y los ligantes recuperados del terreno, a través de ensayos de caracterización, tales como, penetración, punto de ablandamiento, viscosidad, ductilidad y punto de fraass.
1.3
ALCANCES DEL ESTUDIO.
Este trabajo de Memoria es una primera aproximación en cuanto a la validación en nuestro país del procedimiento Superpave para la simulación del envejecimiento de Largo Plazo de asfaltos sin modificar. Tal validación se realizó sólo a través de los parámetros determinados con los ensayos de caracterización mencionados anteriormente, los cuales poseen el gran inconveniente de ser medidas empíricas y puntuales, por lo que la extrapolación a condiciones distintas a las de los ensayos resulta arriesgada. No obstante, muchos estudios en el pasado han obtenido importantes conclusiones con esta metodología. En este contexto, se propone realizar un estudio que disponga de más recursos económicos que involucre una gama más amplia de ligantes y una comparación con una mayor cantidad de asfaltos recuperados a través de una caracterización lineal viscoelástica; ésta es de una naturaleza más fundamental y requiere la utilización de equipos más sofisticados. Debido a la escasez de recursos en el desarrollo de este trabajo, sólo se pudieron hacer tres recuperaciones desde el terreno, por lo cual un análisis estadístico de los resultados es 7
impracticable. Asimismo, se envejecieron 5 muestras en el PAV, 3 suministradas por la RPC y 2 por empresas de la región; los resultados son aplicables sólo a las muestras estudiadas. El estudio se refiere sólo al envejecimiento del ligante, dejando abierta la realización de un posterior estudio que involucre las variables de la mezcla (cantidad de vacíos, % de asfalto, granulometría, etc) y otras variables que afectan la vida del pavimento, como el nivel de tráfico y el clima.
1.4
METODOLOGÍA DE TRABAJO.
La metodología utilizada en este trabajo fue la siguiente:
Parte Revisión Bibliográfica . Se realizó una extensa revisión bibliográfica del material disponible, tanto en biblioteca como en las publicaciones de SHRP y NCHRP publicados en Internet.
Parte Experimental. Esta etapa se desarrolló en cuatro sub-etapas: i)
Etapa Recuperación del Ligante; la cual abarcó la elección de los caminos a recuperar, la faena de extracción de testigos, y la recuperación del ligante mediante el Rotavapor.
ii)
Envejecimiento Artificial de las Muestras; etapa desarrollada en la Refinería de Petróleos de Concón que comprendió la elección de las muestras originales a envejecer, la calibración de la Cámara de Envejecimiento a Presión – PAV presente en el laboratorio RPC y el envejecimiento mismo de las muestras.
iii)
Etapa Ensayos de Caracterización; realizada en el Laboratorio de asfalto de la Universidad, consistente en la obtención de los diversos parámetros para las muestras originales y envejecidas natural y artificialmente.
iv)
Etapa Análisis de Datos; realizada en gabinete, en la cual se pudo trabajar con los datos obtenidos en el punto iii) y comparar los procedimientos de envejecimiento, de acuerdo a los objetivos de este estudio.
8
1.5
ESTRUCTURA DE LA MEMORIA.
La presente Memoria consta de 6 Capítulos de revisión bibliográfica, en la cual se describe la base teórica del proceso de envejecimiento del asfalto y un Capítulo de datos experimentales, donde se analizan los resultados obtenidos. En el Capítulo 2 se proporcionan antecedentes generales del material, su importancia en ingeniería y su composición química a través de los diversos modelos que intentan explicarlo, dada la alta complejidad de su naturaleza. En el Capítulo 3 se describe la ciencia reológica, a través de los diversos tipos de comportamiento. Se estudia la complejidad del comportamiento del asfalto, lo que incide en sus propiedades físicas y mecánicas al usarse como componente de una carpeta de rodado. Las propiedades mecánicas cubren un amplio rango de comportamientos, que varían desde un material elástico y frágil hasta las de un fluido newtoniano de variadas consistencias a altas temperaturas. A temperaturas intermedias presenta características de fluido no newtoniano o viscoelástico. En el Capítulo 4 se estudia el proceso del envejecimiento del asfalto, estudiando los factores que lo influencian, las etapas de envejecimiento y un resumen de los diversos estudios que se han realizado con respecto a este proceso. La revisión se centra en estudios de envejecimiento del ligante (no de la mezcla ligante – agregados) y se describen los más importantes procedimientos de envejecimiento acelerado en laboratorio que intentan simular el envejecimiento natural sufrido por el asfalto en el calentamiento, mezclado, transporte, colocación, compactación y vida de servicio. En el Capítulo 5 se estudia el proceso de envejecimiento en el contexto del programa Superpave. Se hace una introducción con respecto a los modelos desarrollados para la caracterización química y física del ligante; se entregan los conceptos generales acerca del fenómeno de endurecimiento físico a bajas temperaturas, tipo de envejecimiento identificado para asfaltos recién en SHRP; se tocan aspectos químicos del fenómeno de envejecimiento; y se revisa el desarrollo del procedimiento para la simulación del envejecimiento de Largo Plazo de los cementos asfálticos, que culminó con la especificación y diseño del Método de la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV), dispositivo utilizado en este trabajo de Memoria. 9
En el Capítulo 6 se muestra más en detalle el procedimiento de envejecimiento, así como el Horno mismo utilizado en esta Memoria y presente en Chile únicamente en la Refinería de Petróleos de Concón (RPC). En el Capítulo 7 se describen las diversas técnicas usadas para cuantificar el proceso del envejecimiento, como un intento de validar los distintos procesos de envejecimiento artificial desarrollados en laboratorio. Se describen las medidas puntuales, los parámetros de susceptibilidad tanto de temperatura como de corte y la caracterización lineal viscoelástica (usada por SHRP), todos utilizados en la cuantificación del envejecimiento. Concluye el capítulo describiendo un sistema de graduación propuesto para Chile, que contempla una especificación basada en medidas empíricas, análogas a las utilizadas en esta Memoria. En el Capítulo 8 se describe la etapa experimental de la Memoria, con las distintas sub-etapas desarrolladas: recuperación del ligante, envejecimiento artificial en el PAV en RPC, ensayos de caracterización y estudio de los datos obtenidos conforme a los distintos enfoques de análisis definidos. Finalmente, en el Capítulo 9 se exponen las conclusiones de todos los aspectos relacionados con este trabajo.
10
PRIMERA PARTE
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
11
CAPÍTULO 2: ASFALTOS.
2.1
GENERALIDADES DE LOS ASFALTOS.
El término asfalto proviene del griego y significa “indestructible”, pero en sentido figurativo significa “resina de la tierra” [MEZG96]. El asfalto es un material ligante de color marrón oscuro a negro, constituido principalmente por betunes que pueden ser naturales u obtenidos por refinación del petróleo. El término “bitumen” se originó en Sánscrito, donde la palabra “jatu” significa alquitrán y “jatubrit” significa la creación de alquitrán, palabra referida al alquitrán producido por resinas de algunos árboles. El equivalente en latín fue originalmente “gwitu-men” (cercano al alquitrán) y por otros “pixtu-men” (alquitrán burbujeado), cuya palabra fue acortada subsecuentemente a “bitumen” pasada luego del francés a inglés. Por más de 5.000 años el asfalto en cada una de sus formas ha sido usado como un impermeabilizante y/o agente ligante. Se dice que los Sumerios, 3.800 AC, usaron asfalto natural para revestir tanques de agua y se recuerda éste como el primer uso de este producto. El uso hoy en día de los materiales bituminosos abarca, entre otros, la fabricación de pavimentos asfálticos, techumbres, plásticos, sellos, inhibidores de corrosión e impermeabilizantes. Los asfaltos naturales, se han producido a partir del petróleo, pero por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles, dejando solamente las fracciones asfálticas pesadas. Estos pueden encontrarse como escurrimientos superficiales en depresiones terrestres, dando origen a lagos de asfalto, como los de las islas Trinidad y Bermudas. También aparecen impregnando los poros de algunas rocas, denominándose rocas asfálticas, como la gilsonita. Así también se encuentran mezclados con elementos minerales, como pueden ser arenas y arcillas en cantidades variables, debiendo someterse a posteriores procesos de purificación, para luego poder ser utilizadas en pavimentación [SHEL90]. Sin embargo, con la introducción del automóvil y el incremento de la demanda de caminos pavimentados, el asfalto natural cede ante el destilado final del proceso de refinación del petróleo, llamado asfaltos del petróleo. La mayoría de los petróleos crudos contienen algo de asfalto, y a veces pueden ser casi enteramente asfaltos. Existen algunos petróleos crudos, sin embargo, que no contienen asfalto. En base a la proporción de asfalto, los petróleos se clasifican por lo común en: 12
Petróleos crudos en base asfáltica.
Petróleos crudos en base parafínica (contiene parafina pero no asfalto).
Petróleos crudos en base mixta (contiene parafina y asfalto).
El petróleo crudo, extraído de los pozos, es separado en sus constituyentes o fracciones en una refinería. Principalmente esta separación es llevada a cabo por destilación. Después de la separación, los constituyentes son refinados más cuidadosamente o procesados en productos que cumplan requerimientos específicos. De esta manera es como el asfalto, parafina, nafta, aceites lubricantes y otros productos útiles de alta calidad se obtienen en una refinería de petróleo, dependiendo de la naturaleza del crudo que está siendo procesado. El asfalto del petróleo es además un material bituminoso porque contiene betún, el cual es un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS 2). El alquitrán, obtenido de la destilación destructiva de un carbón graso, también contiene betún. Consecuentemente, tanto el petróleo asfáltico como el alquitrán son referidos en forma conjunta, como materiales bituminosos. Sin embargo, el asfalto de petróleo no debe ser confundido con el alquitrán, ya que sus propiedades difieren en forma considerable. El asfalto de petróleo está compuesto casi enteramente por betún, mientras que en el alquitrán el contenido de betún es relativamente bajo. En vista de estas diferencias es necesario que los productos del alquitrán y los asfaltos de petróleo sean considerados y tratados como elementos completamente separados. El asfalto de petróleo para uso en pavimentos es comúnmente llamado asfalto de pavimentación o cemento asfáltico para distinguirlo del asfalto hecho para otros usos, ya sea para propósitos industriales o para techados.
2.2
ASFALTOS.
Hoy en día el asfalto es utilizado principalmente como cemento asfáltico. Como tal, es altamente valioso en ingeniería gracias a las siguientes propiedades:
Dureza.
Adhesividad.
Alta impermeabilidad.
Durabilidad. 13
Alta resistencia a la reacción con ácidos, álcalis y sales.
Capaz de mezclarse con agregados minerales.
Material económico.
Aunque se comporta como sólido o semisólido a temperaturas comunes, se convierte en líquido al aplicarle calor, al disolverlo en solventes de petróleo o al emulsionarlo en agua. Es por esta capacidad, que el hombre ha hecho uso de sus propiedades de trabajabilidad, adhesividad e impermeabilidad, especialmente en lo que se refiere a la ingeniería vial [COFR04]. Sin embargo, el asfalto es un material cuyas propiedades mecánicas varían en un amplio rango dentro de sus límites de aplicación. Éstas varían notoriamente con la temperatura, velocidad de aplicación de la carga, duración de las cargas, orígenes y métodos de refinación y; del estado de envejecimiento. Todo lo anterior concede al material una gran complejidad en su comportamiento. Esta complejidad del material asfalto, se debe principalmente a su naturaleza orgánica lo cual incide en que sus propiedades físicas y mecánicas cubran un amplio rango de comportamientos, que varían desde un material elástico y frágil, hasta las de un líquido Newtoniano de variadas consistencias a altas temperaturas. A temperaturas intermedias el material presenta características de un fluido no Newtoniano, muchas veces referido como material viscoelástico [MIÑO03].
2.2.1 Composición química del asfalto. Es de mucha utilidad un amplio conocimiento de la constitución y composición química de los asfaltos, para el control de sus propiedades físicas y así obtener un mejor funcionamiento en la pavimentación. Como los cementos asfálticos derivan de materias vivas en descomposición, son de composición química muy compleja, la cual aún no es comprendida totalmente, por lo que es difícil cuantificar incluso una sola molécula. Por ejemplo: el número de alcanos no cíclicos en el cemento asfáltico; poseen de 20 a 150 Carbonos en la cadena, un peso molecular medio de 50 a 2000 y un número de isómeros del orden de 10 15 [WAHR02]. 14
El asfalto está constituido por gran cantidad de compuestos químicos, por ejemplo: hidrocarburos, resinas, diferentes parafinas, ceras, aceites, ligninas y proteínas. En menor cantidad, puede contener otros elementos como oxígeno, nitrógeno y azufre y algunas trazas de metales como Vanadio, Níquel, Hierro, Magnesio y Calcio [NUÑE94]. Las proporciones usuales de los componentes del asfalto se pueden visualizar en la Tabla 2.1 [WAHR02]. Elemento Carbono Hidrógeno Oxígeno Sulfuros Pequeñas cantidades de Nitrógeno y otros Metales
Proporción [%] 80 – 85 10 2–8 1–7
Tabla 0.1: Composición Química del Asfalto.
El asfalto puede ser disuelto en benzol, tricloroetileno, gasolina y aceites vegetales. Su densidad es de aproximadamente 1.0 a 1.1 [g/cm 3]. El asfalto muestra homogeneidad y un comportamiento isotrópico [MEZG96]. Los constituyentes de esta mezcla de elementos que forman el asfalto pueden dividirse en 5 grupos de compuestos que forman la estructura química primaria de los cementos asfálticos, lo que se denomina estructura química de bloques en el asfalto [WAHR02]: a) Grupos compuestos por Anillos Aromáticos. Son anillos estables de átomos de carbono; se alternan enlaces de carbono simples y dobles; ejemplo: Benceno (C 6H6). Tienen una alta polaridad. Son estructuras planas que pueden dar origen a estructuras 3D. Punto de ebullición 26,7ºC; punto de congelamiento -14,4ºC.
15
H C
H C
C
C
C
H
H
H
C H
Figura 0.1: Grupos Anillos Aromáticos.
b) Grupos compuestos por Anillos Cíclicos (aromáticos nafténicos) . Son anillos de carbono tridimensionales saturados, con varios átomos anexados. Sin dobles enlaces de carbono; ejemplo: ciclo Hexano (C 6H12). Punto de ebullición 27,2ºC; punto de congelamiento 13,9ºC.
H
H
H
H C H
C
H C
H C H
C C H
H H
H
Figura 0.2: Grupos Anillos Cíclicos (aromáticos nafténicos).
c) Grupos compuestos por Alifáticos (alcanos “aceitosos”) . Cadenas de carbono aceitosas saturadas. Ejemplo de ellas: Hexano. Punto de ebullición 20,6ºC; punto de congelamiento -70,6ºC.
H H C H
H H C H
C H
H H C H
C H
H C
H
H
Figura 0.3: Grupos Alifáticos ("aceitosos").
16
d) Heteroátomos (“diferentes”). Son elementos como el nitrógeno, oxígeno y azufre. A menudo reemplazan a los átomos de carbono en la estructura molecular del asfalto. Forman asociación entre moléculas (inducen polaridad). Influencian en forma significativa el comportamiento mecánico del asfalto. El tipo y cantidad de éstos son una función de la fuente del crudo y del envejecimiento. Heteroátomos como el azufre reaccionan más fácilmente que el carbono o el hidrógeno en incorporar el oxígeno, lo que se denomina oxidación. Este efecto es el principal contribuyente del proceso de envejecimiento del asfalto [COFR04]. e) Metales. Son elementos como el vanadio, níquel y fierro. Influencian en el envejecimiento del asfalto y proporcionan una “huella dactilar” del mismo. En cada uno de los tres primeros casos de grupos de hidrocarburos están presentes un gran número de estructuras y pesos moleculares diferentes. El asfalto contiene compuestos formados por sólo una, dos o más formas básicas. La razón en que las cantidades de los distintos grupos están presentes varía con el origen del asfalto y estas diferencias en su composición tienen una considerable influencia en el carácter del material. Es por esto que no todos los crudos pueden ser usados para fabricar asfalto. En general, el asfalto es preparado a partir sólo de crudos ricos en aromáticos y naftenos. Los enlaces químicos que mantienen a las moléculas juntas son frágiles y relativamente fáciles de romper mediante calor o esfuerzos de corte, lo que explica la naturaleza viscoelástica del asfalto. Por ejemplo, un enlace molecular es destruido cuando el asfalto es calentado y fluye libremente. Cuando un asfalto se enfría, los enlaces se rearman y la estructura química retorna, pero no necesariamente a la misma estructura existente antes de calentarse. Todas las moléculas contenidas en el asfalto pueden ser de dos tipos, las que coexisten en una mezcla homogénea: 1. Polares: Dan al asfalto sus propiedades elásticas. 2. No polares: Dan al asfalto sus propiedades viscosas.
17
Estas características son las causas del comportamiento como fluido newtoniano del asfalto a elevadas temperaturas, en donde el cambio en la viscosidad es proporcional al cambio de temperatura. Por esta razón que un correcto balance entre moléculas polares y no polares otorga al pavimento un correcto desempeño. La complejidad y los cambios en la estructura química de los asfaltos hace extremadamente difícil usar análisis químicos para analizar el desempeño. Por esta razón, la medición de las propiedades físicas continúa siendo la principal forma de especificar y seleccionar los cementos asfálticos. Debido a la complicada composición del asfalto, hasta este momento no ha sido posible establecer la exacta composición del compuesto. En algunos casos la información acerca de la proporción de parafínicos, naftenos y aromáticos presentes puede ser obtenida. En la mayoría de los casos, sin embargo, la razón entre el número de carbonos e hidrógenos (razón C : H) es capaz sólo de caracterizar la composición química de parte del asfalto. Aunque esta razón por sí sola no da una imagen completa del grado de saturación de la mezcla de hidrocarburo, ha sido posible encontrar que esta razón puede ser adecuadamente correlacionada con las propiedades físicas de los diferentes asfaltos.
2.2.2 Modelos de la Estructura Química del Asfalto. Con el fin de estudiar la estructura química del asfalto de una manera más simple es que se han construidos modelos que intentan estudiar la composición del asfalto de una manera más general y que se pueda aplicar de una forma razonable a todos los asfaltos provenientes de distintas fuentes. Entre estos modelos se menciona el Modelo Micelar (Nellestyn, 1924) y el Modelo Continuo Microestructural (SHRP, 1994).
2.2.2.1
Modelo Micelar del Asfalto.
El asfalto es considerado un sistema coloidal complejo de hidrocarburos, en el cual es difícil establecer una distinción clara entre la fase continua y la dispersa. Las primeras experiencias para describir su estructura, fueron desarrolladas por Nellensteyn en 1924, cuyo modelo fue 18
mejorado más tarde por Pfeiffer y Saal en 1940, en base a limitados procedimientos analíticos disponibles en aquellos años. El modelo adoptado para configurar la estructura del asfalto se denomina modelo micelar (“partícula”), el cual provee de una razonable explicación de dicha estructura, en el cual existen dos fases; una discontinua (aromática) formada por los asfaltenos y una continua que rodea y solubiliza a los asfaltenos, denominada maltenos, los cuales a su vez pueden subdividirse en aceites y resinas. Las resinas contenidas en los maltenos son intermediarias en el asfalto,
cumpliendo la misión de homogeneizar y compatibilizar a los de otra manera insolubles asfaltenos. Las resinas y los asfaltenos existen como islas flotando en el tercer componente del asfalto, los aceites saturados. Este modelo se ilustra en la Figura 2.4.
Asfaltenos Aceites Saturados Aromáticos
ASFALTO ASFALTENOS
MALTENOS Aceites Saturados
Aromáticos
Figura 0.4: Modelo Micelar del Asfalto.
La mayoría de los hidrocarburos livianos se eliminan durante el proceso de refinación, quedando los más pesados y de moléculas complejas. Al eliminar los hidrocarburos más ligeros de un crudo, los más pesados no pueden mantenerse en disolución y se van uniendo por absorción a las partículas coloidales ya existentes, aumentando su volumen dependiendo de la destilación que se les dé. Las moléculas más livianas constituyen el medio dispersante o fase continua. Los hidrocarburos constituyentes del asfalto forman una solución coloidal en la que un grupo de moléculas de los hidrocarburos más pesados (asfaltenos) están rodeados por moléculas de
19
hidrocarburos más ligeros (resinas aromáticas), sin que exista una separación entre ellas, sino una transición; finalmente, ocupando el espacio restante están los aceites saturados. Un concepto más amplio sobre la constitución es que el asfalto consta de tres componentes mayoritarios. El primero se describe como una mezcla de asfaltenos que son moléculas complejas de alto peso molecular, insoluble en hidrocarburos parafínicos y soluble en compuestos aromáticos como el benceno. El segundo componente descrito es una mezcla de resinas y el tercero aceite mineral. Estos tres constituyen un sistema coloidal como el explicado anteriormente. Los asfaltenos son las partículas bituminosas sólidas discretas de alto peso molecular, alta viscosidad, que proveen elasticidad y resistencia al asfalto. Cargan con la responsabilidad de las características estructurales y de dureza de los asfaltos, y de ellos dependen propiedades como la viscosidad. Al estar expuestos a carga mecánica, el peligro de microgrietas es importante. Debido a estas desventajas se prefiere, desde el punto de vista tecnológico, los asfaltos con bajo contenido de asfaltenos. En el caso de los maltenos, las resinas aromáticas son partículas sólidas a temperatura ambiente, fluidas cuando se calientan y frágiles cuando se enfrían; se relacionan con las propiedades aglutinantes del asfalto, como la adherencia y ductilidad (viscoelasticidad). Los aceites saturados son líquidos incoloros, solubles en la mayoría de los solventes; le proporcionan la
consistencia adecuada para hacerlos trabajables (plasticidad) además de ayudar a evitar en parte la oxidación del asfalto [WAHR02]. El estado coloidal del sistema determina ampliamente las propiedades reológicas 1 del asfalto. Los asfaltenos tienen como particularidad la formación de agregados moleculares o micelas, cuyo proceso depende de la temperatura y de la naturaleza de la fase dispersa. Estas micelas aparecen con las bajas temperaturas pudiendo llegar a convertirse en cristales líquidos, en cambio a altas temperaturas, éstas desaparecen, y al estar los asfaltenos en verdadera solución, se da origen a un material de muy baja viscosidad [NUÑE94].
1
Comportamiento Reológico. Ver Capítulo 0.
20
En el caso de que las micelas en el bitumen puedan moverse libremente con respecto a otras, es porque se está en presencia de un asfalto denominado del tipo SOL ( solution); pero si por atracción mutua pueden formar una estructura a través de la masa bituminosa, entonces se tiene un asfalto del tipo GEL ( gelatinous). Éstos se caracterizan por su elasticidad y alta resilencia, esto es, su energía de deformación antes de entrar en fluencia; además, son menos susceptibles a la temperatura y menos dúctiles que los del tipo SOL. Estos últimos poseen un flujo de características Newtonianas [NUÑE94]. Por lo visto anteriormente, el comportamiento físico del asfalto depende fuertemente de las variaciones en la composición y de los efectos de la temperatura, la cual confiere distintos grados de dispersión o propiedades coloidales. A una temperatura intermedia y ambiente, se puede razonablemente concluir que la reología de los asfaltos es dominada por el grado de asociación de las partículas de asfaltenos y de la cantidad relativa de otras especies presentes en el sistema para estabilizar estas asociaciones. Todos los fenómenos que producen alteraciones en el material son de suma importancia debido al rol de agente ligante que tiene el bitumen en una mezcla asfáltica.
2.2.2.2
Modelo Continuo Microestructural SHRP.
La descripción del modelo continuo microestructural de SHRP (Strategic Highway Research Program) que a continuación se presenta está basada en la bibliografía [S36893], [S36794] y [MIÑO03]. Corresponde a un modelo químico avanzado. Este modelo no está de acuerdo con el modelo micelar de la “Súper molécula”. Corresponde a un aporte importante de SHRP, que fue el desarrollo de un modelo microestructural auto consistente y altamente refinado, que puede ser utilizado para describir la gran variedad de materiales conocidos como asfaltos. El modelo microestructural adoptado por SHRP, basado en los estudios hechos por Pfeiffer y Saal, propone que el asfalto está constituido por una fase solvente compuesta principalmente por moléculas poco aromáticas y neutras (muy poco polares) y por microestructuras que se encuentran dispersas en la fase solvente (fase dispersa), las que están formadas por moléculas aromáticas y con cierta polaridad (ácidas, básicas o ambas), como son los asfaltenos. La gran mayoría de las moléculas que forman la fase dispersa (microestructuras) son del tipo multifuncional, capaces de asociarse a través de enlaces de hidrógeno, permitiendo así, la 21
formación de las microestructuras primarias, las cuales bajo condiciones adecuadas pueden a su vez asociarse formando mallas tridimensionales. Los enlaces e interacciones que hacen posible la formación de las microestructuras primarias y de las mallas tridimensionales, pueden ser destruidos por aumentos de la temperatura y esfuerzos de corte dinámicos, provocando cambios importantes en las propiedades de los asfaltos. La base de este modelo es que el asfalto está constituido por dos fases: La fase Polar y la No– polar. Es por esto que debe existir compatibilidad entre sus constituyentes, es decir, debe existir la capacidad de coexistir sin transformación de fase en el tiempo. Esto se ve influenciado por el grado de aromaticidad. Los grupos polares varían de acuerdo al número de grupos (más asociación), a su peso molecular y al grado de aromaticidad (número de anillos de benceno). Los grupos no polares varían de acuerdo al peso molecular de los grupos y al grado de aromaticidad (número de anillos de benceno). Este modelo ha logrado racionalizar importantes propiedades físicas del asfalto, tales como el comportamiento reológico no newtoniano y la termodependencia de la viscosidad entre otras. La oxidación en el tiempo del asfalto, se explica por la formación de moléculas polares como resultado de la reacción con el oxígeno, y la volatilización de componentes que en su mayor parte son neutros y de bajo peso molecular. El resultado de este proceso es la disminución de la fase solvente y un incremento de las microestructuras que forman la fase dispersa. Parte de este modelo es producto de los resultados obtenidos en el estudio de los asfaltenos, los cuales en cierta medida son los responsables de la alta viscosidad y las propiedades reológicas no newtonianas del asfalto. El contenido de asfaltenos por sí sólo no es un buen indicador de las propiedades físicas del asfalto, ya que existen asfaltos con propiedades físicas muy diferentes y con idénticos contenidos de asfaltenos y viceversa. Es por esto, que además de la precipitación de los asfaltenos se utilizaron otras técnicas en la separación de los constituyentes del asfalto, con el objeto de validar y perfeccionar este modelo. En el modelo de SHRP se desea conocer el tamaño, polaridad y número de moléculas. Para esto se empleó:
22
a) Cromatografía de exclusión de tamaños (SEC): Corresponde a una criba molecular empleando tolueno como solvente. El asfalto y el tolueno se introducen en una columna formada por gotas de asfalto: Las moléculas más grandes caen primero y las moléculas más pequeñas caen después porque son atraídas por las gotas de asfalto. El modelo microestructural postula que los componentes de la fase dispersa tienen un tamaño molecular mayor que los componentes de la fase solvente, por lo tanto fue posible utilizar como técnica de separación, la Cromatografía de separación por tamaño (SEC: Size Exclution Chromatography). Como consecuencia de la interacción y asociación de moléculas multifuncionales en la formación de microestructuras y mallas tridimensionales, se tiene que el peso molecular de los componentes asociados es mayor que el peso molecular de los constituyentes no asociados, como también es mayor su volumen hidrodinámico. Por lo tanto, se puede separar los componentes separados de los no asociados a través de un procedimiento que fraccione de acuerdo al tamaño molecular. La cromatografía de separación por tamaño (SEC) es uno de los procedimientos más conocidos y utilizados. De acuerdo al modelo microestructural, las fuerzas intermoleculares que mantienen unidas las asociaciones moleculares son los enlaces de hidrógeno y otras interacciones entre moléculas polares. Debido a que estas fuerzas son mucho más débiles que los enlaces covalentes, la técnica usada para separar los componentes asociados de los no asociados del asfalto, debe perturbar lo menos posible dichas asociaciones. En la separación a temperatura ambiente de la solución de asfalto usando el método SEC, el solvente se debe escoger cuidadosamente para no provocar la disociación de los componentes asociados; éste debe tener un parámetro de solubilidad lo más parecido posible al parámetro de solubilidad de la fase solvente del asfalto a separar. Por otro lado, el solvente debe ser neutro y con un punto de evaporación relativamente bajo, ya que es necesario obtener fracciones libres de solvente para sus posteriores estudios. El procedimiento SEC funciona bajo el principio de que el material utilizado para rellenar las columnas del equipo se comporta como un tamiz molecular; dicho material está compuesto por partículas enlazadas cruzadas, las cuales se dilatan al entrar en contacto con líquidos orgánicos de adecuada polaridad. Este material dilatado o gel es 23
poroso y el tamaño de estos varía en un amplio rango. Al pasar una solución de asfalto a través de las columnas de gel, las moléculas (o asociaciones de moléculas) lo suficientemente pequeñas pueden entrar en los poros y permanecer por un tiempo dentro del gel, las moléculas más pequeñas pueden pasar por un mayor número de poros, por lo que demoran más tiempo en atravesar la columna. Las moléculas (o asociaciones de moléculas) demasiado grandes que no entran en ningún poro, pasan a través de las columnas entre las partículas del gel, sin experimentar tiempo de residencia en los poros. Obviamente, la distribución del tamaño de los poros de gel utilizado en una separación SEC, debe seleccionarse en base a una estimación de la distribución del tamaño molecular del compuesto a separar. En la práctica, todas las moléculas (o asociaciones de moléculas) que no entran en los poros son recolectadas inicialmente de una sola vez, en tanto que las moléculas restantes son separadas de acuerdo a su tamaño con las más pequeñas, emergiendo de las columnas al final. El tipo de fraccionamiento resultante en un procedimiento SEC, es función de la distribución de tamaño y del tamaño promedio de los poros del gel utilizado. Conocer la polaridad y aromaticidad de la fracción de mayor tamaño, era otro aspecto necesario para validar el Modelo Microestructural adoptado. Para esto se utilizó un método basado en que algunas moléculas polares encontradas en el asfalto son altamente aromáticas y por lo tanto, su solución sería fluorescente bajo la influencia de la radiación ultravioleta. El método SEC resultó ser un procedimiento efectivo para separar el asfalto en fracciones de acuerdo a su tamaño molecular y en cantidades adecuadas para permitir los estudios posteriores de cada fracción. Los resultados obtenidos resultaron que el asfalto está constituido en su mayor parte (55% - 65%) por moléculas de un peso molecular relativamente bajo, con una viscosidad sustancialmente menor que la del asfalto del cual forma parte, es decir, la fase solvente (fracción SEC II). Otro constituyente del asfalto separado por este procedimiento (15% - 30%) está formado por microestructuras o asociaciones de
24
moléculas (fracción SEC I), que poseen un peso molecular mayor que la fracción SEC II. De los resultados de fluorescencia por radiación ultravioleta se obtuvo que la fracción SEC I estaba constituida en su mayor parte por componentes polares de alta aromaticidad, esto dada la alta fluorescencia observada. Por otro lado, en la fracción SEC II se observó una fluorescencia muy débil, lo que demuestra su baja aromaticidad.
b) Cromatografía de intercambio de iones (IEC): Similar a la SEC, pero el soluto es separado en bases y ácido finos. Debido a que se pensaba que la fase dispersa tenía una polaridad mucho mayor que la fase solvente, los constituyentes del asfalto también se podrían separar de acuerdo a su funcionalidad química. Es así como además, se utilizó como técnica de separación la Cromatografía de Separación Iónica (IEC: Ion Exchange Chromatography), la cual separa el asfalto en componentes ácidos, básicos, anfotéricos y neutros. De este modo, si el Modelo Microestructural fuese correcto, los componentes dispersos y solventes separados por ambas técnicas deberían tener las mismas propiedades. En una primera etapa, el asfalto fue separado de acuerdo a la funcionalidad química de sus componentes, utilizando la Cromatografía de separación Iónica (IEC), la cual había sido bastante utilizada en la separación del petróleo crudo y sus derivados, en fracciones químicamente definidas. Para poder separar el asfalto usando esta metodología, éste debió ser previamente diluido en solventes seleccionados; luego esta solución debió ser bombeada hacia columnas rellenas con resinas activadas catiónica o aniónicamente. Los componentes ácidos del asfalto son absorbidos por las resinas aniónicas, para posteriormente ser separados y obtener la fracción ácida. Análogamente, los componentes básicos son absorbidos por las resinas catiónicas. Los componentes neutros no son absorbidos por las resinas y son recuperados directamente de la solución residual. Los componentes anfotéricos, que tienen ambas funciones (ácida y básica simultáneamente) son
25
absorbidos por ambas resinas; si las columnas se colocan en serie, los anfotéricos serán absorbidos por la primera resina activada que contacte. Una desventaja del procedimiento IEC aplicado a los residuos del petróleo, es que algunos componentes son absorbidos irreversiblemente por las resinas, por lo tanto, el material total recuperado nunca es el 100%. Estos componentes absorbidos irreversiblemente, pueden ser compuestos altamente polares y aromáticos, y por ende, pueden influenciar fuertemente en las propiedades físicas del asfalto. Otra desventaja de este método, es la gran cantidad de tiempo que las resinas necesitan para realizar la separación. Por otro lado, esta técnica es muy sensible a algunos parámetros experimentales como son la temperatura, la velocidad de flujo y la dimensión de las columnas entre otras. Especial cuidado se tuvo en la elección del solvente utilizado para diluir el asfalto, ya que éste pudo influir drásticamente. También fue de vital importancia utilizar la resina adecuada, ya que con el objeto de disminuir el tiempo de duración del procedimiento, se pudo aumentar excesivamente la cantidad de componentes absorbidos irreversiblemente. El método IEC descrito, efectivamente separa el asfalto en fracciones químicamente definidas y en cantidades suficientes que permiten realizar estudios posteriores a cada fracción. Los resultados de esta separación evidenciaron claramente que el asfalto está constituido por una fracción aromática polar dispersa en un tipo de solvente poco aromático y prácticamente neutro. Basados en esta separación, un constituyente del asfalto (15% - 20%) está formado por moléculas aromáticas con funciones ácidas y básicas, llamadas anfotéricos, a los cuales se les involucra directamente con las asociaciones e interacciones moleculares que dan lugar a la formación de microestructuras y mallas tridimensionales y que influyen directamente en las propiedades físicas del asfalto. El constituyente con mayor presencia en el asfalto (50% - 60%) está formado por moléculas no polares o neutras y con una viscosidad sustancialmente menor que la del asfalto del cual forma parte. Los resultados del procedimiento IEC, validan el Modelo Microestructural adoptado en el proyecto. Por otro lado, los estudios realizados a las diferentes fracciones obtenidas, revelan que es posible predecir el comportamiento físico del asfalto conociendo por un lado la aromaticidad y el peso molecular promedio de la fracción IEC neutra y, por otro 26
lado, la polaridad de la fracción IEC polar. En particular, el comportamiento a bajas temperaturas del asfalto, está enormemente influenciado por la naturaleza de la fracción IEC neutra.
c) Resonancia magnética nuclear (NMR): Se evalúa el grado de aromaticidad aplicando un campo magnético, para luego observar la resonancia de la molécula. Se cuantifica el grado y cantidad de aromáticos. Finalmente, superponiendo los resultados de ambas separaciones, IEC y SEC, se deduce que el asfalto está constituido por una fase solvente formada por moléculas de bajo peso molecular (comparada con la fase dispersa), poco aromáticas y prácticamente neutras, con una viscosidad sustancialmente menor que la del asfalto del cual forman parte y; por una fase sólida (semisólida) la cual se encuentra dispersa en la fase solvente, formada por asociaciones moleculares débiles, con alto peso molecular y una alta polaridad y aromaticidad, las cuales en su mayoría son asociaciones bipolares (con función ácida y básica), a las que se les atribuye la formación de microestructuras que gobiernan el comportamiento viscoelástico no newtoniano del asfalto.
2.2.3 Química del Asfalto y Performance del Pavimento. La composición química de los asfaltos tiene una gran importancia en la performance de las mezclas asfálticas. La química del cemento asfáltico se ve reflejada en la estructura molecular y en las asociaciones de los átomos, esto a su vez influye en las propiedades mecánicas y físicas lo que finalmente le otorga al pavimento su performance. Debido a lo explicado, el análisis elemental de los asfaltos no es suficiente para predecir la performance del pavimento; es necesario conocer la estructura molecular, es decir su tamaño y grado de asociación. A continuación se presenta una breve relación entre la química del asfalto estudiada y los tres modos de falla identificados como los más importantes para los pavimentos asfálticos dentro de un gran número de deterioros:
a) Ahuellamiento: Es deseable tener altos pesos moleculares para obtener mayor elasticidad, mayor polaridad por su alta asociación, menos no polares y saturados, y menos parafinas por el flujo no oxidado. 27
Este tipo de falla corresponde a una deformación permanente de los pavimentos causada principalmente por un exceso de carga de tráfico pesada. También lo provocan esfuerzos de corte dinámicos permanentes después de muchos ciclos de carga que causan un cambio en el asfalto contenido entre el agregado mineral provocando una disminución de su capacidad. Por ejemplo, un ahuellamiento correspondiente a 10 mm. de profundidad es provocado por aproximadamente 10.000 a 1.000.000 de ciclos de carga. El ahuellamiento también es causal de peligros al transitar, tales como el hidroplaneo. También una consistencia insuficiente puede provocar una disminución en la cohesión del asfalto y una menor adhesión entre éste y la superficie mineral. Esto, en la práctica, significa que disminuya el agarre con las ruedas, en especial al acelerar y frenar y también durante las curvas. Estos desventajosos efectos pueden ser importantes, especialmente en carreteras cuyas temperaturas sean muy altas y de un alto tráfico, especialmente de camiones.
b) Agrietamiento térmico: Es deseable tener bajos pesos moleculares, menos polaridad, mayor cantidad de no polares y saturados, y menos parafinas.
c) Agrietamiento por fatiga: El impacto de la química del asfalto está íntimamente ligado a la geometría del pavimento. En pavimentos delgados es deseable la existencia de menos polares (para altas deflexiones es necesaria una mayor ductilidad). En pavimentos gruesos es deseable una alta polaridad (para bajas deflexiones es necesaria una mayor elasticidad).
28
CAPÍTULO 3: COMPORTAMIENTO REOLÓGICO.
3.1
REOLOGÍA.
Etimológicamente, la palabra Reología proviene del vocablo griego “Reos”, que significa fluir y se puede definir como "el estudio de los cambios en la forma y el flujo de la materia, abarcando elasticidad, viscosidad y plasticidad". Todo fluido real ofrece una mayor o menor resistencia al
deslizamiento relativo de sus capas, que se mueven a velocidad diferente; o sea, se resiste a deformarse y fluir. En consecuencia, esta propiedad necesariamente afecta a la relación que existe entre el esfuerzo aplicado y la deformación producida. Esta relación se expresa por las llamadas relaciones constitutivas, que describen el comportamiento mecánico de un material de manera aproximada y bajo circunstancias particulares. Así, por ejemplo, una misma barra metálica puede considerarse completamente rígida si el esfuerzo aplicado es muy pequeño comparado con el valor de su esfuerzo de fluencia; en cambio, se comportará como un sólido elástico ante valores mayores del esfuerzo aplicado, pero aún menores que el esfuerzo de fluencia. Pero si el esfuerzo es muy grande se comportará como un sólido plástico. En cada caso el comportamiento mecánico está descrito por una relación constitutiva diferente. La rama de la mecánica que se ocupa de formular y estudiar las relaciones constitutivas de los materiales es precisamente la Reología, ciencia que estudia la deformación y el flujo. La reología describe cómo se deforma en el tiempo un cuerpo sometido a esfuerzos producidos por fuerzas externas y su meta es la predicción del sistema de fuerzas necesario para causar una determinada deformación o flujo, o al contrario, predecir la deformación resultante a partir de la aplicación de un sistema de fuerzas [COFR04]. Los sólidos ideales se comportan elásticamente, es decir, la energía de deformación se recupera totalmente cuando desaparece el esfuerzo (ley de Hooke). Los fluidos ideales se deforman irreversiblemente y fluyen (ley de Newton). La energía de deformación se disipa en el fluido en forma de calor, esto quiere decir que no puede ser recuperada al desaparecer el esfuerzo, por lo cual es necesario aportar continuamente energía para mantener el flujo del fluido. Los parámetros reológicos en un fluido describen el comportamiento y estado de la estructura interna del material bajo controladas condiciones de flujo (rotacional u oscilatorio) [MIÑO03].
29
La mayoría de los cuerpos reales no son sólidos ideales y tampoco fluidos ideales. Los sólidos reales pueden ser deformados irreversiblemente bajo la aplicación de una fuerza suficientemente grande, entonces también fluyen. Sólo unos pocos líquidos importantes en la práctica se comportan como fluidos ideales. La mayoría de los fluidos presentan un comportamiento reológico según el cual deben clasificarse en una zona entre líquidos y sólidos. Son en diferente medida tanto elásticos como también viscosos y por ello se les denomina viscoelásticos [MIÑO03]. El concepto de fluidez, solidez y plasticidad son idealizaciones que describen el comportamiento de materiales reales en ciertos casos límite. En general, el comportamiento de un material real comprende todos los tipos de comportamiento antes mencionados y los comportamientos intermedios no mencionados [COFR04].
3.1.1 Viscosidad. La Viscosidad se define como “la fricción interna de un fluido, causada por atracción molecular, la cual provoca una resistencia en el flujo” . Esta fricción se manifiesta cuando una
capa del fluido se desplaza con respecto a otra. A mayor fricción, mayor es la cantidad de fuerza requerida para causar este movimiento, la cual es denominada “Fuerza de Corte”. Esta actúa cada vez que el fluido se mueve o distribuye físicamente, como por ejemplo, cuando se derrama, expande, esparce, mezcla, etc. Los fluidos altamente viscosos, por consiguiente, requieren mayor fuerza para moverlos que los materiales menos viscosos [CHAC03]. Para medir la viscosidad, deben ser definidos los parámetros que intervienen en el proceso de flujo. Después, se debe disponer de adecuadas condiciones de ensayo que permitan una medición del comportamiento de fluidez de manera objetiva y reproducible.
30
dv
V2
F
A
V1
A
dy
Figura 0.1: Modelo de dos Planos Paralelos de un Fluido en Movimiento.
Isaac Newton definió la viscosidad considerando el modelo representado en la Figura 3.1. Dos placas paralelas de un fluido en movimiento, de igual área “A” separadas por una distancia “dy” que se mueven en la misma dirección a diferentes velocidades “V 1” y “V2”. Newton asumió que la fuerza “F” requerida para mantener esta diferencia de velocidad es proporcional a la diferencia de velocidad a través del líquido, o al gradiente de velocidad (dv/dy). Newton llamó viscosidad ( η) a la constante de proporcionalidad. Esto se expresa matemáticamente de acuerdo a la siguiente fórmula: F dv =η A dy donde
(3.1)
F
:
fuerza de corte.
A
:
área de las placas.
dv/dy :
gradiente de velocidad.
η
“viscosidad” del fluido.
:
Tensión de Corte (Shear stress, τ = F/A). Cuando en este modelo se aplica una fuerza F a la
placa superior con una superficie A en la dirección indicada, el líquido contenido en la ranura entre las placas comienza a fluir. El término F/A indica la fuerza por unidad de área requerida para producir la acción de corte. Ésta se denomina “Tensión de Corte”, la cual se simboliza por “τ”. Su unidad de medida es la “dina por centímetro cuadrado” [dina/cm 2].
τ=
F Fuerza ⎡ dina ⎤ := := ⎢ 2 ⎥ A Superficie ⎣ cm ⎦
(3.2)
31
La unidad de medida de tensión en el sistema MKS es el “Pascal, [Pa]”, que sustituye a la antigua unidad [dina/cm 2]; luego se tiene la relación 1[Pa ] = 1 ⎡⎣N m2 ⎤⎦ = 10 ⎡⎣ dina cm2 ⎤⎦ . Tasa de Corte (Shear rate). La tensión de corte τ obliga al líquido a fluir en la ranura
obteniéndose una caída de velocidades entre ambas placas, que es diferente según el líquido. El gradiente de velocidad, dv/dy, es una medida del cambio de velocidad a la cual las capas intermedias se mueven unas respecto a otras. Flujo laminar significa que láminas de líquido infinitamente delgadas se desplazan paralelamente unas respecto a otras. El desplazamiento que sufre una capa de líquido frente a otra, representa una componente elemental del movimiento total a que es sometido el líquido entre ambas placas. La “Tasa de Corte” describe el corte que el líquido experimenta y se simboliza por “S”.
S = &γ =
dv dγ = dy dt
(3.3)
En la expresión (3.3), el término γ es la deformación unitaria en corte, dx/dy. La unidad de medida de la Tasa de Corte es el “segundo recíproco”, S =
dv dγ ⎡ cm s ⎤ = =⎢ = [1 s] = [s −1 ] . ⎥ dy dt ⎣ cm ⎦
Combinando las expresiones (3.1), (3.2) y (3.3) la viscosidad puede ser definida matemáticamente con la siguiente expresión:
η :=
Tensión de Corte τ := Tasa de Corte S
(3.4)
La unidad fundamental de medida de la viscosidad es el “poise”. Un material requiere una tensión de corte de 1[dina/cm 2] para producir una tasa de corte de 1[s -1], teniendo una viscosidad de 1[poise], o 100[centipoise]. En el sistema MKS las medidas de viscosidad son expresadas en “Pascal segundo” [Pa·s] o “miliPascal segundo” [mPa·s]; estas son unidades del Sistema Internacional y se emplean preferentemente para las designaciones métricas. Las relaciones entre estas unidades pueden ser fácilmente obtenidas, siendo: 1[Pa ⋅ s ] = 10 [ poise]
1[ mPa ⋅ s]
= 1[ centipoise]
32
3.1.2
Tipos de Comportamiento Reológico.
Newton asumió que, dada una temperatura fija, la viscosidad de un fluido es constante para cualquier tasa de corte. Sin embargo, esto es cierto sólo para un grupo de fluidos, denominados fluidos Newtonianos o ideales, entre ellos el agua y el asfalto a altas temperaturas. También existen fluidos cuya viscosidad varía con la tasa de corte; estos fluidos se denominan no Newtonianos. A continuación se da descripción de los diversos tipos de fluidos mencionados.
3.1.2.1
Fluidos Newtonianos.
Newton asumió este tipo de comportamiento para todos los fluidos, pero este es sólo uno de los tipos de comportamiento de flujo que se puede encontrar. En la siguiente figura se representa gráficamente un fluido newtoniano, mostrando la relación entre esfuerzo de corte ( τ) y tasa de corte (S), la cual e0s lineal. τ
η
1
S Figura 0.2: Gráfico versus S para fluidos newtonianos.
El siguiente gráfico muestra que la viscosidad ( η) del fluido permanece constante cuando varía la tasa de deformación por corte (S).
η
S Figura 0.3: Gráfico versus S para fluidos newtonianos.
33
Fluidos tales como el agua y el asfalto sin modificar a altas temperaturas se comportan como fluidos newtonianos, lo cual significa que a una determinada temperatura la viscosidad es constante, no importando la tasa de corte ni el tipo de aparato empleado en su medición.
3.1.2.2
Fluidos No Newtonianos.
Un fluido no newtoniano se define como uno para el cual la relación τ S no es constante. En otras palabras, cuando la tasa de deformación varía, el esfuerzo de corte no lo hace en la misma proporción (ni necesariamente en la misma dirección). La viscosidad de tales fluidos cambiará cuando varíe la tasa de deformación por corte. Los fluidos no newtonianos pueden ser visualizados pensando en cualquier mezcla de moléculas con diferentes formas y tamaños que al pasar unas entre otras, como sucede durante el flujo, su tamaño, forma y cohesividad determinan cuál es la fuerza que se requiere para darle movimiento. A cada tasa de deformación por corte el alineamiento puede ser diferente y más o menos fuerza puede ser requerida para mantener este movimiento. Los tipos más comunes de fluidos no newtonianos son los siguientes:
a) Fluidos seudo-plásticos: La viscosidad de este tipo de fluido disminuye al aumentar la tasa de corte, como se muestra en la siguiente Figura 3.4. Este comportamiento es algunas veces denominado “ shear-thinning” (adelgazamiento del fluido en corte). Probablemente, los fluidos no Newtonianos pseudoplásticos más típicos incluyen substancias como emulsiones, suspensiones, pinturas o dispersiones de todo tipo. η
τ
S
S
Figura 0.4: Fluidos seudo-plásticos.
Técnicamente, esto significa que puede fluir más cantidad de material bajo la acción de una fuerza o presión dada o, que se puede reducir la energía que se requiere para un caudal de flujo determinado. Los materiales que presentan una disminución de su 34
viscosidad al aumentar la tasa de corte también se denominan “fluidos con viscosidad estructural”. Con una tasa de corte creciente, las partículas contenidas en el fluido se orientan en la dirección del flujo. Las moléculas en forma de cadena se desenredan, se estiran o se orientan paralelas a la dirección del flujo. Debido al alineamiento de las partículas y moléculas, éstas pueden deslizarse mejor unas con respecto a otras y esto se traduce en una menor fricción interna o viscosidad. Algunas explicaciones para este efecto de fluido pseudoplástico, puede ser que muchos productos líquidos que aparentan ser completamente homogéneos, están formados realmente por varios componentes o partículas de forma irregular que están dispersas en otro fluido. Además, existen soluciones de polímeros con largas cadenas moleculares ramificadas y/o entrelazadas entre sí. En estado de reposo, los componentes de estos productos tienden a mantener su estado altamente desordenado. Ello origina una gran resistencia interna frente a un flujo forzado, o sea una alta viscosidad. Para muchos fluidos a menudo el efecto de disminución de la viscosidad es reversible tras un cierto tiempo. Esto quiere decir, que los fluidos recuperan su alta viscosidad anterior cuando se reduce o cesa el corte, a consecuencia del movimiento molecular Browniano, donde las cadenas moleculares vuelven a su estado de partida con su forma natural. Los efectos disminuidores de la viscosidad para este tipo de fluidos no son apreciables con la misma intensidad por todo el campo de gradientes de velocidad. En la Figura 3.5, se describe que a tasas de corte bajas, el movimiento molecular Browniano mantiene las moléculas o partículas en un orden casual, a pesar de que comienza una orientación por corte. Con tasas de corte muy bajas, los fluidos pseudoplásticos se comportan como newtonianos, que presentan una viscosidad η1 constante, independiente de la tasa de corte. A continuación, sigue una zona en donde domina la orientación de las moléculas por corte y la viscosidad decrece fuertemente. Finalmente, se alcanza el nivel constante
η2. Tasas de corte mayores no pueden ya aportar ningún nuevo descenso de la viscosidad, es decir, se ha alcanzado la orientación completa. En las zonas de tasas de
35
corte altas y bajas, denominadas primera y segunda etapa newtoniana, la viscosidad es más o menos independiente de la tasa de corte.
Log viscosidad η η1
η2
I
II
III Log tasa de corte
I. Primera etapa newtoniana: viscosidad límite superior
, que aún es
η1
independiente de la pequeña tasa de corte. II. En esta etapa de tasa de corte, disminuye la viscosidad como consecuencia de una orientación de moléculas o partículas. III. Segunda etapa newtoniana: viscosidad límite inferior
η2
que no puede
sobrepasarse hacia abajo aunque se eleve más la tasa de corte.
Figura 0.5: Dependencia de la Viscosidad de un Fluido seudo-plástico respecto al Gradiente de Velocidad.
b) Fluidos Dilatantes: Al contrario de las substancias seudo-plásticas, en un fluido dilatante la viscosidad aumenta al aumentar la tasa de corte, tal como muestra la Figura 3.6. Si bien, son más escasos que los fluidos seudo-plásticos, la dilatancia se observa frecuentemente en fluidos que contienen altos niveles de sólidos desfloculantes, tales como barro, componentes de caramelos, almidón de cereal en agua y mezclas de arena con agua. La dilatancia también es referida en la literatura como “ shear-thickening” (espesamiento del flujo en corte), o sea, frente a esfuerzos de corte el flujo se coloca más espeso, se engruesa, lo que conduce a un aumento de la viscosidad.
36
La dilatancia en los fluidos no es muy común. Por lo general, este comportamiento complica el proceso de producción, por lo que es aconsejable reducir la dilatancia mediante variaciones adecuadas en la formulación de la sustancia. η
τ
S
S
Figura 0.6: Comportamiento de un Fluido Dilatante.
c) Fluidos Plásticos: Este tipo de fluido se comporta como sólido bajo condiciones estáticas. Se debe aplicar una cierta cantidad de fuerza al fluido para que se induzca el flujo; este esfuerzo se denomina fuerza de fluencia ( “yield stres”). Este comportamiento describe a los fluidos de viscosidad estructural que poseen adicionalmente un límite de fluidez (ver Figura 3.7). Un buen ejemplo de este tipo de fluido es el Ketchup de tomate: el valor de la fuerza de fluencia muchas veces va impedir el escurrimiento de éste, hasta que la botella sea rápidamente agitada, permitiéndole al Ketchup derramarse libremente. Una vez que la fuerza de fluencia se exceda, el flujo comienza. Los fluidos plásticos pueden ser newtonianos, seudo-plásticos o dilatantes . Otras substancias típicas plásticas son: emulsiones de lodos de perforación, grasas, lápiz de labios, pasta de dientes y chocolate. τ
η
f S
S
Figura 0.7: Fluidos Plásticos.
Está plenamente justificado, considerar los fluidos plásticos tanto como sólidos y también como líquidos. En su mayoría, son dispersiones que en estado de reposo forman
37
una red intermolecular de fuerzas de cohesión (por ejemplo: enlaces polares o fuerzas de Van der Waals). Estas fuerzas evitan en estado de reposo un cambio de posición de elementos de volumen y dan a la substancia un carácter de cuerpo sólido con una viscosidad casi infinita. Si las fuerzas efectivas externas son menores que las que forman la red o estructura tridimensional, la estructura del cuerpo sólo se deforma elásticamente. Cuando las fuerzas aplicadas son tan grandes que pueden sobrepasar las fuerzas de unión en la red, se sobrepasa el límite de fluidez y la estructura se desmorona, los elementos de volumen pueden variar su posición de manera irreversible y el sólido se ha transformado en fluido.
3.1.2.3
Tixotropía y Reopexia.
Dentro de los tipos de comportamiento reológico, sólo hemos discutido el efecto de la tasa de corte en los fluidos no Newtonianos. Sin embargo, cuando se considera la variable tiempo, se incorporan dos tipos más de fluidos no Newtonianos: “Tixotrópicos” y “Reopéxicos”. Este tipo de fluidos evidencian un cambio de viscosidad con el tiempo bajo condiciones de tasa de corte constante. La Tixotropía y Reopexia pueden ocurrir en combinación con cualquiera de los comportamientos de flujos anteriores, o sólo a ciertas tasas de corte. El elemento tiempo es extremadamente variable, ya que bajo condiciones de corte constante, algunos fluidos alcanzan su valor de viscosidad final en pocos segundos, mientras que otros pueden tardan varios días.
d) Tixotropía: Como se ilustra en la Figura 3.8, en un fluido tixotrópico la viscosidad decrece con el tiempo, mientras éste se somete a una tensión de corte constante. η
t Figura 0.8: Comportamiento de un Fluido Tixotrópico.
38
La tixotropía se presenta en fluidos no Newtonianos, que al finalizar la aplicación de corte sólo recuperan su viscosidad inicial tras un lapso de tiempo. Estos fluidos en su mayoría también presentan una tensión de fluencia. Muchas dispersiones presentan junto a una disminución de la viscosidad por corte, un incremento o disminución de las fuerzas de unión entre las moléculas o partículas en dependencia del tiempo de corte. Cuando la dispersión se encuentra en estado de reposo, se forma una estructura tridimensional debida a estas fuerzas de unión, estructura que a menudo se denomina “estado Gel”. Estas fuerzas son relativamente débiles comparadas con las fuerzas de unión primarias, como por ejemplo, las que mantienen a los átomos formando moléculas. En una dispersión se rompen fácilmente, cuando se somete ésta a corte durante largo tiempo o incluso cuando se la agita por breve tiempo. Cuando se desmorona la red o estructura de Gel, la viscosidad disminuye hasta que se alcanza un valor mínimo posible para una tasa de corte constante dada. Este valor de viscosidad mínimo describe el “estado Sol”. Una substancia tixotrópica no sólo tiene que fluidificarse en dependencia del tiempo de corte, sino que tiene que recuperar su estructura de Gel tras un tiempo de reposo típico para cada substancia (tiempo de regeneración). La transformación de Gel a Sol y de Sol a Gel es reproducible en dispersiones tixotrópicas. La Figura 3.9 describe la tixotropía en forma gráfica. El gráfico de tensión de corte versus tasa de corte ( τ v/s S) se realizó aumentando la tasa de corte hasta un determinado valor, e inmediatamente se disminuyó hasta cierto punto. Nótese, que la curva ascendente y descendente no coinciden. Este “Loop de Histéresis” es causado por una disminución en la viscosidad del fluido al aumentar el tiempo de aplicación de la fuerza de corte. Este efecto puede ser o no ser reversible: algunos fluidos tixotrópicos al mantenerse sin disturbio por un período de tiempo, van a recuperar su viscosidad inicial, mientras que otros no van a recuperarla nunca. La superficie de histéresis L entre ambas ramas de la curva define la magnitud de este comportamiento dependiente del corte de la substancia, lo que se denomina tixotropía. La superficie tiene unidades de potencia en relación con el volumen sometido a corte. Si se multiplica esta potencia por el tiempo de corte, se obtiene el “trabajo” que es necesario para destruir la estructura tixotrópica de las fuerzas de unión en el volumen de la substancia. 39
η
τ
I I
II
II S
S
η
Gel
S:= cte
S = 0 Muestra en Reposo
Sol
t Figura 0.9: Representación Gráfica de la Tixotropía.
Las curvas de η v/s S y de τ v/s S demuestran claramente que a una tasa de corte creciente, la viscosidad decrece debido a la destrucción de la estructura de Gel y por el aumento de la orientación molecular. Con la disminución de la tasa de corte, en la segunda etapa, la viscosidad aumenta menos de lo que disminuyó en la primera, y en S = 0 no llega a alcanzar el valor original. Para una misma tasa de corte existen ahora dos puntos diferentes I y II, con valores diferentes de tensión de corte y viscosidad. La viscosidad en el punto II es menor, ya que la substancia ha sido sometida a corte durante más tiempo: ha transcurrido el tiempo necesario para ir desde S = 0 hasta Smáx, pasando por el punto I y luego de regreso hasta el punto II. La curva de viscosidad v/s tiempo demuestra claramente estos dos pasos, un Gel se transforma rápidamente en un Sol por corte constante. En la segunda fase, se transforma de nuevo el Sol en Gel. El tiempo necesario para esta transformación depende principalmente de las características del fluido tixotrópico y de su temperatura. La estructura tixotrópica puede deshacerse en segundos o minutos, pero tarda en general minutos, horas o incluso meses; hasta que se forma de nuevo la estructura de Gel. Mientras que para una regeneración completa de la estructura de gel pueden ser necesarios largos períodos de tiempo, a menudo se obtiene enseguida una regeneración
40
parcial, que ya es técnicamente significativa en segundos o minutos: del 30 al 50% de la viscosidad del Gel original puede regenerarse en este corto lapso de tiempo. La tixotropía es una característica importante en pinturas, productos alimenticios, grasas, tintas de impresión espesas, productos de cosmética, medicamentos y fluidos industriales similares.
e) Reopexia: Llamada también tixotropía negativa, es esencialmente lo opuesto al comportamiento tixotrópico; en este tipo de fluidos la viscosidad del fluido aumenta con el tiempo cuando éste se somete a una fuerza de corte, a una tasa constante (Figura 3.10). η
t Figura 0.10: Comportamiento de un Fluido Reopéxico.
Los fluidos reopéxicos presentan un comportamiento de fluidez en el que la viscosidad se eleva con la duración del corte y la viscosidad original sólo puede recuperarse luego de transcurrido un lapso de tiempo, después de finalizado el corte. Este proceso de aumento o descenso de la viscosidad, dependiente de la longitud de los tiempos de corte y reposo, es perfectamente reproducible. Reopexia es lo contrario de tixotropía. Esto se pone claramente de manifiesto en el sentido de la dirección con que se unen las curva ascendente y descendente. Las substancias reopéxicas muestran un sentido antihorario, la curva descendente transcurre por encima de la curva ascendente. En substancias tixotrópicas las dos ramas se trazan en sentido horario. La auténtica reopexia se presenta muy rara vez, al contrario de la tixotropía.
41
3.1.3 Viscosidad Absoluta. Los viscosímetros se denominan viscosímetros absolutos cuando la medición de la viscosidad se basa en unidades físicas básicas de fuerza, longitud y tiempo. Es decir, la fuerza en la unidad “Newton” [N], las dimensiones del sistema de medición en la unidad “metro” [m] y el intervalo de tiempo de medición en la unidad “segundo” [s]. Consecuentemente, se define la viscosidad en las unidades “Pascal·segundo” [Pa·s]. Una de las condiciones de medición absoluta de la viscosidad es que los fluidos a ensayar deben presentar un tipo de flujo que sea modelable matemáticamente, o sea, el perfil de flujo del sistema de medición de un viscosímetro absoluto tiene que pertenecer a una de las diferentes maneras de fluir de un líquido, la cuales se mencionaron con anterioridad. Una ventaja importante de los viscosímetros absolutos es el hecho de que el resultado es independiente del fabricante del viscosímetro empleado. Esto es importante al examinar fluidos Newtonianos, pero es imprescindible cuando se trata de caracterizar las propiedades de fluidez de un fluido no Newtoniano. Además, los valores de viscosidad absolutos pueden compararse entre diferentes laboratorios por todo el mundo y son una base estándar entre fabricantes y clientes.
3.1.4 Viscosidad Aparente (
ap).
Es relativamente fácil determinar el comportamiento de fluidez de un fluido Newtoniano, ya que la curva de fluidez (τ v/s S) es una línea recta con una pendiente constante y por consiguiente, posee un valor único de viscosidad que lo caracteriza. La viscosidad de fluidos no Newtonianos varía cuando cambia la tasa de corte. Esta medida de la viscosidad se llama “viscosidad aparente (η ap)” del fluido y define el comportamiento de fluidez a una tasa de corte dada. En la
industria y en la investigación es usual emplear sólo valores de viscosidad aparente para describir el comportamiento de fluidez de fluidos no Newtonianos. Por ejemplo, si se mide un fluido seudo-plástico y se calculan los pares de valores de tensión de corte y tasa de corte, para varios puntos de la curva no lineal (la línea continua en la Figura 3.11); se obtienen para valores crecientes de S, valores de viscosidad decrecientes que no tienen 42
ningún sentido si no se relacionan con el valor de la tasa de corte correspondiente. Se llama “viscosidad aparente ( ηap)” a la viscosidad newtoniana que corresponde a cada par de valores de tensión de corte y tasa de corte de la curva de fluidez. τ [Pa] 2
1
α1
S1 = 100 [s -1]
β2
η2 = tg(β2) = 100 [mPa·s] ηap2 = tg(α1) = 200 [mPa·s]
β1
S2 = 200 [s -1]
α2
100
η1 = tg(β1) = 200 [mPa·s] ηap1 = tg(α1) = 250 [mPa·s]
200
S [s-1]
Figura 0.11: Ejemplo del Concepto de Viscosidad Aparente.
En el ejemplo ilustrado en la Figura 3.9, para el punto 2 en la curva de fluidez arqueada, se calculó un valor de viscosidad η2 = 100 [mPa·s] (tangente de β2). El valor de la tasa de corte correspondiente es S 2 = 200 [s-1]. Este fluido no Newtoniano posee a esta tasa de corte, una viscosidad aparente ηap2 = 200 [mPa·s], que corresponde a la viscosidad newtoniana para ese punto (tangente de α2); en el ejemplo, esta viscosidad aparente tiene el mismo valor de la viscosidad del fluido en el punto 1, η1 = 200 [mPa·s] (tangente de β1) calculada a una tasa de corte S1 = 100[s-1]. De esta misma forma, se calcula la viscosidad aparente para la tasa de corte S1 = 100[s-1], la cual es ηap1 = 250 [mPa·s] (tangente de α1). Por consiguiente, la viscosidad aparente define el comportamiento de fluidez a una tasa de corte dada, pero no indica cómo varía el comportamiento de fluidez para tasas de corte mayores o menores que a la medida. Para obtener esta información adicional se debe emplear la pendiente de la tangente de la curva de fluidez en cada punto.
43
3.1.5 Viscosidad Cinemática. Cuando se realizan mediciones en fluidos Newtonianos con viscosímetros capilares, la viscosidad se determina en unidades de viscosidad cinemática ( ν). La fuerza de gravedad es la fuerza efectiva que impulsa al líquido a través del capilar. La viscosidad cinemática y la viscosidad dinámica tienen la siguiente relación:
η ⎡ mm 2 ⎤ ν= ⎢ ρ ⎣ s ⎥⎦
(3.5)
donde:
ν: viscosidad cinemática en unidades [mm 2/s]. ρ: densidad [kg/m3], es un parámetro adicional del ensayo. Las antiguas unidades para la viscosidad cinemática eran “Stokes” [St] o “centiStokes” [cSt], para lo cual se tiene la siguiente relación:
⎡ mm 2 ⎤ 1⎢ ⎥ = 1[cSt ] ⎣ s ⎦
3.2
COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE LOS ASFALTOS.
El asfalto es un material cuyas propiedades mecánicas varían en un amplio rango dentro de sus límites de aplicación. Las propiedades del asfalto varían notoriamente con la temperatura, velocidad de aplicación de la carga, duración de las cargas, orígenes y métodos de refinación y del estado de envejecimiento. Todas estas variables conceden al material una gran complejidad en su comportamiento. Esta complejidad del material asfalto, se debe principalmente a su naturaleza orgánica lo que incide en que sus propiedades físicas y mecánicas cubran un amplio rango de comportamientos. Así, los asfaltos a bajas temperaturas (< 5 º C, en general) se comportan elásticamente y siguen
44
la ley de Hooke. A altas temperaturas (> a 60 ºC, en general, dependiendo del asfalto podría aumentar a 100ºC) fluyen siguiendo la ley de Newton (ley de Newton); la energía de deformación se disipa en el líquido en forma de calor, lo cual quiere decir que no puede ser recuperada al desaparecer el esfuerzo, por lo tanto, es necesario aportar continuamente energía para mantener el flujo del líquido. A temperaturas intermedias, su comportamiento corresponde a una combinación de ambos estados, la cual es denominada viscoelasticidad . Como se mencionó en la Sección 3.1, el comportamiento de un material real como el asfalto comprende todos los tipos de comportamiento antes mencionados (fluidez, solidez y plasticidad) y más aún, una mezcla de tales comportamientos; otro hecho de gran importancia es que todos los asfaltos son termoplásticos, por lo que pueden ser reducidos y fundidos a una baja viscosidad mediante calor [COFR04].
3.2.1 Variables que Afectan las Propiedades Reológicas del Asfalto. Existen una serie de parámetros que afectan enormemente las propiedades reológicas del asfalto, dentro de las cuales la viscosidad es una fuente de información valiosísima para poder obtener conclusiones acerca del comportamiento que adoptará el ligante en diversas situaciones. Asimismo, el comportamiento reológico del asfalto puede, por supuesto, tener un profundo efecto en las técnicas de medición de la viscosidad. Los datos de viscosidad funcionan como una “ventana” a través de la cual otras características del material pueden observarse. La viscosidad es más fácil de medir que cualquiera de las otras propiedades reológicas que afectan al material, haciéndola una herramienta valiosa para la caracterización del mismo. A continuación se discutirán los factores que afectan las propiedades del material asfalto, en especial su viscosidad.
3.2.1.1
La Temperatura.
La temperatura es uno de los factores más obvios que pueden afectar el comportamiento reológico de un asfalto. En asfaltos muy susceptibles a los cambios de temperatura, una pequeña variación de ella resulta en un cambio significativo de la viscosidad; para asfaltos menos susceptibles, un cambio en la temperatura provocará un cambio menor en su viscosidad. Considerar el efecto de la temperatura en la viscosidad del asfalto es esencial en la evaluación de su comportamiento, puesto que está sujeto a variaciones de temperatura al momento de ser 45
usado, así como también al confeccionar mezclas asfálticas en caliente. Para analizar el comportamiento de los asfaltos tradicionales se emplea el nomograma de Heukelom de log viscosidad v/s temperatura, el que permite determinar las temperaturas de mezclado y compactación de los asfaltos sin modificar.
3.2.1.2
La Tasa de Corte.
La tasa de corte influye decisivamente en la viscosidad de los asfaltos modificados (comportamiento no newtoniano), no así sobre los asfaltos no modificados (comportamiento newtoniano). Las medidas de viscosidad deben ser hechas a tasas de corte lo más posiblemente cercanas a los valores estimados de proceso o uso. El asfalto es sometido a una variedad de tasas de corte en su proceso o uso por lo que es esencial conocer su viscosidad a las tasas de corte proyectadas. Cuando los valores de tasa de corte requeridos están fuera del rango del viscosímetro, es recomendable realizar la extrapolación, previo a un ajuste matemático adecuado de la tendencia observada. Este no es el método más preciso para adquirir la información, pero es a menudo la única alternativa disponible, especialmente cuando las tasas de corte proyectadas son muy altas. La determinación de viscosidades a diversas tasas de corte es la base de las investigaciones actuales para determinar las temperaturas de mezclado y compactación de los asfaltos modificados. Las investigaciones actuales presentan dos aproximaciones para la determinación de las temperaturas de mezclado y compactación de los asfaltos modificados; uno es a altas tasas de corte que corresponden a las tasas de corte que se presentan en la compactación y el otro corresponde a muy baja tasa de corte que corresponde a la tasa para obtener una viscosidad próxima a la viscosidad de cero tasa de corte. La viscosidad a cero tasa de corte es la viscosidad del “yield stress”.
3.2.1.3
Condiciones de Medición.
La condición de un asfalto durante la medición de su viscosidad puede tener un efecto considerable en los resultados de las mediciones. Es importante estar informado y controlar al máximo las condiciones externas en que la muestra se ensaya y deben aplicarse técnicas correctas de medición de la viscosidad. Las variables tales como: modelo del viscosímetro, combinación de velocidad del spindle, tamaño del contenedor de la muestra, ausencia o
46
presencia de la pantalla de protección, temperatura de la muestra, técnica de preparación de la muestra, etc., afectan no sólo en la precisión de sus mediciones, sino en la viscosidad real del asfalto que se está midiendo.
3.2.1.4
El Tiempo.
El tiempo transcurrido bajo condiciones de corte obviamente afecta la viscosidad de los materiales tixotrópicos, los cambios en la viscosidad de muchos materiales pueden ocurrir en el tiempo, aunque el material no esté sometido a corte. El fenómeno de envejecimiento es muy importante en los asfaltos y debe ser considerado cuando se seleccionan y preparan las muestras para medir su viscosidad. Este fenómeno se analizará en profundidad en el Capítulo 4 de este trabajo.
3.2.1.5
Presión.
Variaciones en la presión pueden producir que los gases disueltos formen burbujas; los gases que ingresan producen cambios de tamaño y distribución, y en algunos casos que se forme turbulencia. La influencia de la presión no es experimentada con tanta frecuencia como otros parámetros y es un factor de importancia sólo a altas presiones. Así, los líquidos, tales como el asfalto a altas temperaturas, son compresibles bajo la influencia de presiones muy altas, similar a los gases, pero en un grado mucho menor. La presión comprime los fluidos y de este modo aumenta la resistencia intermolecular. Los aumentos de la presión tienden a aumentar la viscosidad.
3.2.1.6
Historia Previa.
Lo que ha sucedido en una muestra de asfalto antes de la medición de su viscosidad puede afectar significativamente los resultados, ya que es sensible a los cambios de temperatura y por consiguiente susceptible al envejecimiento. Así, las condiciones de almacenamiento y técnicas de preparación de la muestra deben ser diseñadas para minimizar los efectos posteriores a los ensayos de viscosidad.
47
3.2.1.7
Composición y Aditivos.
La composición del material es un factor determinante de su viscosidad. Cuando la composición es alterada, ya sea por cambios en las proporciones de sus componentes o por la adición de otros materiales, son bastante probables los cambios en la viscosidad. Por ejemplo, la adición de ciertos solventes al asfalto, provoca una disminución en su viscosidad, alterando así sus propiedades reológicas.
3.2.2 Efecto de las Variables en el Comportamiento Reológico del Asfalto y sus Tipos de Comportamiento. El comportamiento reológico del asfalto depende de las variables mencionadas y fundamentalmente de la temperatura y del tiempo de aplicación de la carga, los que influyen de la siguiente manera:
A altas temperaturas y largos tiempos de aplicación de cargas (cargas lentas, ejemplo camiones a baja velocidad), el asfalto se comporta como un líquido viscoso y fluye. Aproximadamente se ha establecido que el asfalto no modificado se comporta como fluido Newtoniano a temperaturas sobre 60 ºC. Es decir, por sobre esta temperatura la viscosidad del material solamente varía con los cambios de temperatura y no con el gradiente de velocidad (tasa de corte). Otros autores han establecido que los asfaltos exhiben comportamiento Newtoniano, generalmente encima del punto de ablandamiento o a muy baja velocidad de corte [COFR04].
A bajas temperaturas y bajos tiempos de aplicación de cargas (cargas rápidas, ejemplo camiones a alta velocidad), el asfalto se comporta como un sólido elástico, es decir, se deforma al ser cargado y retorna a su forma original al ser descargado. Aunque el asfalto es un sólido elástico a baja temperatura, puede volverse demasiado frágil y agrietarse bajo carga excesiva. Es por esto, que el agrietamiento a baja temperatura a veces ocurre en pavimentos asfálticos en climas fríos [MIÑO03].
A temperaturas intermedias el asfalto se comporta como un material viscoelástico. Este comportamiento se caracteriza por una respuesta combinada, con una componente 48
viscosa y una componente elástica. Las propiedades del asfalto se desvían de ambos comportamientos ideales, mencionados anteriormente, y en general se describe el comportamiento del asfalto como viscoelástico, lo cual se refiere a las propiedades de flujo no Newtoniano que el material exhibe dentro de un amplio rango de temperaturas. Las características no Newtonianas que el material presenta se ven reflejadas en el hecho de que la viscosidad del asfalto varía además con el estado de carga (velocidad y tiempo de aplicación) y que la deformación tiene una componente elástica y otra componente viscosa. Los puntos de transición mostrados por diferentes asfaltos varían en un rango entre 50 a 75ºC y no exactamente a 60ºC, como lo indica generalmente la literatura [COFR04]. El envejecimiento también produce cambios en el comportamiento reológico del asfalto, transformándolo en un material más rígido y de menor susceptibilidad térmica. El envejecimiento del asfalto se produce por medio de variadas y complejas reacciones, cuando éste está expuesto a agentes ambientales como calor y oxígeno. Durante la vida del asfalto se pueden distinguir dos importantes procesos de envejecimiento: envejecimiento primario y envejecimiento secundario. El envejecimiento primario (corto plazo) se produce durante el mezclado, almacenamiento, colocación y compactación de la mezcla asfáltica. A altas temperaturas los componentes volátiles del asfalto se evaporan; estos componentes volátiles livianos del tipo aceites ablandarían al asfalto en el caso de permanecer dentro de éste. El segundo proceso de envejecimiento que se distingue es el envejecimiento secundario (largo plazo) , y es el que sufre el asfalto durante la vida en servicio del pavimento, debido a diversos factores a los que está expuesta la carpeta como oxidación, rayos solares, efecto del agua, etc. El proceso de envejecimiento se analizará en detalle en los Capítulos siguientes de esta memoria. Con respecto a los tipos de comportamientos analizados en la Sección 3.1.2, puede decirse que el asfalto sigue los siguientes comportamientos, los cuales dependen principalmente de las condiciones y del tipo de asfalto a describir:
A temperaturas relativamente elevadas, la mayoría de los asfaltos presentan un comportamiento Newtoniano.
A temperaturas moderadas el asfalto se comporta como un fluido de corte decreciente o seudo-plástico, pues su viscosidad decrece al aumentar la tasa de corte. 49
El efecto de fluido seudo-plástico se presenta en los asfaltos modificados que aparentan ser homogéneos, pero están formados realmente por varios componentes: partículas de forma irregular o gotas de un líquido que se encuentran dispersas en otro. Las moléculas en forma de cadena en los asfaltos se desenredan, se estiran o se orientan paralelas a la dirección del flujo. Debido al alineamiento de las partículas y moléculas, éstas pueden deslizarse mejor con respecto a otras, lo que produce un menor roce interno o una menor viscosidad.
Ciertos asfaltos presentan un fluir no Newtoniano muy complejo, aún a temperaturas relativamente elevadas. En este caso, la curva de flujo no es lineal, es decir, la viscosidad depende entre otras cosas, del aparato en el cual se ensaya, de la historia previa del material, etc. Los asfaltos de tipo “Gel”, con alto contenido de asfaltenos y mal peptizados, presentan un comportamiento no newtoniano del tipo viscoelástico [MIÑO03].
Además, fluidos viscosos como el asfalto caliente son también llamados plásticos, porque una vez que comienzan a fluir no regresan a su posición original. Por esto, en climas cálidos algunos pavimentos asfálticos fluyen bajo cargas repetidas y forman ahuellamientos. Sin embargo, el ahuellamiento de los pavimentos asfálticos en climas cálidos se ve influido también por las propiedades de los agregados y es probablemente más correcto decir que es la mezcla asfáltica la que tiene un comportamiento plástico.
3.2.3 Dificultades en la Medición de las Propiedades Reológicas. El rango de temperatura usado en ensayos para especificaciones alrededor del mundo, varía desde 135ºC hasta temperaturas bajo –10ºC. Este rango de temperaturas representa un rango de viscosidades requeridas durante la construcción del camino (mezclado, compactación) y durante su vida útil, donde se encuentra expuesto a cargas y al continuo envejecimiento. El rango de viscosidades medidas puede variar entre 10 1 Poises hasta 1011 Poises. La medición de las propiedades reológicas del asfalto, se logra con el uso de variados instrumentos de ensayo estandarizados por diferentes países. Muchos de estos ensayos son de carácter empírico y sus
50
resultados son difíciles de correlacionar, interpretar y extrapolar. Algunas de las razones de estas dificultades se pueden explicar como sigue [THEN01]:
Las muestras son preparadas en diferentes condiciones, diferentes formas y diferentes volúmenes. La estructura interna del material se modifica con la preparación de la muestra, lo que en definitiva introduce cambios en las muestras originales de asfalto.
Las muestras se someten a extrañas formas de flujo y carga que dificultan la interpretación de los resultados.
Las propiedades no Newtonianas del material son ignoradas, particularmente en ensayos realizados a temperaturas bajo 60 ºC. No se distingue entre deformación elástica y deformación plástica.
Las medidas son hechas en unidades no “científicas”, relativas a la propiedad que se requiere medir. Esto dificulta el desarrollo de fórmulas teóricas de diseño.
Muchos ensayos operan en un estrecho rango de viscosidades y velocidad de carga.
La sensibilidad de los aparatos es baja.
Es así, como para medir las propiedades reológicas de un material de comportamiento viscoelástico, se deben conocer bien las condiciones de deformación y especificar las condiciones de duración de la carga, magnitud de la carga y temperatura. De este modo, los ensayos se pueden realizar en condiciones equivalentes a las condiciones de trabajo del material. Hoy en día, las especificaciones SUPERPAVE utilizan para clasificar los diferentes grados de asfaltos las propiedades reológicas del material, reproduciendo en forma adecuada las condiciones de temperatura, tiempo de carga y estado de envejecimiento a los cuales éstos serán sometidos durante su vida de servicio. No solamente se evalúan las propiedades reológicas del material a altas temperaturas, si no más bien se logra describir la totalidad de comportamientos del material.
51
CAPÍTULO 4: ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO.
4.1
INTRODUCCIÓN.
Los caminos pavimentados con asfalto han sido usados en EEUU desde principios de 1900, y en Europa desde 1850. Sin duda, los ingenieros viales pioneros pronto se dieron cuenta que en el corto plazo el asfalto se endurece después del calentamiento, principalmente debido a la volatilización, y en el largo plazo se endurece principalmente debido a la oxidación. Debido a las muchas formas de envejecerse de un asfalto parece necesario clarificar la terminología usada por los ingenieros viales relativa al endurecimiento del asfalto y mezclas asfálticas. Los términos “age hardening” (endurecimiento por envejecimiento) y “aging” (envejecimiento) son regularmente usados para describir el fenómeno del “hardening” (endurecimiento). El término “embrittlement” (hacerse quebradizo) también puede ser usado [S30589]. Como se dijo anteriormente, los cementos asfálticos endurecen durante las operaciones de mezclado y colocación así como durante la vida de servicio de los pavimentos. La comprensión general ha sido que durante el mezclado y la colocación, debido a las altas temperaturas, los asfaltos no sólo envejecen debido a la pérdida de volátiles sino también debido a la oxidación a estas altas temperaturas. Durante la vida de servicio del asfalto las temperaturas son mucho más bajas y se considera que la oxidación es el mecanismo de envejecimiento principal [S36994]. Ambos factores (volatización y oxidación) causan un incremento en la viscosidad del asfalto y por consiguiente una rigidización de la mezcla. Esto puede causar que la mezcla llegue a ser excesivamente dura y quebradiza y susceptible a la desintegración y agrietamiento. Además, la oxidación puede producir una mezcla menos durable que la mezcla original, en términos de resistencia al desgaste y susceptibilidad a la humedad [S30589]. El envejecimiento ha sido usualmente incluido en las listas de los deterioros de los pavimentos asfálticos. Sin embargo, actualmente se considera como un proceso que puede ser beneficioso o perjudicial. Puede ser perjudicial cuando se observa en un pavimento en servicio un excesivo endurecimiento o rigidización; por otro lado, el envejecimiento puede ser beneficioso cuando una mezcla muy blanda se endurece en un pavimento en servicio. La Figura 4.1 muestra un esquema simplificado de la performance en términos de las propiedades mecánicas en donde un pavimento puede ser muy blando, y por consiguiente, ahuellable y deformable; o puede ser muy 52
rígido y quebradizo, y por ende sujeto a agrietamiento, ya sea por cargas de tránsito o por esfuerzos térmicos. En la ilustración se incluyen también los efectos de la temperatura, tiempo y oxidación [S51091]. Desde la década de 1930 las investigaciones han continuado el desarrollo de la comprensión de los factores que contribuyen al envejecimiento de corto y largo plazo. Muchos de estos trabajos han sido dirigidos al estudio del cemento asfáltico más que a las mezclas asfálticas con agregados, tanto así que hasta 1989 se contaba con ensayos estandarizados para determinar y controlar el envejecimiento de corto plazo del asfalto puro. El test actual de horno de película delgada (TFOT) y el test de horno de película delgada rotatorio (RTFOT) son un resultado de algunas de estas investigaciones [S30589].
PERFORMANCE Baja Asociación
Bien Balanceado
Alta Asociación
BLANDO
FRÁGIL
Deformación Permanente, Ahuellamiento
Agrietamiento por Fatiga y Bajas Temperaturas
Tiempo, Envejecimiento, Enfriamiento Humedad, Calentamiento
Figura 0.1: Esquema de Performance.
El grado de resistencia a los cambios en las propiedades físicas y químicas de un asfalto se define como “Durabilidad del Asfalto”. En este ámbito, es necesario diferenciar lo que es la durabilidad del asfalto en sí, de lo que es la durabilidad de las mezclas hechas con asfalto, debido a que las leyes que gobiernan ambos fenómenos son completamente distintas. Mientras la durabilidad del asfalto depende de sus propias características, la durabilidad de la mezcla, o su capacidad de resistir la desintegración debido al tránsito y al clima, se puede regular dentro de ciertos límites para el porcentaje de vacíos, de asfalto, procesos constructivos, etc. [NUÑE94].
53
A continuación en este Capítulo se analizará los factores que influyen en el envejecimiento del asfalto, se enfocará el proceso de endurecimiento según etapas en la construcción y se presentará una revisión bibliográfica de las investigaciones acerca del envejecimiento del asfalto hasta el año 1989. Se enfatiza el estudio del envejecimiento sólo del ligante, tocando tangencialmente el envejecimiento de mezclas. En este contexto, se han realizado pequeñas investigaciones del envejecimiento de las mezclas asfálticas, y, hasta ahora, no hay un ensayo estándar. Los ingenieros viales entendieron la necesidad de modelar el envejecimiento de corto y largo plazo de las mezclas asfalto-agregados en los procedimientos de diseño estructural, y mientras algunas investigaciones se dirigen a esta necesidad, aún no ha emergido un procedimiento estándar. En el Capítulo 5 de esta memoria se revisa el estudio del envejecimiento del asfalto en el contexto del programa denominado SUPERPAVE (“Pavimentos de Comportamiento Superior”) realizado por la SHRP (Strategic Highway Research Program) de los Estados Unidos de Norteamérica.
4.2
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ENVEJECIMIENTO.
Son muchas las variables que influyen en el proceso de envejecimiento del asfalto y existen varios enfoques para su estudio. El estudio se puede centrar en el asfalto puro como ligante sobre el cual inciden diversos factores que producen su endurecimiento en distintas etapas, o puede estudiarse el conjunto mezcla asfáltica incidiendo también otros factores como las propiedades mismas de la mezcla, siendo este último enfoque mucho menos estudiado. Este trabajo se centra en los estudios de envejecimiento sólo del asfalto y no en estudios sobre mezclas, aunque se resalta la importancia de incorporar en el análisis las propiedades de las mezclas en las cuales el asfalto actúa como ligante. Los siguientes seis factores (no necesariamente en orden de importancia) han sido establecidos como contribuyentes al endurecimiento por envejecimiento del asfalto durante el mezclado y/o vida en servicio [ROBE01]: 1. Oxidación; 2. Volatización; 3. Polimerización; 4. Tixotropía;
54
5. Sinéresis; 6. Separación.
Estos factores han sido definidos como sigue: 1. Oxidación. Es la reacción química del oxígeno con el cemento asfáltico, cuya velocidad depende de las características del asfalto y de la temperatura. Es una reacción de tiempo – espacio de segundo orden y es función del grado de aromaticidad. La oxidación primariamente produce carbonilos y cetonas, y aumenta el tamaño y complejidad de las moléculas de los cementos asfálticos [WAHR02]: -
Aromáticos polares a asfaltenos
-
Aromáticos nafténicos a polares aromáticos
La oxidación, como en muchas sustancias orgánicas, ocurre lentamente en contacto con el aire. Grupos moleculares oxidados tienden a agruparse en micelas de mayor peso molecular haciendo del asfalto un material más duro, menos flexible y de una viscosidad más alta. El envejecimiento oxidativo del asfalto está directamente relacionado con el aumento de asfaltenos. Sin embargo, no existe una buena correlación en los ensayos para medir los cambios de consistencia, excepto en el caso del ensayo de viscosidad cinemática [THEN91]. El grado de oxidación es altamente dependiente de la temperatura, del tiempo de exposición y espesor de la película de asfalto; de esta forma los rangos de oxidación se duplican cada 10ºC sobre los 100ºC [SHEL90]. Por otro lado, como la oxidación es un proceso químico, se ha observado que el envejecimiento oxidativo es altamente asfalto-específico, es decir, algunos asfaltos envejecen y se endurecen más rápidamente que otros bajo las mismas condiciones [S36994]. El endurecimiento debido a la oxidación es ampliamente considerado como la causa principal del envejecimiento, al extremo de que otros factores han sido levemente considerados a pesar de ser ciertamente mensurables. El proceso de oxidación modifica en gran medida la estructura físico-química del asfalto, que se interpreta como cambios en sus propiedades reológicas. Puede introducir una alteración en la estructura coloidal del asfalto identificándose progresivamente con una de las características del tipo Gel, esto se explica reológicamente como un alejamiento de la condición de flujo Newtoniano. En términos mecánicos, al oxidarse el asfalto, se advierte un aumento en su componente elástica y una 55
disminución en su componente viscosa, lo que se traduce en un incremento de su punto de ablandamiento y disminución de la penetración [NUÑE94]. El endurecimiento oxidativo sucede a una tasa relativamente lenta en los pavimentos, aunque ocurre más rápido en climas cálidos y durante los procesos de calentado. Debido a este endurecimiento, los cementos asfálticos de más edad están más susceptibles al agrietamiento. En ocasiones pavimentos asfálticos ya colocados pueden sufrir endurecimiento oxidativo prematuro. En este caso, una inadecuada compactación deja un alto porcentaje de vacíos de aire interconectados, que hacen que más aire penetre en la mezcla asfáltica de una manera más fácil, aumentando así el endurecimiento oxidativo. En la práctica, una considerable cantidad de endurecimiento oxidativo ocurre antes que el asfalto sea aplicado. En las mezclas en caliente, el cemento asfáltico se adhiere al agregado caliente y la mezcla se mantiene a elevadas temperaturas por un período de tiempo. Debido a que el asfalto cubre en películas delgadas los agregados, la reacción oxidativa ocurre a una tasa mucho más elevada. 2. Volatización. Es la evaporación de los constituyentes más livianos del cemento asfáltico y es primeramente una función de la temperatura y de las condiciones de exposición. La volatilización ocurre durante el mezclado y la construcción, cuando los componentes volátiles tienden a evaporarse del asfalto. Se liberan los hidrocarburos más livianos debido a alzas bruscas y extremas de temperatura, produciendo un aumento en las características de asfalto tipo Gel. Usualmente no es un factor significativo en la contribución del envejecimiento de largo plazo en el pavimento. 3. Polimerización. Es una combinación de moléculas similares para formar moléculas más grandes, causando un endurecimiento progresivo. Este proceso es permanente y su velocidad depende de la energía presente y el tipo de radicales libres presentes. No hay evidencia científica de que este sea un factor significativo durante el envejecimiento a bajas temperaturas del asfalto en el pavimento. 4. Tixotropía. Es un progresivo endurecimiento debido a la formación de una estructura dentro del cemento asfáltico en un período de tiempo, la cual puede ser revertida en un cierto grado por recalentamiento y trabajo del material. A pesar de que las fuerzas de orientación 56
(dipolo de cada molécula) son muy pequeñas y el medio altamente viscoso a las temperaturas de servicio, lentamente las moléculas encuentran la mejor orientación aleatoriamente. Este estado es conocido como el estado estable o de equilibrio termodinámico, donde se logra un mejor amarre de todo el sistema. Esto es muy importante ya que esta rigidización puede revertirse realizando reciclajes periódicos. El endurecimiento tixotrópico (también llamado envejecimiento estérico o por reorientación) está generalmente asociado con pavimentos de bajo tráfico, y su magnitud es una función de la composición del asfalto. 5. Sinéresis. Es una reacción de exudación en la cual la componente oleosa del bitumen (“thin oily liquids”) es exudada o trasladada a la superficie de la película del cemento asfáltico. Con la eliminación de estos componentes oleosos, el asfalto se vuelve más duro. 6. Separación. Es la remoción de los constituyentes oleosos, resinas o asfaltenos del cemento asfáltico causado por la absorción selectiva de algunos agregados porosos. Es función tanto de la tendencia a la exudación del bitumen como de la porosidad del agregado. Traxler (1963), enumeró 9 efectos adicionales a los ya presentados que pueden reducir las propiedades de ligazón del asfalto; en La Tabla 4.1 se muestra esta lista. Se debe notar que los efectos enumerados no necesariamente están en orden de severidad y pueden no ser aplicables para mezclas asfálticas. Se incluye el efecto, su dependencia con respecto a distintos factores (tiempo, calor, oxígeno, luz solar y rayos beta & gamma), el lugar donde ocurre (en la superficie o en masa) y las formas de retardarlo. Traxler suministró algunos datos experimentales para apoyar la lista de efectos, sin embargo, él dice explícitamente en su publicación que “algunos efectos no han sido determinados con consideraciones experimentales” [S30589].
57
Influenciado Por Luz Tiempo Calor Oxígeno Solar
Efectos
Rayos B&G
Formas de Retardar el Efecto Ocurre En la En Masa En General, Fuente y Proceso Seleccionado Superficie 1) Atmósfera inerte X 2) Radicales libres inhibidores 1) Proteger de la luz X 2) Atmósfera inerte 3) Radicales libres inhibidores X X Protección del calor 1) Proteger de la luz X 2) Atmósfera inerte 3) Radicales libres inhibidores 1) Proteger de la luz X 2) Aditivos? 1) Proteger de la luz X X 2) Aditivos? X X Radicales libres inhibidores 1) Adición de agentes dispersores X X 2) Cambio de fuente y procesamiento del asfalto X Reducir contenido de parafina X X ----------------------------------------Cambio de fuente y procesamiento del X asfalto X X Mejorar dispersión del asfalto
1. Oxidación (sin luz)
X
X
X
-
-
2. Fotoxidación (luz directa)
X
X
X
X
-
3. Volatización
X
X
-
-
-
4. Fotoxidación (luz reflejada)
X
X
X
X
-
5. Foto químico (luz directa)
X
X
-
X
-
6. Foto químico (luz reflejada)
X
X
-
X
-
7. Polimerización
X
X
-
-
-
X
-
-
-
-
9. Exudación de aceites (Sinéresis) 10. Cambios por energía nuclear
X X
X X
-
-
X
11. Acción del agua
X
X
X
X
-
12. Absorción por el agregado Absorción de componentes en la 13. superficie del agregado Reacciones químicas o efectos 14. catalíticos en la interfase
X
X
-
-
-
X
X
-
-
-
X
-
-----------------------------------------
X
X
-
-
-
X
X
-----------------------------------------
15. Deterioro microbiológico
X
X
X
-
-
X
X
Adicionar agentes fungistáticos y bacteriostáticos
8.
Desarrollo de estructura interna (envejecimiento Tixotrópico)
Tabla 0.1: Efectos que Pueden Reducir las Propiedades de Ligazón del Asfalto (Traxler, 1963). 58
4.3
ENVEJECIMIENTO
DEL
ASFALTO
SEGÚN
ETAPAS
DE
CONSTRUCCIÓN En el contexto del envejecimiento, las etapas de almacenamiento, mezclado, transporte, colocación y compactación de la mezcla, en conjunto constituyen una fracción cercana al 10 -3% de la vida útil total de la obra, pero durante la cual se produce cerca del 70% del envejecimiento total del material bituminoso [ELGU86]. A continuación se da una visión del envejecimiento del asfalto en las distintas fases de construcción de la carpeta asfáltica.
4.3.1 Envejecimiento del Asfalto durante el Mezclado con los Agregados. Durante la fase de almacenamiento del asfalto, previo al proceso de mezclado, la oxidación en estanques es muy pequeña debido a que la superficie del material expuesto al oxígeno es ínfima en comparación con el mayor volumen almacenado. Sin embargo, en la etapa de mezclado, es necesario elevar la temperatura del asfalto a valores que pueden llegar a los 160ºC. En este instante, los agregados que deben estar a una temperatura similar, son cubiertos por una película delgada de entre 5 y 15 micrones de espesor. Si esta película pudiera extenderse sobre una superficie plana, el asfalto de una tonelada de mezcla densa cubriría un área de aproximadamente 10000 [m2]. Luego, cuando el bitumen se está mezclando, y por lo tanto formando estas películas delgadas con el agregado, las condiciones para la oxidación y volatilización son ampliamente favorables. Durante el mezclado, el asfalto debe estar a una temperatura lo suficientemente alta como para cubrir, en un tiempo relativamente corto (típicamente entre 30 a 90 segundos), el árido caliente y seco; pero para evitar una sobre exposición a los efectos de la oxidación, es importante optar por la menor temperatura posible. Es ampliamente reconocido que la temperatura que permite este cubrimiento óptimo del agregado, denominada temperatura de mezclado, se obtiene cuando la viscosidad del asfalto es aproximadamente 0,2 [Pa·s]. Como los materiales asfálticos tienen distintas susceptibilidades térmicas, es necesario determinar en cada caso la temperatura adecuada que permita alcanzar esta viscosidad. Si por diversas razones la temperatura de mezclado sobrepasa la condición anterior, entonces se producirán efectos no deseados e irreversibles. Esto se ilustra en la Figura 4.2 donde un aumento de 5.5°C en la temperatura de 59
mezclado, para un tiempo estándar de 30 segundos, resulta en un incremento de 1°C en el punto de ablandamiento del bitumen 1.
Figura 0.2: Relación entre la Temperatura de Mezclado y el Incremento en el Punto de Ablandamiento.
Durante el proceso de mezclado, la penetración del asfalto puede normalmente descender de 85 a aproximadamente 65[dmm] (en el caso de un asfalto 85-100 usado normalmente en la parte central de EE.UU.). No todo este endurecimiento producto de la oxidación, ocurre en el mezclador. En la medida que la mezcla es cargada en los vehículos de transporte, la reacción continúa hasta que el oxígeno en los huecos de la mezcla esté completamente consumido. Si las muestras tomadas directamente de la tolva de un vehículo son enfriadas rápidamente, el proceso de oxidación se detiene y pueden observarse descensos en la penetración de aproximadamente 10 puntos. Sin embargo, si las muestras son tomadas entre unos 30 minutos a 1 hora después, posterior al traslado y extendido de la mezcla, se pueden observar los 10 puntos adiciona1es [BROC86].
1
Whiteoak, D.;Fordyce, D., “Asphalt workability. Its measurement, and how it can be modified” , citado
en [SHEL90].
60
4.3.2 Envejecimiento en una Mezcla durante el Almacenamiento en Caliente, Transporte y Colocación. Algún endurecimiento adicional tendrá lugar durante el almacenamiento o transporte en caliente de una mezcla, ya sea en un silo o vehículo respectivamente. De todas formas, como en el caso anterior, la tasa de oxidación dependerá principalmente del tiempo de exposición con el oxígeno, el espesor de la película de asfalto, y la temperatura. Al almacenar una mezcla recién hecha en un silo, cierto volumen de aire queda atrapado en los huecos del material y durante el período de almacenamiento reaccionará con el asfalto. Si no se produce una entrada adicional de aire la reacción cesará. Estudios en los EE.UU. sugieren que si la oxidación en un silo es limitada a la inducida por el aire que entra a éste junto con la mezcla, entonces la oxidación durante el transporte o colocación debería ser nula o mínima. Esto, en hipótesis, se verificaría si no se permitiera la entrada en la mezcla de una cantidad significativa de aire fresco durante el proceso de descarga a los vehículos de transporte. Por lo tanto no habría una cantidad adicional disponible para la oxidación. De hecho se observó, que si la mezcla era descargada directamente del mezclador a los vehículos de transporte, procurando una aislación térmica adecuada en éstos, la tasa de endurecimiento durante el transporte era muy similar a la que ocurría durante el almacenamiento en un silo [BROC86].
4.3.3 Envejecimiento del Asfalto en Servicio. Durante el corto período del mezclado, el cemento asfáltico es manejado en muy delgadas películas y expuesto al aire a temperaturas del rango de 135 a 163ºC. En este período se producen cambios reológicos sustanciales, tales como una disminución de la penetración y un incremento en la viscosidad del asfalto debido a la oxidación por el aire y a la pérdida de componentes volátiles. El endurecimiento por envejecimiento continúa a una tasa mucho menor mientras la mezcla es procesada, almacenada en silo, transportada al sitio de la pavimentación, colocada y compactada. Después que la mezcla se enfría y el camino es abierto al tráfico, el proceso continúa a una razón significativamente más lenta durante los primeros 2 a 3 años hasta que el pavimento se aproxima a su límite de densidad bajo tráfico. Después de esto, la razón de 61
endurecimiento es aún menor y son necesarios largos períodos de tiempo para percibir los cambios en las propiedades reológicas del cemento asfáltico. Sin embargo, el envejecimiento en servicio se acelera en gran medida si la mezcla es diseñada con un alto contenido de vacíos de aire con respecto al diseño original, lo que implica un fácil acceso del aire, agua y luz. Las películas gruesas de asfalto alrededor de los agregados se endurecen en menor medida comparadas a las películas delgadas [ROBE01]. Este fenómeno es mucho más rápido en un clima cálido que en un clima frío. Así, el endurecimiento por oxidación es estacional, y es más marcado en verano que en invierno. El envejecimiento a través del tiempo se ilustra en la Figura 4.3 la cual muestra el Índice de Envejecimiento1, más conocido como Índice de Durabilidad (razón entre la viscosidad de un asfalto recuperado, ηr , y la viscosidad original, ηO, a 60°C), para después del mezclado, transporte, aplicación y durante su servicio [NUÑE94].
Figura 0.3: Envejecimiento a través del Tiempo.
1
Índice de Envejecimiento. Ver Sección 4.4, página 64.
62
Como se mencionó anteriormente, el principal factor que influye en el endurecimiento del asfalto en servicio es el contenido de huecos en la mezcla. Mientras mayor sea éste, mayor será el ingreso de aire y por lo tanto mayor la oxidación. Por otra parte, el asfalto que está en la superficie es más propenso al envejecimiento debido al constante suministro de aire fresco, a las mayores temperaturas en la superficie y a la foto-oxidación del asfalto por la radiación ultravioleta, pero además actúa como una capa protectora del asfalto al interior de la carpeta.
4.4
ESTUDIOS DE ENVEJECIMIENTO SOBRE CEMENTO ASFÁLTICO.
Esta sección se enfocará en presentar los estudios relativos al envejecimiento del cemento asfáltico (no centrándose en estudios de mezclas), desde las primeras investigaciones a inicios del siglo pasado y hasta inicios de la década de los noventa, dejando para un Capítulo exclusivo 1 los estudios de envejecimiento dentro del contexto del proyecto SUPERPAVE. Muchos estudios de largo plazo del comportamiento de pavimentos incluyen muestreos y ensayos periódicos para determinar los cambios en las propiedades del cemento asfáltico, tales como penetración a 25ºC y viscosidad a 60ºC, y propiedades del pavimento, tales como el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla. Estos cambios afectan la performance del pavimento con el tiempo, y se ha encontrado que siguen un modelo hiperbólico. De acuerdo con esta teoría, los cambios en estas propiedades físicas siguen una función hiperbólica con el tiempo y se aproximan a un valor límite definitivo después de un gran incremento temporal. La siguiente ecuación expresa el endurecimiento por envejecimiento del asfalto en el terreno [ROBE01]: T a + bT
(4.1)
T = a + bT ∆Y
(4.2)
∆Y
=
o
1
Envejecimiento Contexto SUPERPAVE. Ver Capítulo 0.
63
donde
∆Y
:
cambio de propiedad (como penetración o viscosidad) con el tiempo T o diferencia entre el valor en “vida-cero” y el valor en cualquier otro tiempo posterior.
a
:
constante; el valor de la propiedad en tiempo cero.
b
:
razón de cambio de la propiedad
1/b
:
el último cambio (valor límite) de la propiedad.
La magnitud del envejecimiento puede ser cuantificado en términos de penetración (porcentaje de penetración retenida) o viscosidad (índice de envejecimiento):
%Penetración Retenida =
Penetración de asfalto envejecido × 100 Penetración de asfalto original
Índice de Envejecimiento =
Viscosidad de asfalto envejecido Viscosidad de asfalto original
(4.3)
(4.4)
Estos dos índices han sido usados para evaluar el envejecimiento relativo de cementos asfálticos de diferentes grados y/o diferentes fuentes. Según muchos estudios de durabilidad de asfaltos se ha encontrado que la viscosidad aumenta con el tiempo, tal como lo indica la Figura 4.3, siendo el índice de envejecimiento normalmente mayor que uno. En cuanto a la penetración, está disponible una gran cantidad de bibliografía y datos de cemento asfáltico envejecido en terreno en condiciones de servicio; se ha observado que el envejecimiento de los pavimentos de mezcla asfáltica en caliente resulta en una progresiva disminución de la penetración con el tiempo, tal como se verá más adelante en esta memoria.
64
La Tabla 4.2 presenta una selección de referencias relacionadas específicamente con envejecimiento de laboratorio y resume los métodos usados, junto con el test o tests usados para evaluar la extensión y/o los efectos del envejecimiento. Una discusión del trabajo presentado en la Tabla 4.2 es presentada más abajo en la sección relacionada con los procedimientos de envejecimiento del cemento asfáltico en laboratorio [S30589]. Fecha 1903 1937 1939 1940 1946 1952 1955
1957
Investigador
Método de Envejecimiento 18, 24 hrs, 325ºF (163ºC) Dow Mezcla envejecida por 30 min, 300ºF (149ºC) Nicholson Aire soplado, 15 min, 425ºF (229ºC) Rasching & Doyle Aire soplado, 15 min, 400ºF (204ºC) Mezcla arena Ottawa, tiempo y temperatura Hubbard & Gollomb variada Mezcla arena Ottawa, horno de envejecimiento, Lang & Thomas exposición al ambiente Mezcla envejecida en horno 30 min 325ºF Shattuck (163ºC) Test Horno de película de 1/8 in, 5 hrs, 325ºF Lewis & Welborn (163ºC) TFOT Test Horno de película de 1/8 in, 5 hrs, 325ºF Lewis & Halstead (163ºC) Mezcla arena Ottawa, horno de envejecimiento, Pauls & Welborn 325ºF (163ºC) TFOT Griffin, Miles & Test de micropelícula Shell - película de 5 Penther micrones (0,0002 in), 2 hrs, 225ºF (107ºC) Aclimatación ultravioleta e infrarroja Vallerga, Monismith & Granthem Brown, Sparks & Smith
Enfriamiento rápido de muestra de asfalto
Camino de prueba - envejecimiento en laboratorio - test de micropelícula TFOT y micropelícula, película de 15 micron Traxler (0,0006 in), 2 hr, 225ºF (107ºC) 1961 TFOT y película de 15 micron (,0006 in), 2 hr, Halstead & Zenewitz 225ºF (107ºC) Test de micropelícula Shell modificado - 20 Hveem, Zube & micron (,0008 in), 24 hr, 210ºF (99ºC) 1963 Skog RTFOT y TFOT 325ºF (163ºC), 50 min test de cohesión TFOT a 325ºF (163ºC) luego POB a 150ºF (66ºC) 24, 48, 96, 240 hr a 29 psig y 132 psig 1968 Lee Asfalto y mezcla asfalto-arena 1958 Heithaus & Johnson
Método de Evaluación Cambio en peso, penetración del residuo Asfalto recuperado - cambio en penetración Penetración, ductilidad Cambio en penetración Asfalto recuperado - cambio en penetración Cambio en mezcla de propiedades, abrasión, resistencia, etc. Asfalto recuperado - penetración, ductilidad, punto de ablandamiento Cambio en peso, penetración, ductilidad Cambio en peso, penetración, ductilidad Resistencia a la c ompresión, asfalto recuperado, residuo TFOT Viscosidad antes y después de envejecido - índice de envejecimiento Penetración Punto de ablandamiento Ductilidad Test de tensión sobre la muestra de asfalto Índice de envejecimiento de micropelícula de asfaltos recuperados Comparación de microviscosidad a 77ºF (25ºC)
Comparación de microviscosidad a 77ºF (25ºC). Se usó una tasa de corte de 0,05 s -1 Microviscosidad a 77ºF (25ºC) antes y después de envejecido Comparación de viscosidades de RTFOT, TFOT y asfalto recuperado Microviscosidad a 77ºF (25ºC) - límite de viscosidad - tiempo para endurecerse a 30 Mpoises - índice de corte Contenido de asfaltenos Test de Micropelícula rotatorio 20 micron (,0008 Microviscosidad del residuo 1969 Schmidt & Santucci in botella) 210ºF (99ºC) TFOT Microviscosidad a 77ºF (25ºC) POB a 150ºF (66ºC) y 20 atm Viscosidad Capilar a 140ºF (60ºC) 1973 Lee Recuperación de materiales envejecidos en Microductilidad , test Fraass terreno Contenido de asfaltenos y porcentaje de oxígeno Análisis Rostler
Tabla 0.2: Envejecimiento Acelerado de Laboratorio y Métodos de Evaluación.
65
Fecha
Investigador Benson
1975 Plancher, Green & Petersen
Método de Envejecimiento TFOT Luz actínica Mezclas aclimatadas en terreno RTFOT, RMFO, Columna de oxidación Mezcla envejecida en horno por 5 hr a 302ºF (150ºC) Impregnación por aire a 140ºF (60ºC) en una cabeza de 0,02 in de agua (0,5 mm) por 1, 2, 4, 6, 10 días
1977 Kumar & Goetz
Kemp & Predoehl 1981
Test de aclimatación con luz actínica, Test de micropelícula rotatorio, Mezcla arena Ottawa envejecida, Test de micropelícula Shell modificado Mezclas aclimatadas en terreno
Test de durabilidad en horno inclinado a 235ºF Santucci, Goodrich (113ºC) por 168 hr y a 239ºF (115ºC) por 100 hr & Sundberg RTFOT extendido 100 hr, 239ºF (115ºC) 1983 McHattie
Edler, et al. 1985 Hugo & Kennedy
1986 Kim et al.
Von Quintas et al.
1988 Tia et al.
1989 Petersen
"Climatómetro" - película de asfalto 100 micron, RTFOT extendido a 8 hr; Oxidación por presión por 96 hr, 149ºF (65ºC), 300 psi TFOT modificado - películas de 100 micron, 24 hr Horno de envejecimiento de mezclas a 100ºC Exposición ultravioleta de mezclas por 54 hr y 14 días Oxidación por presión a 140ºF (60ºC) y 100 psi, 0 a 5 días Recuperación de Materiales envejecidos en terreno Horno de envejecimiento de corto-plazo a 275ºF (135ºC) por 8, 15, 24 & 36 hr Oxidación por presión de largo-plazo a 135ºF (60ºC y 100 psi) Horno de envejecimiento por 2 días a 135ºF (60ºC) luego 5 días a 225ºF (107ºC) Envejecimiento en horno de convección a 140ºF (60ºC) por 1, 7, 28 y 90 días Envejecimiento en horno de corriente de aire forzada a 140ºF (60ºC) por 1, 7, 28 y 90 días Envejecimiento por luz ultravioleta a 140ºF (60ºC) por 1, 7, 28 y 90 días Envejecimiento bajo condiciones naturales por 1, 2 y 3 años Test de envejecimiento acelerado de película delgada
Método de Evaluación Microviscosidad a 77ºF (25ºC) Penetración a 77ºF (25ºC) Microviscosidad a 77ºF (25ºC) Determinación de asfaltenos Análisis químico Módulo resiliente Test de fluencia a 70ºF ± 3º (21ºC ± 2º) - condiciones de carga repetidas - luego 5 psi por 5 min Pendiente e intercepto de curva de fluencia usada indica oxidación progresiva Razón de pendiente o intercepto a X días de la pendiente inicial = Índice de durabilidad Penetración 77ºF (25ºC) Ductilidad 77ºF (25ºC) Módulo resiliente (M R ) Microviscosidad a 77ºF (25ºC) Viscosidad capilar a 140ºF (60ºC) Viscosidad a 60ºC y 135ºC Penetración a 4ºC y 25ºC Ductilidad a 25ºC Penetración 77ºF (25ºC) Viscosidad Cinemática 275ºF (135ºC) Módulo resiliente Vida EAL (Carga Eje Equivalente) Viscosidad a 113ºF (45ºC) en microviscosímetro de platos deslizantes a una tasa de corte de 0,05 s-1 Nivel de oxidación - espectro infrarrojo Constituyentes de alto peso molecular Microviscosidad a 77ºF (25ºC) Contracción de vigas de mezclas Viscosidad capilar a 140 y 275ºF (60 y 135ºC) Tests Fraass y penetración Módulo resiliente y fatiga Análisis Corbett-Swarbrick Módulo resiliente Deformación de tensión indirecta Fluencia
Módulo resiliente Esfuerzo en tensión indirecta Propiedades de asfalto recuperado incluyendo viscosidad a 140ºF (60ºC) penetración a 77ºF (25ºC) Reómetro Schweyer a 77 y 59ºF (25 y 15ºC) Análisis de espectro infrarrojo Análisis Corbett-Swarbrick Pérdida de peso debido a la volatización Contenido de cetona Viscosidad
Tabla 4.2: Envejecimiento Acelerado de Laboratorio y Métodos de Evaluación (Cont.).
66
4.4.1 Procedimientos de Envejecimiento en Laboratorio. La siguiente información está primordialmente basada en una detallada revisión bibliográfica presente en el documento “Summary Report on AGING OF ASPHALT-AGGREGATE SYSTEMS”, SHRP-A-305 Report, referencia [S30589] de este trabajo.
La Tabla 4.2 muestra que los primeros trabajos en procedimientos de envejecimiento en laboratorio enfatizan estudios de asfalto y, en particular, el calentamiento extenso ( extended heating). Muchos de éstos fueron hechos por y para la Bureau of Public Roads (BPR). Muchos
de estos estudios y otros relacionados con la durabilidad del asfalto fueron resumidos por Welbom (1979).
4.4.1.1
Procedimientos de Calentamiento Extenso ( Extended Heating Procedures).
a) Horno de Película Delgada (Thin Film Oven Test, TFOT )1. Fue introducido por Lewis & Welbom en 1940 y posteriormente por Lewis & Halstead en 1946. Una muestra de 50 ml de asfalto es calentada en una película de 1/8 in. (3,2 mm, i.e. 3200 micrones) en un contenedor plano de 5,5 in. (140 mm) de diámetro por 5 horas a 325°F (163°C). Este ensayo fue adoptado por AASHTO en 1959, y por ASTM en 1969. En Chile este procedimiento está incorporado y corresponde al Método 8.302.32-MCV8 (LNV 32). El residuo del test es ensayado en penetración, ductilidad y punto de ablandamiento. Welbom (1979) hace notar que el ensayo es primeramente usado para predecir cambios relativos que ocurren en el asfalto durante la mezcla en caliente en planta. Sin embargo, la difusión en la película es limitada y no es posible obtener un endurecimiento homogéneo, ya que se producen películas oxidadas que protegen el resto de la muestra, alejándose de la realidad [NUÑE94]. Varios investigadores han hecho modificaciones al TFOT, como será descrito más abajo. Un menor cambio fue hecho por Edler et al. (1988), quien redujo el espesor de la película a 0,004 in. (100 micrones) e incrementó la exposición a 24 hrs.
1
Incorporado en Chile en 8.302.32-MCV8 Asfaltos: Método de Ensaye de Película Delgada (LNV 32).
67
b) Test de Micropelícula Shell (Shell Microfilm Test ). Griffin, Miles y Penther (1955) reportaron este ensayo para una película de asfalto de 0,0002 in. (5 micrones) envejecida por 2 horas en platos de vidrio. El parámetro “Índice de Envejecimiento” (fórmula 4.4) fue usado para evaluar los asfaltos, pero no se encontró mayor correlación entre datos de laboratorio y de terreno. Hveem, Zube and Skog (1963) propusieron una modificación a este procedimiento, incrementando el espesor de la película de asfalto a 0,0008 in. (20 micrones) y el tiempo de exposición a 24 hrs. Ellos demostraron indirectamente una relación entre el endurecimiento de laboratorio y el de terreno. Traxler (1961), y Halstead y Zenewitz (1961) también presentaron leves modificaciones al test de micropelícula como se muestra en la Tabla 4.2.
c) Horno Rotatorio de Película Delgada ( Rolling Thin Film Oven Test, RTFOT ) 1. El RTFOT fue desarrollado por la División de Carreteras de California en un esfuerzo por envejecer asfalto en películas más delgadas que 1/8 in. usadas en el TFOT. Hveem, Zube y Skog (1963) reportaron el procedimiento. Ocho botellas que contienen muestras de 35 gramos son rotadas en un horno a 325°F (163°C) por 75 minutos. Esto causa una película de 0,05 in. (1,25 mm o 1250 micrones) que fluye dentro de la botella de vidrio. Al rotar los vasos continuamente, permite exponer películas frescas de material asfáltico. En cada rotación, el orificio de los vasos pasa frente a un flujo de aire caliente. De esta forma se asegura que todo el material se exponga al calor y al aire, además de no producirse películas oxidadas que protejan al resto de la muestra. Las condiciones en el ensayo no son idénticas a las encontradas en la práctica, pero la experiencia indica que los niveles de envejecimiento en el RTFOT se correlacionan razonablemente bien con lo observado en una planta convencional. Sin embargo, para algunos autores en este tipo de ensayos (película delgada) el efecto de volatización, oxidación y polimerización es más pronunciado y acelerado [THEN89].
1
Incorporado en Chile en 8.302.33-MCV8 Asfaltos: Método de Ensaye de Película Delgada Rotatoria
(LNV 33).
68
Este test fue adoptado por ASTM en 1970 y es usado por muchos estados de la costa del Pacífico como ensayo de rutina. En Chile este procedimiento está incorporado y corresponde al Método 8.302.33-MCV8 (LNV 33). Varios investigadores han hecho leves modificaciones al RTFOT, por ejemplo, Edler et al. (1985) usaron un período de tiempo de 8 hrs. Modificaciones más importantes son presentadas más abajo.
d) Horno Rotatorio de Micropelícula ( Rolling Microfilm Oven Test, RMFO). Schmidt y Santucci (1969) modificaron el procedimiento del RTFOT al disolver el asfalto en benceno, cubriendo el interior de la botella, permitiendo luego que el benceno se evapore y deje una película de asfalto de 20 micrones. Este procedimiento es necesario para crear una película de este espesor (0,008 in.). El asfalto es luego rotado a 210°F (99°C) por 24 hrs. Una desventaja de este test es la pequeña cantidad de asfalto obtenida de cada botella (0,5 gramos).
e) Ensayo de Durabilidad en Horno Inclinado ( Tilt- Oven Durability Test, TODT ). Kemp y Predoehl (1981) adaptaron el RTFOT inclinando el horno en 1,06° (más alto en el frente). La inclinación impide la migración del asfalto desde las botellas rotatorias. Se ensaya un tiempo de 168 horas a 235°F (113°C). Penetración, viscosidad, y ductilidad se ensayan a los residuos.
f) Test de Envejecimiento Acelerado de Película Delgada ( Thin Film Accelerated Aging
Test, TFAAT ). Petersen (1989a) y sus colaboradores desarrollaron una modificación del RMFO para proveer una muestra de 4g de asfalto; una medida más práctica para posteriores experimentaciones. Una temperatura de 235°F (113°C) fue usada por 72 hrs. Fue desarrollado para complementar un procedimiento de oxidación de columna desarrollado por Davis y Petersen (1966) en el cual el asfalto es puesto sobre partículas de Teflón en películas de espesores de alrededor de 15 micrones y por medio de la oxidación envejecerlo en una columna de gas cromatográfico a 266°F (130°C) por 24 hrs haciendo pasar aire a través de la columna. 69
Como complemento para el desarrollo del test, Petersen (1989a) hace notar que muchos asfaltos exhiben un exceso de pérdida de volátiles en el TFOT y RTFOT en comparación con la típica pérdida durante el envejecimiento de largo-plazo a menores temperaturas en el terreno. Él nota que Corbett y Merz (1975), en un análisis de asfaltos usados en la “Michigan Test Road” prácticamente no observaron cambios en la fracción saturada de asfalto (la cual contiene los componentes potencialmente volátiles del asfalto) después de 18 años de servicio. También advirtió que en consideración al TFOT y RTFOT, “el nivel de envejecimiento y endurecimiento por oxidación en los tests es mucho menor a lo que ocurre durante el envejecimiento de terreno, reflejando sólo el envejecimiento que ocurre durante la mezcla en caliente en planta”. Con este trasfondo en mente, el TFAAT fue desarrollado para producir un nivel representativo de volatización y oxidación. Petersen (1989a) presenta datos comparando el Índice de Envejecimiento (fórmula 4.4) de asfaltos envejecidos usando el TFAAT y TFOT (Tabla 4.3). También presenta datos de TFAAT para varios asfaltos (Tabla 4.4) y datos de asfaltos envejecidos en terreno (Tabla 4.5). La Tabla 4.3 muestra que, para el asfalto evaluado, el TFAAT es mucho más severo que el TFOT. Una comparación de índices de envejecimiento en la Tabla 4.4, que representa datos de TFAAT, y la Tabla 4.5, que representa datos de terreno, muestra que el TFAAT causa un nivel similar de envejecimiento que el que ocurre en terreno. Petersen advirtió que hay una diferencia en la “cinemática” de la oxidación de terreno y la producida en el TFAAT. Él ilustró este punto con datos dados por Zube y Skog (1969) para el Tramo de prueba de Zaca-Wigmore 1 (Figura 4.4) los cuales muestran que la oxidación de terreno y el incremento de la viscosidad decrecen con el tiempo en el terreno, en cambio no lo hacen en el TFAAT. Esto está relacionado con la diferencia de temperatura entre las 2 condiciones y sus efectos en la estructura molecular y el endurecimiento espacial o tixotrópico (endurecimiento estérico). Petersen da a entender que estos 2 fenómenos reducen significativamente la razón de endurecimiento después de los primeros 2 o 3 años de servicio.
1
Tramo de Prueba de Zaca-Wigmore. Ver Sección 4.4.2, página 79.
70
Método de Envejecimiento Original TFOT TFAAT
Índice de Envejecimiento* 1,0 3,0 214,0
Log Índice de Envejecimiento 0 0,48 2,33
(*)Razón de Viscosidades a 60[ºC] (Nota: Asfalto usado, fuente BOSCAN AC-10 B-3051)
Tabla 0.3: Nivel de Envejecimiento usando diferentes métodos.
Fuente del Asfalto California Valley Midcontinent Michigan North Slope-Maya Blend California Coastal Boscan West Texas-Maya Blend
Grado Índice de Envejecimiento* Log Índice de Envejecimiento AC-10 10 1,00 AC-10 32 1,51 AC-10 74 1,87 AC-10 90 1,95 AC-10 134 2,13 AC-10 214 2,33 AC-10 338 2,53
(*)Razón de Viscosidades a 60[ºC]
Tabla 0.4: Índice de Envejecimiento de Asfaltos AC-10 de diferentes fuentes usando TFAAT.
Promedio* de Viscosidad Original 60[ºC], [Poise] 1,9×103 1,9×103 1,9×103 1,9×103 1,9×103
Promedio de Viscosidad
Promedio de
de Asfalto Recuperado** Contenido de 60[ºC], [Poise]
vacíos**, [%]
8,0×103 3,1×104 8,0×104 1,6×105 3,1×105
2 4 6 8 10
Índice de
Log Índice de
Envejecimiento
Envejecimiento
4,2 16 42 84 163
0,62 1,20 1,62 1,92 2,21
(*)Promedio para 18 asfaltos originales. (**)Valores obtenidos de correlación entre Viscosidad v/s Contenido de vacíos para 53 proyectos.
Tabla 0.5: Relación entre contenido de vacíos y viscosidad de asfaltos después de 11-13 años de servicio.
71
C º 5 2 , e s i o p , d a d i s o c s i V a l e d o m t i r a g o L
As fal to A As fal to H As fal to J
Edad del Pavimento, meses Figura 0.4: Cambios en la viscosidad durante vida de servicio de tres asfaltos de Zaca-Wigmore.
4.4.1.2
Procedimientos de Oxidación.
a) Aire Soplado ( Air Blowing). Nicholson (1937) utilizó aire soplado a 425°F (229°C) en una razón de 1/3 ft 3/min (0,0091 m3/min) durante 15 min. Como se puede observar en la Tabla 4.2, la penetración y ductilidad fueron medidas antes y después de envejecer, y los asfaltos que retuvieron mayores valores fueron juzgados superiores. Otra aproximación fue envejecer asfaltos de penetración entre 20 y 25 y aquellos que retuvieron mayores valores de ductilidad fueron juzgados como mejores. Raschig y Doyle (1937) utilizaron este método en asfaltos a 400°F (204°C) en la misma proporción de Nicholson, y determinaron el cambio en penetración.
72
b) Oxidación por Presión ( Pressure Oxidation ). D.Y. Lee en 1966 inició un estudio de 5 años para el “Iowa State Highway Comisión” titulado, “Desarrollo de Test de Laboratorio de Durabilidad para Asfaltos”. En 1968 reconoció la necesidad de desarrollar un test de simulación de 2 etapas: -
endurecimiento durante el mezclado
-
endurecimiento durante la vida de servicio
Lee adoptó el TFOT sin modificar para simular la 1ª etapa y oxidación por presión para la 2ª etapa. Posteriormente Lee en 1973 mostró los mayores descubrimientos del estudio de Iowa y presentó el siguiente procedimiento para el “Iowa Durability Test” (IDT): 1) Uso del TFOT en el asfalto original. 2) Aplicación de un tratamiento de oxidación por presión al residuo del TFOT (espesor de película 1/8 in.) por sobre 1000 hrs a 150°F (65°C) y presión de 20 atm (300 psi) de oxígeno. 3) Evaluación de cambios físicos y químicos en el asfalto durante el proceso de envejecimiento en relación con las propiedades originales. Lee encontró que el desarrollo del envejecimiento sigue un modelo hiperbólico como el sugerido por Brown et al. (1957), (ya visto en la ecuación 4.1). Las Figuras 4.5 y 4.6 muestran datos de ejemplo de su estudio para valores de penetración y viscosidad a 25ºC, en las cuales se pueden observar altas correlaciones entre las curvas desarrolladas con este modelo y los datos observados de los tests de laboratorio y terreno. Sólo en el caso de los datos de ductilidad, este modelo fue inadecuado. Las Correlaciones entre datos de terreno y laboratorio también resultan en relaciones hiperbólicas, implicando una razón diferente de envejecimiento en el terreno, como lo sugerido por Petersen (1989a), siendo más severo el envejecimiento de laboratorio (menores penetraciones y mayores ductilidades). Finalmente, Lee encontró que 46 horas de envejecimiento con el IDT es equivalente a 60 meses de envejecimiento de terreno para las condiciones de Iowa (Figura 4.7).
73
ENVEJECIMIENTO DE LABORATORIO (d), horas
CEMENTO ASFÁLTICO Nº1
N Ó I C A R T E N E P
Envejecimiento en Laboratorio Envejecimiento de Terreno (bajo las ruedas) Envejecimiento de Terreno (entre las
CEMENTO ASFÁLTICO Nº2
N Ó I C A R T E N E P
Envejecimiento en Laboratorio Envejecimiento de Terreno (bajo las ruedas) Envejecimiento de Terreno (entre las
ENVEJECIMIENTO DE TERRENO (f), meses
Figura 0.5: Penetración versus Tiempo de Envejecimiento (Lee, 1973).
74
TIEMPO, horas
s e s i o p , C º 5 2 A D A D I S O C S I V
CEMENTO ASFÁLTICO Nº1 Envejecimiento en Laboratorio Envejecimiento de Terreno (bajo las ruedas) Envejecimiento de Terreno (entre las ruedas) CURVA PREDICTIVA
TIEMPO, meses Figura 0.6: Viscosidad a 25ºC versus Tiempo de Envejecimiento (Lee, 1973).
75
s a r o h , ) L T ( , O I R O T A R O B A L E D O T N E I M I C E J E V N E
CEMENTOS ASFÁLTICOS Nos 3 Y 4
ENVEJECIMIENTO DE TERRENO, (Tf ), meses Figura 0.7: Curvas de Correlación entre los Tiempos de Envejecimiento (Lee, 1973).
76
Edler et al. (1985) utilizaron una aproximación similar a Lee (1973) en un estudio para evaluar procedimientos para retardar el endurecimiento por oxidación de superficies asfálticas en SudÁfrica. Utilizaron un procedimiento de 2 etapas, primero con RTFOT extendido (ERTFOT) por 8 horas, seguido de Oxidación por Presión a 300 psi y 149°F (65°C) por 96 horas. La evaluación de la magnitud del envejecimiento del asfalto fue por el microviscosímetro de platos paralelos con una tasa de corte de 0,05 s -1 a 113°F (45°C). Las medidas de absorción de oxígeno también fueron hechas, y la composición del peso molecular de los asfaltos original y envejecido fue determinada por impregnación de gel cromatográfico.
4.4.1.3
Tratamientos con Luz Ultravioleta e Infrarroja.
Vallerga et al. (1957) reportaron un estudio para envejecer películas de asfalto en el receptáculo del TFOT usando luz ultravioleta (UV) y luz infrarroja (IR). El tratamiento con luz ultravioleta resultó ser más efectivo en términos de los cambios en la penetración, el punto de ablandamiento y la ductilidad de los asfaltos tratados. En 1963 Traxler presentó datos que muestran el efecto de la luz “actínica” sobre el asfalto y lo llamó reacción fotoquímica. Sus datos mostraban claramente que se produce un importante efecto sobre películas delgadas de asfalto (3 micrones), pero este efecto se reduce notablemente con películas más gruesas. Edler et al. (1985) usaron el “climatómetro” ( weatherometer ) (ASTM, 1979) para envejecer películas de asfalto de 0,004 in. (100 micrones) de espesor. Usaron una temperatura de 149°F (65°C) y un ciclo de 102 minutos de UV, seguido por 18 minutos de UV y vapor de agua (300 psi). Las muestras fueron envejecidas para un total de 32,5 horas, 73,5 horas, 7 días, y 14 días. El efecto del “climatómetro” sobre la viscosidad se muestra en la Tabla 4.6, la cual muestra también que los niveles de oxidación y los cambios en los constituyentes de alto peso molecular fueron comparables con los otros procedimientos de envejecimiento usados por estos investigadores.
77
Viscosidad Limo Penetración Agregado Asfalto (%)
60/70 80/100
0 6 12 0 6 12
Residuo Climatómetro Original 4,37×103 6,40×103 1,18×104 1,91×103 3,40×103 5,73×103
Horas Días 32,5 73,5 7 14 5 5 1,35×10 6,43×10 IDE* IDE 1,25×105 6,58×105 IDE IDE 2,24×105 9,19×105 IDE IDE 5,54×104 3,08×105 IDE IDE 8,40×104 2,75×105 IDE IDE 9,08×104 3,31×105 IDE IDE
Índice de Envejecimiento Envejecido Original
Horas 32,5 73,5 30,9 147,1 19,5 102,8 19,0 77,9 29,0 161,3 24,7 80,9 15,8 57,8
(Nota: *IDE – Imposible de ensayar; residuo muy duro)
Tabla 0.6: Efecto del “climatómetro” (weatherometer) en la Viscosidad (Edler et al., 1985).
4.4.1.4
Endurecimiento Estérico (Tixotrópico).
Traxler (1963) identificó el ordenamiento molecular (estructuración molecular) por tixotropía como uno de sus 15 efectos (ver Tabla 4.1). El resultado de este efecto es el “endurecimiento estérico”. Él indica que este efecto es, en su mayor parte, reversible ya sea por aplicación de calor o por trabajo mecánico, pero una porción es permanente y depende de la composición del asfalto. Brown et al. (1957) presentan algunos datos de un estudio que demuestra que el endurecimiento estérico (o tixotrópico) ocurre en mayor medida en asfaltos que se han enfriado más lentamente. El efecto fue demostrado por simple realización de tests de tensión en muestras de asfalto. Petersen (en 1984 y 1989a) también enfatizó el rol del endurecimiento estérico, pero hasta ahora no ha sido desarrollado un ensayo que cuantifique su efecto.
4.4.2 Estudios de Relación entre Ensayos de Envejecimiento en Laboratorio y Performance de Terreno. La siguiente información está primordialmente basada en una detallada revisión bibliográfica presente en el documento “Summary Report on AGING OF ASPHALT-AGGREGATE SYSTEMS”, SHRP-A-305 Report, referencia [S30589] de este trabajo.
78
La mayoría de las investigaciones han considerado el envejecimiento del cemento asfáltico más que el envejecimiento de la mezcla asfalto-agregado. En la sección 4.4.1, dedicada a los procedimientos de envejecimiento en laboratorio, de la información presentada muy poca incluye datos de terreno. Sin embargo, existen notables excepciones, entre las cuales destacan los estudios de Lee (1973) quien presentó datos de terreno, como los observados en las Figuras 4.5, 4.6 y 4.7. También, Petersen (1989a) comparó índices de envejecimiento obtenidos en TFAAT con los datos de terreno reportados por Vallerga y Halstead (1971). En cada uno de estos estudios, el asfalto fue recuperado desde el terreno, se obtuvieron datos de consistencia y se compararon con las propiedades del asfalto envejecido en laboratorio. A continuación se hará una breve revisión de las conclusiones y resultados más importantes de varios estudios de “tramos de prueba” ( test roads), donde los proyectos controlados entregaron excelentes datos. Sin embargo, hay muchos casos donde los datos obtenidos no permitieron sacar conclusiones significativas.
4.4.2.1
Estudios en California.
a) Tramo de Prueba de Zaca-Wigmore Dos tramos de prueba fueron construidos en 1954 y 1955 en Zaca-Wigmore, con 10 secciones de prueba usando diferentes asfaltos. Muchos investigadores han evaluado los resultados obtenidos. Zube y Skog (1969) publicaron un reporte final del tramo de prueba, incluyendo lo siguiente: 1)
Se encontró una excelente correlación para el endurecimiento del asfalto durante el mezclado en planta y el TFOT.
2)
La tasa de endurecimiento bajo condiciones climáticas equivalentes para los pavimentos fue influenciada por la fuente de origen del asfalto (tipo de asfalto). El endurecimiento puede ser atribuido principalmente al contenido inicial de vacíos y a la razón de cambio del contenido de vacíos durante la vida del pavimento.
3)
La cantidad de grietas de fatiga aparecidas estaba relacionada con la consistencia del asfalto recuperado, medida por penetración y viscosidad. Otras grietas aparecieron
79
relacionadas con el aumento de la susceptibilidad al corte del asfalto durante la vida de servicio, indicado por la pérdida de ductilidad.
b) Otros Estudios en California Después del tramo de prueba de Zaca-Wigmore, otras secciones de prueba fueron instaladas en los años 60. Kemp (1973) describió la relación entre los tests de durabilidad de laboratorio y el envejecimiento de terreno medido por viscosidad (25ºC) del asfalto recuperado. Kemp y Predoehl (1981) indicaron que los tests no dan datos consistentes debido a que hay muchas variables que no se controlan; ellos condujeron un estudio que intentó incorporar más variables, y cuyas principales conclusiones fueron las siguientes: 1) Altas temperaturas promedio (oxidación térmica) es el factor más significante que afecta la tasa y cantidad de endurecimiento del asfalto en climas cálidos. 2) El contenido de vacíos es un factor que incide y su efecto es similar en todos los tipos de asfalto. 3) La absorción del agregado también es un factor que influye y es más importante con asfaltos volátiles. 4) El test de durabilidad en horno inclinado puede ser usado para predecir el endurecimiento del asfalto en climas cálidos. 5) Los siguientes factores mejorarán la durabilidad: a) Compactar según especificación para reducir los vacíos de aire. b) Evitar el uso de agregados porosos. c) Uso de asfaltos más blandos con estabilidad restringida. d) Aislar la superficie del asfalto con un sello de agregados en áreas cálidas.
4.4.2.2
Tramo de Prueba de Michigan.
El Departamento de Carreteras del Estado de Michigan completó la construcción de un tramo de prueba en 1954. Se usaron 6 asfaltos diferentes en 6 secciones de prueba. Welborn (1979) resumió las más importantes conclusiones de varios investigadores que estudiaron este tramo de prueba durante 25 años. En un estudio de Corbett y Merz (1975), la conclusión más importante
80
fue que, considerando la edad del pavimento y el nivel de endurecimiento del asfalto, no pudo hacerse una distinción entre los asfaltos que se habían utilizado. VIS. @ 60ºC (140ºF) PEN. @ 25ºC (77ºF) DUCT. @ 25ºC (77ºF)
AÑOS
Figura 0.8: Envejecimiento y Cambios de Consistencia (Corbett y Schweyer).
Corbett y Schweyer (1981) usaron datos de este tramo de prueba para ilustrar algunos conceptos relativos a la composición y efectos reológicos en el envejecimiento del asfalto. Ellos presentan la Figura 4.8, la cual se basa en los datos promedio del tramo de prueba, y recalcan los siguientes puntos: 1) Hay un incremento de 2 a 4 veces en la viscosidad y una disminución del 30% en la penetración para un tiempo de un año de edad del pavimento. 2) Seguidamente, la viscosidad se incrementa en un nivel más lento y alcanza típicamente cerca de 20.000 poises a 140°F (60°C) después de 25 años de servicio, basado en un asfalto original AC-20. 3) La ductilidad a 77°F (25°C) es, en parte, un test de flujo que cae o baja rápidamente con la vida del pavimento. 81
Goodrich (1985) resumió los datos obtenidos del tramo de prueba de Michigan y otros tramos de prueba. Lo interesante es que encuentra que la evaluación de la performance del tramo de prueba de Michigan correlaciona mejor con: 1) Porcentaje de ductilidad retenida 2) Punto de ablandamiento del asfalto original 3) Índice de Envejecimiento (viscosidad 18 años a 60°C / viscosidad original a 60°C) 4) Porcentaje de asfaltenos 5) Porcentaje de vacíos de aire después de 52 meses de vida de servicio. El análisis presentado por Goodrich (1985) no clarifica si el porcentaje de asfaltenos es medido sobre el asfalto original o sobre el asfalto extraído del tramo de prueba.
4.4.2.3
Tramo de Prueba de Pennsylvania.
Kandhal y Koehler (1984) reportaron los mayores descubrimientos de tramos de prueba construidos en 1961, 1962, 1964, y 1976. Varias secciones de prueba fueron construidas y su performance monitoreada. Un muy exhaustivo set de ensayos fue completado sobre el asfalto original y el asfalto recuperado. Estos autores obtuvieron curvas para el incremento de la viscosidad (medida a 25 y 60ºC) en el tiempo para el asfalto recuperado. Resultaron ser curvas hiperbólicas, similares a las observadas por Lee en 1973; sin embargo, notaron que la ductilidad a baja temperatura es un factor importante, ya que pavimentos con contenidos de asfalto de baja ductilidad muestran gran tendencia al agrietamiento.
4.4.2.4
Estudio de Iowa.
Como se indicó anteriormente, un significativo estudio fue conducido por Lee en 1973 relativo a las propiedades de asfaltos envejecidos en laboratorio para aquellos recuperados de 9 secciones de prueba, en Iowa. Fueron desarrollados modelos hiperbólicos para datos de terreno, como los ilustrados en las Figuras 4.5, 4.6 y 4.7. 82
CAPÍTULO 5: ENVEJECIMIENTO CONTEXTO SUPERPAVE.
El presente Capítulo abarcará una revisión de las investigaciones realizadas por el Strategic Highways Research Program (SHRP) para dar un marco del conocimiento generado o
recopilado por ese proyecto con respecto al envejecimiento del cemento asfáltico, fenómeno central estudiado por esta Memoria. Para contextualizar este objetivo, se dividirá este Capítulo en 4 Secciones principales: primero, se hará una introducción a SUPERPAVE con respecto a los modelos desarrollados para la caracterización química y física del ligante; segundo, se entregarán los conceptos generales acerca del fenómeno de endurecimiento físico a bajas temperaturas, tipo de envejecimiento identificado para asfaltos recién en SHRP; tercero, se tocarán aspectos químicos del fenómeno de envejecimiento; y cuarto, se revisará el desarrollo del procedimiento para la simulación del envejecimiento de Largo Plazo de los cementos asfálticos, que culminó con la especificación y diseño del Método de la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV), dispositivo utilizado en este trabajo de Memoria.
5.1
INTRODUCCIÓN A SUPERPAVE.
El Proyecto SHRP (Strategic Highways Research Program) – Programa Estratégico de Investigación de Carreteras – fue establecido por el Congreso de Estados Unidos y nace como
respuesta a la percepción que tenía la industria caminera americana, en relación con la calidad del asfalto utilizado en la construcción de sus pavimentos, la cual estaba llegando a niveles inaceptables. Dicha percepción era avalada por las fallas prematuras que se estaban presentando en numerosas carreteras del país. Es así, como desde Octubre de 1987 hasta marzo de 1993 se invirtieron más de 150 millones de dólares en investigación, con el objeto de establecer nuevas especificaciones, ensayos y normas de diseño para materiales asfálticos, basándose directamente en su comportamiento en terreno. El producto final del Programa de investigación sobre asfaltos de SHRP es el sistema conocido como SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavements) – Pavimentos Asfálticos de Comportamiento Superior .
83
SUPERPAVE es un sistema que incluye nuevas especificaciones, ensayos, equipos y normas de diseño para materiales asfálticos (asfalto y agregado), basados directamente en su comportamiento en terreno. Comprende además, un nuevo método de diseño de mezclas asfálticas en caliente y un modelo de predicción del comportamiento de pavimentos asfálticos. En el caso particular de ligantes asfálticos, se establece un conjunto de nuevas especificaciones basadas en el comportamiento futuro esperado de los mismos. Ello implica que los valores que caracterizan sus propiedades físicas están ligados a las condiciones climáticas y de tránsito que se espera solicitarán al mismo durante su vida en servicio. Las características físicas fundamentales de los ligantes asfálticos son medidas a través de ensayos específicos, para los cuales SHRP desarrolló métodos y equipos de ensayo especiales, que no son los convencionales empleados en la actualidad para la caracterización de estos materiales, los cuales lentamente se han ido incorporando en nuestro país, primeramente a nivel académico. Uno de los objetivos primordiales de las especificaciones SUPERPAVE para ligantes asfálticos fue verificar el comportamiento del ligante frente a los diferentes modos de falla en los pavimentos. Inicialmente se identificó un gran número de modos de falla, los cuales, luego de una minuciosa selección se redujeron solamente a tres: la deformación permanente (ahuellamiento), el agrietamiento térmico y el agrietamiento por fatiga. Durante el desarrollo de este proyecto se hicieron numerosas investigaciones destinadas a comprender las propiedades químicas y físicas del asfalto. El énfasis en los estudios químicos estuvo dirigido a medir y entender las numerosas interacciones entre los constituyentes moleculares del asfalto, que contribuyen a que éstos actúen como moléculas de alto peso molecular, las cuales son responsables del comportamiento reológico del ligante. En los estudios de las propiedades físicas, el énfasis estuvo en la caracterización del comportamiento viscoelástico en función de la temperatura y el tiempo de carga. Así, SHRP adoptó un Modelo Continuo Microestructural (constitución molecular – enfoque químico) y un Modelo Reológico (describe y caracteriza completamente las propiedades viscoelásticas del asfalto en función de la temperatura y el tiempo de carga – enfoque físico) [MIÑO03]. El Modelo Continuo Microestructural de SHRP ya fue visto en la Sección 2.2.2.2 de esta Memoria; a continuación se presentará los aspectos generales del Modelo Reológico desarrollado.
84
5.1.1 Modelo Reológico. Durante el proyecto SHRP se analizaron ocho tipos distintos de asfaltos: AAA-1, AAB-1, AAC1, AAD-1, AAF-1, AAG-1, AAK-1 y AAM-1, llamados los “ core asphalts”, base para desarrollar el modelo reológico. Este modelo supone que el asfalto alcanza un valor único de rigidez a muy bajas temperaturas y tiene un comportamiento newtoniano a altas temperaturas. Con estos límites, la rigidez a temperaturas intermedias se puede definir en términos de la forma de la curva de rigidez y su ubicación con respecto a estas variables [S36994]. El modelo resultante requiere tres parámetros:
Un parámetro de ubicación, que indique la dureza del asfalto.
Un parámetro de forma, que indique la dependencia con el tiempo del asfalto.
Un parámetro que indique la dependencia de la temperatura del asfalto.
La intención inicial fue usar este modelo como herramienta de especificación para diseñar los asfaltos con parámetros derivados usando mediciones a sólo dos temperaturas. Sin embargo, el programa SHRP desarrolló una especificación para asfaltos abandonando este modelo reológico como herramienta; adoptó una filosofía en que los valores de diseño son definidos a temperaturas que los relacionan específicamente con cada grado asfáltico [MIÑO03]. Pese a lo anterior, los parámetros del modelo reológico son importantes para entender el comportamiento de los cementos asfálticos y relacionar las propiedades físicas con las químicas. Este modelo también es importante para comprender el modelo reológico correspondiente a las mezclas asfálticas, el que es empleado en el método de diseño de la Guía del Proyecto NCHRP 1–37A. Se escogió el reómetro de corte dinámico como uno de los principales instrumentos para caracterizar los asfaltos. Este reómetro utiliza la geometría de los platos paralelos, y se usa para medir la rigidez de los asfaltos en el rango de temperaturas donde el módulo dinámico varía desde aproximadamente 10 MPa hasta 1 kPa. Los ensayos de la especificación SHRP se realizan en el rango lineal de los asfaltos [S36994]. Mediante la combinación de los datos del reómetro de corte dinámico y los de la viga a flexión, los investigadores encontraron que los asfaltos se comportan de forma termoreológica simple, demostrando la validez de la superposición tiempo-temperatura. Esta superposición se usa para 85
construir las curvas maestras, otorgando a los asfaltos la posibilidad de ser descritos sobre un amplio rango de tiempos de carga y temperaturas [S36994]. Se escogió el reómetro de corte dinámico para medir la rigidez de los asfaltos a temperaturas de los pavimentos de intermedias a altas, y el reómetro de flexión para temperaturas bajas. Juntos son capaces de medir la rigidez y las propiedades reológicas de los asfaltos en el rango de temperaturas y tiempos de carga requeridos por las nuevas especificaciones de SHRP, para relacionar las propiedades térmicas y físicas.
5.1.1.1
Reómetro de Corte Dinámico (DSR).
Dado que el comportamiento del asfalto depende tanto del tiempo de carga como de la temperatura, el ensayo ideal para ligantes asfálticos debe evaluar ambos factores. Afortunadamente, el equipo de ensayo adecuado para esta tarea existía antes de SHRP, y ha sido usado por años en la industria plástica. Estos equipos se conocen generalmente como reómetros dinámicos, reómetros de corte dinámico o reómetros de corte oscilatorio. Al adaptar estos equipos para el uso con asfaltos, pueden ser evaluados los efectos del tiempo y la temperatura. Cuando se emplean en la evaluación de ligantes asfálticos, los reómetros de corte dinámico (DSR) miden las propiedades reológicas (módulo de corte complejo y ángulo de fase) a temperaturas altas e intermedias [MIÑO03]. El principio de operación del DSR utiliza la geometría de los platos paralelos, en la cual una muestra de asfalto se coloca entre los platos; uno de ellos está fijo y el otro oscila con un patrón sinusoidal, provocando ciclos que se repiten continuamente durante la operación del DSR (Figura 5.1). Existen dos formas de operar un reómetro de corte dinámico: en tensión controlada y en deformación controlada. El reómetro de deformación controlada (usado durante el proyecto SHRP), opera aplicando una deformación sinusoidal y mide la magnitud y la fase de la tensión resultante. El reómetro de tensión controlada aplica una tensión sinusoidal y mide la magnitud y la fase de la deformación resultante. Sin embargo, la información de ambos tipos de DSR es equivalente. Los ensayos SUPERPAVE de ligantes en el DSR se realizan a una frecuencia de 10 [rad/s] – 1,59 Hertz – y corresponde aproximadamente a una velocidad de 90 [Km/hr].
86
Esfuerzo o deformación aplicada Plato oscilante
Asfalto
Plato fijo
Figura 0.1: Platos de reómetro de corte dinámico.
s o t l o A s a o g c a s r i c e V d o t s n o e p m i e t m i a y t r s o a r p t u m a e o r C p m e T
G*1
G* incluye ambos comportamientos (elástico y viscoso)
G*2
δ1
δ da la relación entre la respuesta elástica y viscosa
δ2
Comportamiento Elástico Temperaturas y tiempos de carga Bajos
Figura 0.2: Módulo Complejo y Ángulo de Fase.
El DSR se emplea para caracterizar el comportamiento viscoelástico de ligantes asfálticos, mediante la medición del módulo de corte complejo (G *) y el ángulo de fase ( δ), para un amplio espectro de frecuencias, desde 0,1 hasta 100 [rad/s] y para un extenso rango de temperaturas, que va desde los -35 ºC hasta los 45 ºC. G * es una medida de la resistencia total a la deformación de un material cuando se somete repetitivamente a corte. Este posee dos componentes: elástica (recuperable) y viscosa (no recuperable); δ es un indicador de la cantidad relativa de deformación recuperable y no recuperable. Los valores de G * y δ en los asfaltos dependen en gran medida de la temperatura y la frecuencia de carga. A altas temperaturas, los asfaltos se comportan como fluidos viscosos sin la capacidad de recuperar su forma original. En este caso, el comportamiento del asfalto podría ser representado por el eje vertical en la Figura 5.2 (componente viscosa solamente), no habiendo componente elástica de G *, dado que δ = 90º. Por otro lado, a temperaturas muy bajas, los asfaltos se comportan como sólidos elásticos los cuales recuperan su deformación completamente. Este comportamiento se ve representado por el eje horizontal en la Figura 5.2 (componente elástica solamente). En este caso G * no posee componente viscosa, dado que δ = 0º. Bajo condiciones normales de cargas de tráfico y temperaturas intermedias, el ligante asfáltico se comporta simultáneamente como fluido viscoso y sólido elástico. Mediante la medición de G * y δ, el DSR entrega una descripción completa del comportamiento del asfalto a las temperaturas de servicio del pavimento. Los vectores G *1 y G*2 en la Figura 5.2, representan el módulo complejo de los asfaltos 1 y 2. Cuando estos asfaltos están sometidos a carga, parte de su
87
deformación es elástica y otra parte es viscosa, de ello que el asfalto se define como un material viscoelástico. Aunque ambos asfaltos de la Figura 5.2 son materiales viscoelásticos y tienen el mismo valor de G * (longitud del vector), el asfalto 2 es más elástico que el asfalto 1, puesto que su valor de δ es más pequeño. Dado que el asfalto 2 tiene una componente elástica mayor, recuperará mucha más deformación desde la aplicación de la carga. Este ejemplo, demuestra que G* por sí sólo no es suficiente para describir el comportamiento del asfalto, ya que es necesario además conocer el valor de δ. El módulo de corte complejo se calcula mediante el test de deformación controlada usando la siguiente ecuación [S36994] (Ver Figura 5.3):
τ(ω) τ máx − τ mín = γ (ω) γ máx − γ mín
G ∗ (ω) =
donde:
(5.1)
G*(ω) : Módulo complejo de corte dinámico a frecuencia ω, en Pa.
τ(ω) : Magnitud del esfuerzo de corte dinámico, en Pa. γ (ω) : Magnitud de la deformación dinámica en corte aplicada, m/m. El ángulo de fase indica el retraso en el tiempo del esfuerzo resultante con respecto a la deformación aplicada (Figura 5.3). Como se dijo anteriormente, para materiales elásticos el ángulo de fase es cero, mientras que para los materiales viscosos el ángulo es 90º. Este ángulo es muy importante en la descripción de las propiedades viscoelásticas del asfalto.
y Deformación Aplicada t Valores Típicos de : Esfuerzo Resultante máx máx
t
Acero = 0º Agua = 90º Asfalto = 60 – 85º
t mín
mín
Figura 0.3: Desfase entre Deformación Aplicada y Esfuerzo Resultante.
88
El esfuerzo puede ser descompuesto vectorialmente en dos componentes, una en fase con la deformación y otra 90º fuera de fase; con esto es posible separar el módulo en componentes real e imaginaria: G* = G' + i·G"
(5.2)
Como resultado de los ensayos se definen otros parámetros [S36994]: -
Módulo de almacenamiento, G'( ): Se calcula a través del módulo complejo y el ángulo de fase (δ). G ' (ω) = G ∗ (ω) ·cos(δ)
donde:
(5.3)
G ' (ω) : Módulo de almacenamiento dinámico a frecuencia ω, en Pa. G ∗ (ω) : Módulo complejo dinámico a frecuencia ω, en Pa.
-
Módulo de pérdida, G"( ): Se calcula igualmente a través del módulo complejo y el ángulo de fase (δ). G"(ω) = G ∗ (ω) ·sen (δ)
donde:
(5.4)
G"(ω) : Módulo de pérdida dinámico a frecuencia ω, en Pa.
Los dos parámetros anteriores están relacionados mediante la tangente de pérdida (tan ( δ)):
tan(δ) =
G" (ω) G ' (ω)
(5.5)
Estas relaciones pueden ser visualizadas a través de una representación vectorial, como se muestra esquemáticamente en la Figura 5.4:
89
G*
G"
G ' = G ∗ ·cos(δ ) G" = G ∗ ·sen (δ ) G ∗ = (G ')2 + (G")2
G' Figura 0.4: Representación vectorial del módulo complejo, de almacenamiento y de pérdida.
El módulo de almacenamiento, G'( ω), representa la componente en fase con el módulo complejo, mientras que el de pérdida, G"( ω), representa la componente desfasada. Estos términos son algunas veces mal interpretados como módulo elástico y viscoso; en realidad, la componente elástica de la respuesta sólo representa una parte del módulo de almacenamiento, y la viscosa sólo parte de la pérdida. Además de la respuesta elástica y viscosa, los materiales viscoelásticos exhiben una respuesta elástica retardada que es dependiente del tiempo, pero completamente recuperable. En la interpretación del módulo de almacenamiento y el de pérdida, se debe considerar que ambos parámetros reflejan una porción de la respuesta elástica retardada. Entonces, no pueden ser estrictamente interpretados como módulos de elásticos o viscosos y deben ser referidos propiamente como de almacenamiento y de pérdida [COFR04].
5.1.1.2
Determinación del intervalo de comportamiento lineal.
Como es sabido, el módulo que relaciona el esfuerzo con la deformación, σ = S · ε, es la rigidez, S (Tº, t ). Tº indica la dependencia de la temperatura y t la del tiempo. S (Tº, t ) varía tremendamente en cuanto a sus aplicaciones y rango de temperaturas de servicio. A bajas temperaturas los valores se aproximan a 3 GPa, mientras que para temperaturas superiores los valores pueden ser sólo de 1 kPa [S36994]. Al describir el comportamiento a la deformación de los distintos polímeros – y entre ellos el asfalto – se debe distinguir la existencia de tres etapas, para una temperatura dada: primero un régimen lineal viscoelástico para pequeñas deformaciones; luego, para deformaciones intermedias una respuesta no-lineal viscoelástica, y finalmente un comportamiento de fluencia o 90
plástico a altas deformaciones. La Figura 5.5 muestra la evolución de estas tres etapas [COFR04]:
PLÁSTICO NO-LINEAL VISCOELÁSTICO LINEAL VISCOELÁSTICO
Figura 0.5: Tres etapas en el comportamiento del asfalto a la deformación.
Matemáticamente: -
Un material es no-lineal viscoelástico si su módulo de rigidez (stiffness) es: S (T) = f (t, σ o ε)
(5.6)
Esta situación ocurre a niveles de deformaciones intermedias, en donde los materiales se desvían de la teoría lineal, mostrando una respuesta que depende de los esfuerzos o deformaciones aplicadas, pero que es aún tiempo-dependiente [COFR04]. -
Un material es lineal viscoelástico si su módulo de rigidez (stiffness) es: S (T) = f (t)
(5.7)
Las deformaciones lineales viscoelásticas son usualmente descritas con la teoría de respuestas lineales, que proviene del principio de superposición de Boltzmann [COFR04]. Para predecir el comportamiento de un material es necesario entender su curva esfuerzodeformación. Como el asfalto es un material viscoelástico, su desempeño debe ser caracterizado con métodos de ensayos y técnicas analíticas que tomen en cuenta el tiempo de carga y la temperatura. En la región lineal, el módulo es independiente del esfuerzo o de la deformación, por lo tanto, es aconsejable confinar la caracterización del asfalto a su respuesta lineal viscoelástica para simplificar la modelación matemática del material, debido a que su respuesta 91
no lineal es extremadamente dificultosa de caracterizar en el laboratorio y modelar en problemas prácticos de ingeniería. En general, los asfaltos convencionales poseen un rango lineal relativamente amplio. Por esta razón se desarrollan barridos de esfuerzo-deformación usando el reómetro de corte dinámico a temperaturas seleccionadas. Durante este barrido, la muestra se monta en un reómetro, a la temperatura de ensayo escogida, y se somete a un gradual aumento de las deformaciones en forma sinusoidal. En este caso, la frecuencia usada es de 10 rad/s. Se deja que aumente la deformación unitaria hasta que el módulo disminuya en un 30% del valor máximo observado, asegurándose que el barrido alcance la región no lineal. El límite de las deformaciones lineales fue establecido, en forma arbitraria, como la deformación para la cual el módulo de almacenamiento disminuye a un 95% de su valor máximo [S36994]. Usando los datos de este barrido, es posible graficar la deformación lineal límite versus la temperatura, con lo que es posible observar que, generalmente, el límite de deformación lineal viscoelástica aumenta con la temperatura. Por otra parte, cuando el límite lineal viscoelástico es graficado contra el módulo complejo, es posible ver una relación razonable, en la cual el límite lineal aumenta al disminuir el módulo; esta relación es aparentemente similar para un amplio rango de cementos asfálticos. Esta información se empleó en el estudio SUPERPAVE para desarrollar los ensayos standard de especificación para los análisis mecánico-dinámicos de los asfaltos [S36994].
5.1.1.3
Superposición Tiempo – Temperatura.
Una de las principales técnicas analíticas usadas en el estudio de datos mecánicos para los asfaltos SHRP incluye la construcción de curvas maestras para el módulo complejo. En su construcción se usa el principio de superposición tiempo-temperatura. Este principio de superposición otorga una valiosa simplificación separando las dos principales variables, el tiempo y la temperatura, que modelan y expresan las propiedades viscoelásticas, en términos de una única función, cuya forma se puede determinar experimentalmente o no y se puede representar convenientemente mediante una expresión analítica. En la construcción de las curvas maestras usando esta superposición, deben primero recogerse datos dinámicos sobre un rango
de temperaturas y frecuencias. Se debe escoger una temperatura de referencia; a menudo se usa 25° C. Los datos a otras temperaturas son superpuestos con respecto al tiempo o frecuencia, 92
uniendo los valores individuales de la curva en una función continua. La superposición puede ser hecha en base a cualquier función viscoelástica [S36994]. La superposición requerida a cada temperatura para formar la curva maestra es de especial importancia, lo que se denomina shift factor ó a(T). En conjunto con una curva maestra se debe preparar un gráfico log a(T) versus temperatura. Este gráfico da una indicación visual de cómo las propiedades de los materiales viscoelásticos cambian con la temperatura [S36994]. El principio de superposición para materiales termoreológicos simples como el asfalto, establece que los datos viscoelásticos obtenidos a diferentes temperaturas pueden ser superpuestos en una curva maestra, sólo usando los shift factors horizontales a lo largo de una escala logarítmica de tiempo, o de frecuencia.
*
G g o L
T1 T2 TR
T3 T 4 ) T ( a g o L
T1 T2
TR
T4
T5
Temperatura Log Frecuencia Reducida
Figura 0.6: Superposición Tiempo – Temperatura en la Construcción de la Curva Maestra para el Módulo Complejo v/s Frecuencia.
El Método de Reducción de Variables utiliza el principio de superposición tiempo – temperatura y establece que una serie de mediciones experimentales a diferentes temperaturas es reducida a una temperatura de referencia T R usando valores apropiados de a(T) (shift factor), que se superponen para obtener una única curva compuesta representativa. Entonces, a pesar de la complicada dependencia entre la temperatura y el tiempo, estas dos variables pueden ser separadas en una relación entre una función viscoelástica y la frecuencia reducida y otra entre la
93
temperatura y a(T). La T R a escoger es puramente arbitraria y basada en la conveniencia, en este caso 25ºC como se mencionó anteriormente. El procedimiento es el siguiente: Primero, se escoge una temperatura de referencia arbitrariamente. Entonces, se grafica en escala logarítmica la función viscoelástica a esa temperatura versus la frecuencia ω . La distancia horizontal entre cada par de curvas adyacentes es medida y registrada como ∆log a(T). Los valores elegidos de ∆log a(T) son sumados progresivamente desde T R para obtener log a(T) a cada temperatura. Este procedimiento de superposición requiere en primer lugar corroborar que la función es suave y sin fluctuaciones o irregularidades para entonces aplicar los valores empíricos a la expresión [COFR04]. Las bases fundamentales de la superposición tiempo-temperatura son: (a) que el proceso involucrado en la relajación molecular o reordenación en el material viscoelástico ocurra a aceleradas tasas para las altas temperaturas (b) que exista una equivalencia directa entre el tiempo y la temperatura. El principio de superposición tiempo – temperatura se fundamenta en la equivalencia entre temperatura y frecuencia o tiempo de carga: Por ejemplo, a altas temperaturas existe una gran movilidad molecular; por el contrario, a bajas temperaturas las moléculas se pueden encontrar prácticamente inmóviles. Con respecto a las frecuencias de aplicación de la carga, a bajas frecuencias las moléculas de un polímero tienen tiempo de moverse y de deslizarse una sobre otra, por lo que no hay almacenamiento de energía. A altas frecuencias la estructura molecular es inmóvil debido a las propiedades predominantemente elásticas. Un cambio en las mediciones de temperatura corresponde a un cambio en la frecuencia angular o tiempo y viceversa. En las curvas maestras las altas frecuencias representan los datos medidos a bajas temperaturas y las bajas frecuencias corresponden a los datos a altas temperaturas, entonces el rango medio de frecuencias corresponde a temperaturas intermedias [COFR04].
5.1.1.4
Parámetros Característicos de una Curva Maestra.
Toda la información recopilada por el Reómetro de Corte Dinámico en los barridos de frecuencia y temperatura es utilizada, como se mencionó anteriormente, para construir las curvas 94
maestras de las muestras de asfalto, y así estimar los parámetros de tal curva. Esta curva a escala logarítmica del módulo complejo versus la frecuencia de carga, es la forma convencional adoptada para representar la información dinámica del asfalto y de muchos materiales viscoelásticos similares. Las propiedades de flujo en el asfalto, como lo evidencian las propiedades dinámicas, tienen una forma como lo indica la Figura 5.7, donde se aprecia una Curva Maestra típica. A altas frecuencias o bajas temperaturas el módulo complejo cambia muy levemente con la frecuencia, lo cual es típico para materiales viscoelásticos en la región elástica. A frecuencias intermedias, el módulo complejo decrece junto con la frecuencia a una tasa creciente hasta que la pendiente en el gráfico se hace igual a uno, lo que denota un flujo puramente viscoso a bajas frecuencias o altas temperaturas. Fase
] a P [ , o j e l p m o C o l u d ó M g o L
s o d a r G , e s a F e d o l u g n Á
Log Frecuencia Reducida [rad/s]
Figura 0.7: Curva Maestra Típica para Módulo Complejo y Ángulo de Fase.
En revisiones literarias de las propiedades lineales viscoelásticas de los cementos asfálticos, y en el análisis de los datos mecánico-dinámicos reunidos de los asfaltos SHRP, es claro que se necesitan cuatro parámetros para caracterizarlos completamente [S36994]:
95
a) Módulo Vítreo, G* g: Corresponde al valor del módulo complejo para bajas temperaturas y altas frecuencias. Es normalmente cercano a 1 GPa en corte, valor que se puede asumir para la mayoría de los propósitos.
b) Viscosidad steady-state,
0:
Corresponde a la viscosidad newtoniana. En los ensayos
dinámicos, se aproxima al límite de la viscosidad dinámica, η*, cuando el ángulo de fase se aproxima a 90°. La línea de 45° al que la curva maestra se aproxima a bajas frecuencias, se denomina “asíntota viscosa”. Es indicativo de la viscosidad steady-state. El valor de η0 es específico de cada asfalto.
c) Frecuencia crossover,
C :
Corresponde a la frecuencia para la cual tanδ es igual a 1. En
este punto, el módulo de almacenamiento y de pérdida son iguales. Para la mayoría de los asfaltos, ω C es prácticamente igual al valor del intercepto entre la asíntota viscosa y el módulo vítreo. ω C puede ser pensado como un parámetro de resistencia que indica la consistencia general de un determinado asfalto a una temperatura escogida y es específica de cada asfalto. Esta frecuencia es el recíproco del tiempo crossover , t C = 1/ ωC .
d) Índice reológico, R: Corresponde a la diferencia entre el módulo vítreo, Gg, y el módulo complejo a la frecuencia crossover, G*(ω C ). Es directamente proporcional a la amplitud del módulo de relajación. R refleja el cambio en el módulo con la frecuencia y es una medición de la dependencia de la tasa de corte de los asfaltos. R es específico para cada asfalto. Estos parámetros se visualizan en la Figura 5.8, que ilustra una curva maestra típica:
Gg ] a P [ , o j e l p m o C o l u d ó M
R
0
c Frecuencia Reducida, [rad/s]
Figura 0.8: Parámetros de Curva Maestra Típica. 96
5.1.1.5
Modelo Matemático para Describir las Curvas Maestras.
La dependencia del tiempo se refleja en la ubicación ( t C o ω C ) y la forma ( R) de la curva maestra; la dependencia de la temperatura se evidencia del gráfico de log a(T) v/s la temperatura, que no debe ser confundida con “susceptibilidad térmica” . La susceptibilidad térmica es un concepto empírico basado en el cambio de la consistencia de un asfalto con la temperatura. La dependencia de la temperatura es un concepto fundamental que indica cómo el proceso de relajación en un determinado asfalto cambia con la temperatura [S36994]. El Modelo Matemático Viscoelástico finalmente adoptado, desarrollado por Christensen y Anderson (1992), asume una forma hiperbólica cuando se grafica el logaritmo del módulo complejo o el módulo de rigidez (stiffness modulus) versus el logaritmo de la frecuencia o tiempo de carga. El modelo viscoelástico lineal (Linear Viscoelastic Model, LVE) puede ser representado por una serie de ecuaciones, para las principales funciones viscoelásticas dinámicas. Para el módulo complejo, puede ser usada la siguiente función [S36994]: log ( 2 ) ⎡ ⎤ R ω ⎛ ⎞ ∗ c ⎥ − R G (ω) = G g · ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎢ ⎝ ω ⎠ ⎥ log (2) ⎣ ⎦
(5.8)
G* (ω) : Módulo complejo dinámico, en Pa, a la frecuencia ω, en rad/s.
donde:
Gg
: Módulo vítreo, típicamente 1 Gpa.
ωc
: Frecuencia crossover, en rad/s.
R
: Índice reológico.
Para el ángulo de fase, se aplica la siguiente ecuación:
δ(ω) =
donde:
90 log ( 2 ) ⎤ ⎡ ω ⎞⎟ R ⎥ ⎢1 + ⎛ ⎜ ⎢ ⎜ω ⎟ ⎥ ⎢⎣ ⎝ c ⎠ ⎥⎦
(5.9)
δ (ω) : Ángulo de fase, en grados, a frecuencia ω, en rad/s.
97
El término exponencial en el modelo tiene el efecto de reducir el módulo con el incremento de la frecuencia. La disminución relativa del módulo cuando la frecuencia es reducida está gobernada por el parámetro de ubicación ωc y el Índice Reológico R. Para determinar la equivalencia frecuencia – temperatura de un módulo o ángulo de fase dados, deben ser trasladados a una nueva frecuencia a una segunda temperatura por la aplicación de la función shift , a(T). La nueva frecuencia es obtenida por la multiplicación de la frecuencia a la temperatura de referencia ( T R) por el shift factor . El valor de log a(T) se puede obtener de dos ecuaciones, cuya aplicabilidad depende de la Temperatura de Definición (análoga a la temperatura de transición vítrea 1). Para T > T d y bajo la región de flujo newtoniano [S36794]:
log a(T) =
− 19 ⋅ (T − T d ) (92 + T − T d )
(5.10)
y para T ≤ T d ,
⎛ 1 1 ⎞ log a(T) = 13000 ⋅ ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ T T d ⎠ donde:
a(T )
: Shift factor a la temperatura T .
T
: Temperatura seleccionada, ºC en (5.10), ºK en (5.11).
T d
: Temperatura de Definición, ºC en (5.10), ºK en (5.11).
(5.11)
La Ecuación 5.10 representa la ecuación Williams-Landers-Ferry (WLF) aplicable a la mayoría de los asfaltos para pavimentación; esta ecuación sólo es aplicable sobre la temperatura de definición y bajo las temperaturas donde se desarrolla el flujo newtoniano. La Ecuación 5.11 es una ecuación del tipo Arrhenius aplicable a temperaturas iguales o bajo la temperatura de definición. En la región de flujo newtoniano es necesario utilizar una ecuación Arrhenius; la ecuación WLF no es válida en esta región. Esto significa que en la región de flujo newtoniano el “volumen libre”2 no controla el proceso de flujo. Esto es razonable dada la extrema dependencia de la temperatura mostrada por los ligantes en la región de flujo newtoniano y sugiere que la 1
Temperatura de Transición Vítrea. Ver Sección 5.2, página 105.
2
Volumen Libre. Ver Sección 5.2, página 106.
98
interacción polar debe jugar un importante rol en la dependencia de la temperatura en el comportamiento de flujo newtoniano. El modelo matemático descrito predijo con bastante exactitud las propiedades viscoelásticas del asfalto dentro de un gran rango de temperaturas y frecuencias, aún sobre la región vítrea, pero a medida que el comportamiento de flujo viscoso prevalecía, fueron observadas importantes discrepancias entre los valores medidos del módulo complejo y el ángulo de fase y los obtenidos del modelo. Estas irregularidades requieren definir otro set de parámetros para describir el comportamiento viscoelástico para largos períodos de carga o altas temperaturas. Afortunadamente, se ha encontrado que el índice reológico se puede asumir como constante e igual a 0,81 en la región secundaria. Estas ecuaciones se indican a continuación: log 2
⎛ η ⋅ ω ⎞ R −0.81 δ v = 90 ⋅ ⎜⎜ 0 c ⎟⎟ G ⎝ g ⎠
⎛ 90 ⎞ ⎟⎟ G gv = G g ⋅ ⎜⎜ 90 − δ v ⎠ ⎝
0.81−
R
⎛ 90 − δ v ⎞ log 2 ⎟⎟ ωcv = ωc ⋅ ⎜⎜ δ ⎝ v ⎠ donde:
δv
(5.12)
R log 2
(5.13)
− 0.81
(5.14)
: Ángulo de fase de transición, en grados, que divide las regiones primaria y secundaria.
Ggv
: Módulo límite en la región de flujo viscoso, en Pa.
ωcv
: Parámetro de ubicación para la región de flujo viscoso, en rad/s.
Este segundo set de ecuaciones puede ser utilizado para generar todas las funciones viscoelásticas en el rango de flujo viscoso. El primer set de ecuaciones puede ser utilizado cuando el ángulo de fase está por debajo de δv y el segundo set, cuando el ángulo de fase está por sobre δv. En muchas ocasiones resulta tedioso, primero estimar el ángulo de fase para
99
compararlo con el ángulo de transición, y luego determinar las ecuaciones apropiadas a utilizar. Es así como otro parámetro, la frecuencia de transición ωv, en rad/s, resulta muy útil [S36994]:
⎛ 90 − δ v ⎞ ⎟⎟ ω v = ωc ⋅ ⎜⎜ ⎝ δ v ⎠
R log 2
(5.15)
Cuando se estima el módulo complejo y el ángulo de fase utilizando el modelo viscoelástico, es necesario primero verificar si la frecuencia de carga está sobre o bajo el valor de ωv. Si la frecuencia de carga está sobre ωv, debe ser usado el primer set de ecuaciones. Por otro lado, si la frecuencia de carga está por debajo de ωv, se debe usar el segundo set de ecuaciones. En la práctica, el primer set de parámetros es el más interesante y puede ser aplicado con bastante confiabilidad hasta temperaturas de alrededor 45 ºC, bajo tiempos de carga típicos de tráfico. A altas temperaturas, el único parámetro que tiene un interés práctico, es la viscosidad de flujo Newtoniano, el cual es un parámetro explícito de la curva maestra. En las aplicaciones prácticas, en general, no es necesario usar las ecuaciones de la región de flujo viscoso, éstas se desarrollaron durante el proyecto como complemento teórico del modelo viscoelástico.
5.1.1.6
Discusión del Nomograma de Van der Poel .
El primero que empleó el concepto general de la elaboración de curvas maestras fue Van der Poel en su nomograma desarrollado en los años 50, donde aparece el término stiffness del
asfalto, correspondiente al módulo de rigidez S como función del tiempo de carga, temperatura y de características empíricas (Índice de penetración y punto de ablandamiento). Desafortunadamente, la función matemática usada en su desarrollo nunca fue descrita en publicaciones, a pesar de la existencia del Programa BANDS de SHELL, publicado en CD. De todas formas, él describió en amplios términos la teoría en la que se basa este método para predecir las propiedades reológicas de los datos obtenidos de ensayos. Van der Poel asumió una forma aproximadamente hiperbólica para la rigidez como función del tiempo. La forma de la curva maestra se estima a partir del índice de penetración, calculado con la penetración a una temperatura especificada (usualmente 25ºC) y a la temperatura del punto de ablandamiento de 100
anillo y bola. Aún cuando no fue discutido por Van der Poel en detalle, se debe concluir que se usó la superposición tiempo-temperatura en la construcción del nomograma, asumiendo algunas funciones para describir los shift factors como función de la temperatura. El nomograma fue desarrollado para dar el stiffness a una temperatura relativa al punto de ablandamiento a cualquier tiempo de carga arbitrario. El nomograma de Van der Poel ha sido ampliamente usado en el diseño de pavimentos y por varios investigadores en tecnología del asfalto (Boannaure 1977; Heukelom 1966) [S36994]. Como parte del proyecto SHRP-A-369, el nomograma de Van der Poel fue analizado en términos de modelos matemáticos. Se desarrolló un set de curvas maestras a partir del nomograma, en conjunto con shift factors, para varios valores de índices de penetración. Diversos investigadores han intentado modificar este nomograma, incluyendo a McLeod (1972) y Heukelom (1966). Estas modificaciones fueron menores, aunque la sugerencia de usar la viscosidad y una “temperatura base” en vez del punto de ablandamiento desvió significativamente las aproximaciones de Van der Poel. Las discrepancias entre los valores de rigidez medidos como parte del estudio SHRP-A-369 y los estimados con los nomogramas tienden a ser más pronunciadas a bajas temperaturas y grandes tiempos de carga [S36994].
5.2
ENDURECIMIENTO FÍSICO DE BAJA TEMPERATURA.
Se ha considerado conveniente incluir esta Sección que tratará acerca del fenómeno de endurecimiento físico de baja temperatura, identificado por el proyecto SHRP para asfaltos y considerado también como un factor que influye en el envejecimiento del ligante, aunque restringido sólo a bajas temperaturas. La información siguiente se basa principalmente en el documento SHRP-A-369, Ref. [S36994]. Antes del estudio de SHRP, las únicas investigaciones bien documentadas acerca de endurecimiento reversible tiempo-dependiente de asfaltos, fueron aquellas de endurecimiento estérico (steric hardening1), referido en SHRP como asociación molecular. El endurecimiento estérico o tixotrópico no ocurre a temperaturas muy altas porque el aumento de la estructura es 1
Endurecimiento Estérico o Tixotrópico. Ver Capítulo 4, página 56.
101
destruido por el exceso de energía cinética en el sistema, y no tiene lugar a temperaturas muy bajas porque la proporción de asociación es considerada retardada como resultado de la alta viscosidad del asfalto (Barth 1962; Brown y Sparks 1958; Petersen 1984; Traxler y Coombs 1937) [S36994]. En el desarrollo del proyecto y durante las mediciones de las propiedades a baja temperatura con el reómetro de viga de flexión en la Universidad del Estado de Pensilvania, se observó claramente que los cementos asfálticos sufren un significante endurecimiento (aumento del stiffness) cuando son almacenados y mantenidos a temperaturas bajas, cerca de o bajo la temperatura de transición vítrea, la cual será explicada más adelante. Además, la tasa y magnitud de este endurecimiento aumenta al disminuir la temperatura y se observó ser relativamente rápido y de gran influencia sobre la respuesta reológica. Un ejemplo de este endurecimiento se muestra para el asfalto AAK-1, en la Figura 5.9. En esta Figura se puede apreciar que para una temperatura de -15ºC y para un mismo tiempo de carga, el asfalto se rigidiza mientras mayor sea el tiempo de almacenamiento, llamado tiempo isotérmico (mantenido a una temperatura constante). Tiempo Isotérmico
] h c n i [ , n ó i x e l F e d p e e r C n e n ó i x e l f e D
Temperatura: -15ºC
Tiempo de Carga,
Figura 0.9: Cambio en el Stiffness con el Tiempo Tiempo de Almacenamiento a -15ºC.
102
Se cree que este tipo de endurecimiento es similar a lo que se llama “ envejecimiento físico ” en muchos sólidos amorfos (Struik 1978). Para diferenciar este fenómeno del envejecimiento oxidativo, el término “ endurecimiento físico ” ( physical physical hardening) fue seleccionado para describir este proceso en el cemento asfáltico. Este fenómeno no se había informado anteriormente y una revisión de las investigaciones publicadas sobre el envejecimiento físico de otros materiales amorfos indica que este proceso puede influir significativamente en las propiedades físicas. Muchos estudios han mostrado que la medición de las propiedades mecánicas sin considerar este fenómeno puede llevar a conclusiones engañosas y puede no reflejar las propiedades de los materiales durante la vida de servicio [S36994]. En la Figura 5.10 se puede observar el porcentaje de incremento del Módulo de rigidez con respecto al valor obtenido después de almacenarlo durante 2 [hr], y su variación con respecto al tiempo de carga y al tiempo isotérmico para una temperatura de almacenamiento de 15ºC, para uno de los asfaltos estudiados. Es claro que además de considerar el efecto del tiempo de carga, se debe considerar el tiempo isotérmico para caracterizar el comportamiento de baja temperatura. El endurecimiento físico influye en la respuesta reológica de manera similar a la influencia de la disminución de la temperatura en el rango lineal. La influencia puede ser definida como un shift unidimensional unidimensional en el espectro reológico a lo largo de la escala del tiempo de carga (o frecuencia). La Figura 5.11 muestra este comportamiento, donde se observan las curvas antes de superponer; el endurecimiento físico no afecta la forma de la curva maestra en creep lo que indica que este fenómeno incrementa todos los tiempos de retardación en la misma cantidad. Es claro que aumenta el módulo de rigidez con el tiempo isotérmico y disminuye, como es lógico, con el tiempo de carga.
103
] r h [ 2 e d r o l a V l a o v i t a l e r s s e n f f i t S l e n e o t n e m e r c n I e d %
Tiempo de Carga
Temperatura: -15ºC
Tiempo de Envejecimiento Isotérmico, [hr]
Figura 0.10: Respuesta Medida en en Creep y su Variación con el Tiempo Isotérmico. Isotérmico.
Temperatura: -15ºC
Tiem o
] n i / b l [ , s s e n f f i t S
2
Tiempo de Carga, [s]
Figura 0.11: Variación del Módulo Módulo de Rigidez con el Tiempo Isotérmico. Isotérmico. 104
Cuando el asfalto se enfría dentro del rango de temperaturas donde los procesos moleculares son relativamente rápidos (por ejemplo, sobre la temperatura del punto de ablandamiento o en la región de flujo newtoniano), existe una relación lineal entre el cambio de volumen que experimenta el asfalto y la temperatura. A medida que la temperatura disminuye se llega a un punto límite, en el cual esta e sta relación cambia su pendiente y deja de ser lineal (Ver Figura 5.12). La temperatura en el punto límite es lo que se define como temperatura de transición vítrea (T g) [BRAV03]. Por debajo de esta temperatura el asfalto no posee movilidad molecular excepto las vibraciones y pequeños desplazamientos locales de unos pocos segmentos: las cadenas no se mueven unas respecto a las otras, y el polímero es rígido. Por encima de T g existe esta movilidad, lo que produce la posibilidad de moverse unas cadenas respecto de las otras (flujo plástico al aplicar una fuerza).
Leyenda Respuesta Ajustada
Línea de Equi lili br bri o
Volumen de No-Equilibrio
, o c i f í c e p s E n e m u l o V n e o i b m a C
Tg Temperatura, [ºC] Figura 0.12: Relación Cambio de Volumen Volumen y Temperatura.
105
El origen del fenómeno del endurecimiento físico de baja temperatura puede ser mejor explicado con el concepto de “volumen libre” y la relación entre la temperatura y la movilidad molecular. La resistencia de un líquido a fluir es una función de su movilidad molecular, y por consiguiente, de la temperatura. En los años 50, Doolittle estableció que la movilidad molecular depende del volumen relativo de moléculas presentes por unidad de espacio libre, llamado “volumen libre”, considerado como vacíos entre las moléculas, dentro de la estructura irregular
del asfalto sin considerar el volumen debido al movimiento vibratorio. Basado en este concepto, cuando un material amorfo es enfriado desde una alta temperatura a otra muy por encima de T g (primer segmento a la derecha de la línea continua en el Figura 5.12), el ajuste molecular y, por consiguiente, el colapso del volumen libre es rápido y del mismo orden de magnitud del descenso de la temperatura. Sin embargo, cuando la temperatura se acerca a T g, los ajustes son mucho más lentos no alcanzándose el equilibrio termodinámico al instante. En lugar de eso, se experimenta una lenta reducción isotérmica de volumen que puede continuar por largos período de tiempo. Esta reducción de volumen se traduce en el endurecimiento físico [S36994]. Generalmente, se acepta que el endurecimiento físico aparece para muchos materiales debajo de su temperatura de transición vítrea porque debajo de esa temperatura el material comienza a desviarse del equilibrio termodinámico. A altas temperaturas, la línea de volumen-temperatura es considerada la línea de equilibrio y muchos científicos creen que si esta línea es extendida, la distancia entre la relación de volumen-temperatura y esta línea refleja la desviación del equilibrio termodinámico y por consiguiente la cantidad de lo que puede llamarse “volumen libre”. Como puede observarse en la Figura 5.12, debido a la curvatura involucrada en la relación ajustada, el punto de desviación de equilibrio termodinámico, para ese asfalto, se extiende bien más allá del valor de T g y es aproximadamente 20°C. La desviación de la respuesta medida con respecto a la línea de equilibrio fue llamada el volumen libre de noequilibrio y fue usada para relacionar las mediciones de T g con la conducta del endurecimiento físico de los asfaltos ensayados [S36994]. Este volumen libre de no-equilibrio es el que colapsará después durante el almacenamiento del asfalto a bajas temperaturas, produciendo el lógico aumento de la rigidez. Resumiendo, puede decirse que el grado de endurecimiento físico depende de la fuente del asfalto, de la temperatura de almacenamiento mantenida constante (isotérmica), y del tiempo de almacenamiento (tiempo isotérmico). Las altas correlaciones entre los cambios de volumen y los 106
factores de cambio (shift factors) de endurecimiento; la simpleza de la influencia del endurecimiento sobre la respuesta en creep de los diferentes asfaltos; y la dependencia de las tasas de endurecimiento con la temperatura y el tiempo isotérmico demuestran la hipótesis que el endureciendo físico es causado por procesos de relajación isotérmicos reflejados en el colapso del volumen libre. El efecto de este endurecimiento sobre la respuesta en creep puede ser definido por un simple shift unidimensional definido como shift factor de tiempo isotérmico (log ati) relativo a un tiempo isotérmico y temperatura de referencia. Además, datos limitados
disponibles durante el proyecto indicaron que el endurecimiento físico de baja-temperatura también afecta las propiedades de falla, causando una disminución en la deformación de falla tal como se espera en un proceso de endurecimiento físico [S36994].
5.3
ASPECTOS QUÍMICOS DEL ENVEJECIMIENTO.
Otra área de investigación importante en el desarrollo de las investigaciones Superpave fue la correlación entre las propiedades físicas del asfalto y su composición química. Como resultado de estos estudios, se obtuvo una serie de funciones matemáticas que permiten predecir ciertos parámetros reológicos en función de algunas variables microestructurales, estudio que derivó en el modelo microestructural, antes revisado en el Capítulo 2 de esta Memoria. El modelo microestructural del asfalto predice que a medida que ocurre la oxidación del asfalto, aumenta la polaridad de las moléculas causando un aumento en la polaridad de todo el material. La rigidización que ocurre en la oxidación es el resultado del aumento de la estructura causado por un aumento en la cantidad de moléculas polares. La oxidación también produce moléculas polifuncionales que promueven la estructuración tridimensional en un grado mayor que la producida por moléculas con un sólo grupo funcional [S36893]. La temperatura de reacción de la oxidación del asfalto es un factor muy importante que determina la tasa de oxidación, la cantidad de oxidación, y el stiffness resultante del asfalto. El modelo microestructural indica que cuando la temperatura aumenta, algunas de las asociaciones polares se rompen permitiendo que más moléculas reaccionen con el oxígeno; sumado a lo anterior está el efecto de la temperatura en la tasa de la reacción con el oxígeno. Los resultados del envejecimiento TFO-PAV hechos a temperaturas de 60°, 70°, y 80°C indicaron que la máxima temperatura a la que el pavimento es expuesto es un factor importante en la 107
determinación del eventual endurecimiento del pavimento. Los resultados mostraron que los asfaltos tienen un amplio rango de respuestas para más bien pequeños cambios que ocurren en la temperatura, en el rango de temperaturas de servicio [S36893]. Varias técnicas analíticas también se usaron para evaluar las propiedades de asfaltos envejecidos, dentro de las cuales se incluyó la Cromatografía de Exclusión de Tamaños (SEC) 1, cuyos resultados apoyaron el modelo microestructural. Los análisis de la SEC mostraron que la fracción SEC I (componentes asociados) aumentó debido al envejecimiento, comparado con los asfaltos originales. Las determinaciones de asfaltenos mostraron un aumento de su número en los asfaltos envejecidos comparados con los asfaltos originales [S36893].
5.4
SIMULACIÓN DEL ENVEJECIMIENTO DE LARGO PLAZO.
A continuación en esta Sección se revisarán las bases de la investigación que culminó con la implementación de la Cámara de Envejecimiento a Presión, PAV ( Pressure Aging Vessel ), como procedimiento de envejecimiento oxidativo de largo plazo en laboratorio dentro del proyecto SHRP. Esta información está basada en el SHRP-A-369 Report: “Binder Characterization and Evaluation, Volume 3: Physical Characterization” , referencia S36994 de esta Memoria.
En este proyecto, el énfasis principal fue puesto en el envejecimiento durante la vida de servicio del pavimento a las temperaturas de servicio, relativamente bajas. El objetivo principal fue desarrollar un procedimiento de envejecimiento en laboratorio para simular de forma acelerada el envejecimiento en terreno o de largo plazo. Semejante procedimiento pretendía predecir la propensión de un asfalto al envejecimiento oxidativo durante la vida de diseño del pavimento para así ser usado en la especificación y control de calidad de los binders. Para esto se asumió que el procedimiento de horno de película delgada existente (TFOT), ASTM D1754, o el test de horno de película delgada rotatorio (RTFO), ASTM D2872, simula confiablemente el envejecimiento que ocurre durante las operaciones de mezclado y colocación. Por consiguiente, el nuevo procedimiento de envejecimiento es realizado sobre el residuo del TFOT o RTFOT, enfocándose en el envejecimiento de largo plazo en-servicio. 1
Cromatografía de Exclusión de Tamaños. Ver Capítulo 2, página 23.
108
Los experimentos de la investigación se enfocaron en el estudio de la influencia del envejecimiento oxidativo sobre las propiedades físicas de los binders. Los principales temas cubiertos incluyeron el efecto del envejecimiento en las propiedades reológicas, el efecto del envejecimiento en las propiedades de falla, el efecto de superficies minerales sobre el envejecimiento de binders, y la validación de terreno del procedimiento de la cámara de envejecimiento a presión (PAV). Además, se puso gran énfasis al estudio de la dinámica de la oxidación en el PAV y a la evaluación de las variables de ensayo que afectan los niveles de envejecimiento. La comprobación se enfocó principalmente en los ocho asfaltos de SHRP ( core asphalts) a diferentes temperaturas y frecuencias o tasas de deformación. La validación de
terreno incluyó asfaltos recuperados de varias secciones de prueba en los Estados Unidos y de hasta 12 años de edad.
5.4.1 Antecedentes Previos. La primera etapa de la investigación que finalmente derivó en el PAV, consistió en reunir una serie de antecedentes con respecto a trabajos previos de envejecimiento a largo plazo. Con esta extensa revisión bibliográfica realizada por los investigadores de SHRP se pudo ir decidiendo a priori los caminos a seguir durante la investigación. A continuación se presenta algo de esos antecedentes previos:
Debido a que el envejecimiento oxidativo es un proceso químico, el endurecimiento debido a la oxidación puede ser una función muy fuerte de la fuente o la composición química de los asfaltos originales. Los estudios de terreno mostraron que el envejecimiento no sólo depende de la fuente del asfalto sino también de la temperatura, contenido de vacíos de la mezcla asfalto-agregado, y profundidad desde la superficie.
Se sabe que el envejecimiento produce asfaltos más duros y más quebradizos. Se han usado diferentes mediciones de consistencia para mostrar el efecto del envejecimiento sobre los asfaltos. Se sabe que así como la viscosidad del asfalto aumenta, la penetración y la ductilidad disminuyen. Como la viscosidad del asfalto aumenta, la rigidez (stiffness) a cualquier combinación de temperatura y tiempo de carga también aumenta.
Ampliando el punto anterior, se sabe que el envejecimiento afecta las propiedades de alta temperatura en forma distinta a como lo hace con las propiedades de baja temperatura. Por consiguiente, se han usado diferentes propiedades para medir el envejecimiento: en algunos 109
estudios sólo se han medido propiedades de alta temperatura, tales como viscosidad absoluta (60ºC) y cinemática (135°C) y punto de ablandamiento; en otros casos, se usaron propiedades a temperaturas intermedias, como la penetración, ductilidad, y la viscosidad aparente a temperaturas entre 4° y 25°C. En otros estudios, sin embargo, propiedades que son más fundamentales en naturaleza, como el stiffness y el módulo complejo, fueron medidas sobre un ancho espectro de temperaturas, incluyendo las bajas temperaturas de agrietamiento de terreno. Los índices usados para informar el envejecimiento, por consiguiente, variaban con el tipo de medida que estaba siendo considerada.
Los estudios de envejecimiento confirman que el agrietamiento es la principal implicancia que tiene el envejecimiento del asfalto sobre la performance del pavimento.
Algunos estudios indicaron que, por ejemplo, penetraciones de menos de 10 y ductilidades de menos de 20, medidas a 25°C (77°F), son los límites a los que los pavimentos empiezan a mostrar agrietamiento. Sin embargo, estos valores son engañosos porque el agrietamiento del pavimento, si es debido a fatiga o temperatura, sólo empezará cuando la solicitación sobre el asfalto alcance la resistencia del material. La resistencia y stiffness de los asfaltos no sólo dependen de la edad, sino también de la temperatura y el tiempo de carga. Incluso en un pavimento hecho de asfalto duro y que envejece significativa y rápidamente, si la temperatura del pavimento no alcanza los bajos niveles necesarios para que el binder alcance su límite de resistencia, el pavimento no puede mostrar agrietamiento. Una situación similar ocurre en el agrietamiento por fatiga: si el nivel de tráfico no es muy alto, un asfalto duro y envejecido puede comportarse bien durante mucho tiempo. Por consiguiente, para estudiar la implicancia del envejecimiento sobre la performance del pavimento y observar los niveles de envejecimiento en el terreno, deben considerarse las propiedades del asfalto, así como las condiciones medioambientales y los tipos de tráfico.
Cualquier test aceptable y práctico para simular el envejecimiento oxidativo debe poder completarse en un tiempo relativamente corto y proporcionar el material suficiente para caracterizar las propiedades reológicas y de falla de los cementos asfálticos analizados.
Entre las técnicas más usadas para acelerar la reacción de oxidación están: (1) aumento de la temperatura, (2) disminuir el espesor de la película de asfalto, (3) incrementar la superficie del asfalto expuesta al oxígeno, (4) incrementar el flujo de aire, y (5) incrementar la presión. Los tests de envejecimiento existentes combinan las técnicas anteriores para acelerar la oxidación. Sin embargo, en general, pueden ser clasificados en dos grupos principales: (1) tests de horno para ligantes asfálticos, y (2) tests de oxidación a presión. La Tabla 5.1 110
muestra una lista de tests de envejecimiento que frecuentemente se han usado en estudios de durabilidad de asfalto durante los últimos 50 años. Tests de Horno para Ligantes 1 TFOT 2 RTFOT 3 Test de Shattuck 4 TFOT Inclinado 5 Test de Durabilidad de Micropelícula (5[micron]) 6 Aparato de Aclimatación Acelerada 7 Columna de Oxidación 8 RMFO 9 Platos Aclimatadores (CA método de test 347) 10 RMF-C (Método Chevron) 11 ARRB Test de Durabilidad 12 13 14 15
"Climatómetro" (S. África) TFOT Modificado ERTFOT TFAAT
1 2 3 4
Aire Soplado de Mezclas Compactas a 200ºC Mezclas Abiertas a 66ºC por 1 a 9 semanas Mezclas Abiertas a 149ºC por 2 horas Almacenamiento de Mezclas Abiertas a 143ºC por varios períodos
Fuente ASTM D-1754 ASTM D-2872 Shattuck (1940) Vallerga et al. (1957) Heithaus et al. (1958) Moavenzadeh & Stander (1967) Griffin et al. (1955) Halstead & Zenewitz (1961) Paul et al. (1962) Davis y Petersen (1966) Petersen et al. (1974) Schmidt & Santuci (1969) Kemp (1973) Schmidt (1973) Witt (1976) Dickinson (1982) Oliver (1984) Strauss et al. (1984) Edler et al. (1985) Edler et al. (1985) Petersen (1989)
Envejecimiento en Horno para Mezclas
5 Mezclas Compactas a 60ºC por varios períodos
Fuente Garrity (1939) Clark (1958) Mauppin (1972) Kandhal & Wegner (1973) Goode & Lufsey (1965) Kumar & Goetz (1977) Goodrich & Dimdfl (1986)
Estudios de Oxidación a Presión 1 Oxígeno puro a 50ºC y 100[lb/in2] usando mezclas de asfalto-benceno Oxígeno puro a 50ºC, diferentes niveles de presión, películas de asfalto de 7[micron] de 2 espesor Aire y oxígeno puro a temperaturas de 20ºC y 50ºC, rango de presión desde 1[atm] a 3 20[atm] Oxígeno puro a temperaturas de 140ºC y 210ºC bajo 300[lb/in2] usando papel filtro 4 saturado con asfalto Oxígeno puro a 60ºC y 300[lb/in2], usando delgadas películas de asfalto y mezclas de 5 asfalto-filler Oxígeno puro a 65ºC y 300[lb/in2] por 64[h], usando película de asfalto de 0,27[in] de 6 espesor Oxígeno puro a 60ºC, diferentes niveles de presión, películas de asfalto de 1/8[in] de 7 espesor 8 Oxígeno puro a 65ºC y 300[lb/in2] usando película de asfalto de 30[micron] de espesor Oxígeno puro a 60ºC y 100[lb/in2] usando película de asfalto de 0,5[mm] de espesor y 9 mezclas compactadas
Fuente Anderson et al. 1942 Van Oort 1956 Blokker & Van Hoorn 1959 Krachma et al. 1960 Burch et al. 1962 Lee & Dickinson 1962 D. Lee 1967-1973 Elder et al. 1985 Kim et al. 1987
Tabla 0.1: Procedimientos de Envejecimiento Acelerado.
111
El procedimiento usual de usar temperaturas altas y películas delgadas para acelerar el envejecimiento fue observado ser infructuoso ya que el asfalto envejece distinto a temperaturas altas a como lo hace a temperaturas de servicio. Los mayores problemas son la pérdida de volátiles y el cambio en la naturaleza de la reacción química del oxígeno con el asfalto a altas temperaturas. Estudios de envejecimiento hechos en asfaltos recuperados de terreno indicaron que no pueden determinarse pérdidas significativas de volátiles, aun después de largos períodos. Por esta razón, el consenso general entre los investigadores, es que para simular el envejecimiento a largo plazo con éxito, el procedimiento en el laboratorio tiene que ser hecho a temperaturas similares a las del pavimento en servicio.
El envejecimiento Oxidativo de asfaltos es un proceso físico-químico. En una descripción simplificada, el oxígeno del ambiente tiene que difundir físicamente en el asfalto antes de que reaccione con los componentes del asfalto para producir el endurecimiento. La temperatura sirve para dos propósitos: (1) ablanda el asfalto y aumenta la tasa de difusión, y (2) acelera la reacción química. Basado en esta visión del fenómeno de envejecimiento, se han usado dos alternativas: (1) disminuir el espesor de la película y aumentar la cantidad de superficie del asfalto expuesta al oxígeno, y (2) usar oxígeno puro y acelerar su difusión a través de presión.
Usar películas delgadas en los tests de microdurabilidad tuvo algunas desventajas: la cantidad limitada de material que podría envejecerse durante la prueba, la dificultad de producir películas delgadas uniformes, la dificultad de recuperar películas delgadas de las superficies, y la posibilidad de pérdida excesiva de volátiles durante el test. Las bombas de oxígeno a presión, por otro lado, no están limitadas por la cantidad de residuo que puede producirse; el residuo puede recuperarse fácilmente; y las películas delgadas son posibles. Su mayor problema es la seguridad. La técnica de presión-envejecimiento, sin embargo, tenía la importante ventaja de proporcionar los medios para controlar el proceso de volatilización y separa el envejecimiento causado por oxidación del envejecimiento causado por la pérdida de volátiles.
112
5.4.2 Selección del Procedimiento Final de Envejecimiento. Para la selección del procedimiento final de envejecimiento se comenzó analizando un método que utilizó la Cámara de Oxidación por Presión ( POV, Pressure Oxidation Vessel ), introducida en 1968 por Lee y sistemáticamente usada por otros investigadores, como Kim et al. en 1987. Este procedimiento base utilizó oxígeno puro bajo 2,07 MPa de presión a 60°C (140°F) durante 144 horas (6 días); sin embargo, este protocolo inicial se fue cambiando por diversos motivos durante la investigación, lo cual se describe a continuación. El primer cambio que se realizó en el protocolo base fue la sustitución del oxígeno puro por aire, manteniendo las otras condiciones inalteradas, debido al peligro de la manipulación del oxígeno a temperaturas relativamente elevadas. Este nuevo procedimiento de envejecer asfaltos, después de ejecutar el test de horno de película delgada, usando aire bajo 2,07 Mpa de presión, a 60°C (140°F) durante 144 horas, fue llamado Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV). Sin embargo, basándose en los índices de envejecimiento de viscosidad a 60ºC antes y después del envejecimiento para los ocho asfaltos de SHRP, se observó que no se lograban, en promedio, los niveles de envejecimiento deseables establecidos de 10 a 15 años de equivalencia en terreno. En otras palabras, el cambio de oxígeno puro a aire se tradujo en un menor envejecimiento de las muestras, siguiendo el protocolo con las demás condiciones inalteradas. Debido a lo anterior y en un esfuerzo de producir niveles de envejecimiento más estrechamente relacionados a los niveles de terreno se decidió cambiar la temperatura de envejecimiento, probando incrementos de 5,6 y 11,1ºC (10 y 20ºF respectivamente). Tras las comparaciones de rigor, se decidió aumentar la temperatura en 11,1ºC resultando en un protocolo a 71ºC; se asumió que esta temperatura producía los niveles esperados de endurecimiento, los cuales se pueden visualizar en la Figura 5.13 para cada uno de los asfaltos estudiados.
113
TFOT
PAV 60ºC
PAV 71ºC
l o a n t i n e i i r m O i c s e i j e V v / a n d i E c e e d e v e c n i d e s n i Í V
Fuente de Asfalto Figura 0.13: Índices de Envejecimiento para distintas temperaturas de PAV.
Con este incremento de temperatura los niveles de envejecimiento fueron considerados adecuados; sin embargo se mantenía la preocupación por la larga duración del procedimiento y la dificultad de mantener las condiciones constantes durante las 144 horas (6 días). El tiempo de envejecimiento podía ser acortado significativamente cambiando dos factores: (1) aumentando la temperatura de envejecimiento y (2) disminuyendo el espesor de la película. Esta solución, sin embargo, requiría cambiar alguno de los accesorios e introducir nuevos factores al procedimiento de envejecimiento. En el procedimiento original la cámara se mantenía en un baño de agua a 60ºC o 71°C; el ir a temperaturas más altas resultaba en una evaporación excesiva del baño de agua y la necesidad de una técnica diferente para controlar la temperatura de la vajilla. Además, el reducir el espesor de la película significaba que la uniformidad de la película de asfalto tenía que ser controlada más rigurosamente. Por lo tanto se seleccionó un diseño preliminar de horno con un preciso control de temperatura para mantenerla al nivel requerido, y un nivel de superficie estrictamente horizontal para apoyar la cámara. Se preseleccionó un tiempo de envejecimiento de 24 horas y las temperaturas alrededor de 100°C. Un subconjunto de cuatro asfaltos se usó en un experimento para evaluar el envejecimiento a 100° y 113°C usando dos espesores de película: 1,59 y 3,18 milímetros. Posteriormente, el tiempo de envejecimiento se redujo a 20 horas para dar tiempo a la preparación y limpieza de la
114
cámara manteniendo el tiempo total en 24 horas. Las temperaturas incluidas en el último experimento fueron 90°, 100°, y 110°C.
V A P n e o d a s s a a b r o o h t 0 n e 2 i , m C i º c 0 e 0 j e 1 v a n E e d e c i d n Í
Propiedad Medida: Vis a 60ºC
Índice de Envejecimiento basado en PAV a 71ºC, 6 días
Figura 0.14: Comparación de Protocolos en PAV por Índices de Envejecimiento.
Un espesor de película de 3,18-mm fue considerado más práctico por dos razones: (1) podrían ponerse las mismas bandejas usadas para el procedimiento de TFOT directamente en el PAV sin la necesidad de verter los asfaltos, y (2) aumentar el espesor de la película reduce la sensibilidad del envejecimiento a la uniformidad del espesor de la misma en las bandejas de asfalto. Comparando los niveles de envejecimiento para el espesor de 3,18-mm, se observó que una temperatura de 100°C resultaba en niveles de envejecimiento similar a 6 días a 71°C; por lo tanto se seleccionaron estos parámetros. La Figura 5.14 describe una comparación de los índices de envejecimiento obtenidos de envejecer a 100°C durante 20 horas con aquéllos obtenidos de envejecer a 71°C durante 6 días. Los resultados reflejan el significativo efecto de la temperatura en reducir el tiempo de envejecimiento. La temperatura de 100°C se seleccionó para el procedimiento final del PAV de 20 horas. Finalmente, temperaturas de 90 y 110°C también se seleccionaron para climas fríos y cálidos, respectivamente.
115
5.4.3 Variables que Afectan los Niveles de Oxidación en el PAV. Las variables que podrían afectar los niveles de oxidación en el PAV, que se identificaron a través de la revisión de la literatura y la comprobación preliminar del proyecto incluyeron: (1) el reabastecimiento de oxígeno, (2) la mezcla de distintos asfaltos, (3) la posición de las muestras en el PAV, (4) el espesor de la película, y (5) el nivel de temperatura.
5.4.3.1
Reabastecimiento de Oxígeno.
Se realizaron dos experimentos para estudiar el efecto de la cantidad de oxígeno en la oxidación de las muestras de asfalto en el PAV. En el primer experimento la cantidad de asfalto en el PAV fue variada para ver el efecto en el nivel de endurecimiento o ganancia de masa. En el segundo experimento se estudió la influencia del reabastecimiento de aire en el PAV. En el primer experimento se analizaron dos cargas en el PAV con diferente cantidad de material cada una. La primera cámara se cargó con 100 gramos de dos asfaltos distintos (AAF-1 y AAC1)1; la segunda cámara se cargó con 500 gramos también de dos asfaltos distintos (nueve bandejas de AAG-1 y una bandeja de AAC-1). Al compararse los resultados en términos de medidas de viscosidad a 60°C y en términos de porcentaje de ganancia de masa, las diferencias mostradas fueron muy pequeñas y dependientes del tipo de asfalto, estando además dentro del rango del error experimental esperado para el laboratorio. Esto indicó que la cantidad de asfalto en la cámara no tiene ningún efecto significativo sobre los niveles de envejecimiento. Para el segundo experimento – el efecto del reabastecimineto de aire – cinco asfaltos, con 2 muestras cada uno, fueron envejecidos en dos cámaras bajo idénticas condiciones sólo que un PAV se mantuvo herméticamente sellado mientras el otro se ajustó con una apertura que permitió un flujo de aire a una razón de aproximadamente 0,5 lt/min. Los resultados en cuanto a viscosidades y ganancia (o pérdida) de masa fueron muy diversos, siendo principalmente asfalto-específicos. Para algunas muestras, el reabastecimiento de aire resultó en un mayor 1
Cada bandeja en el PAV lleva 50 gramos de asfalto. Ver Capítulo 0: “Cámara de Envejecimiento a
Presión (PAV)”
116
endurecimiento y mayor ganancia de masa que la condición sellada; para otras muestras fue todo lo contrario (menor endurecimiento y menor ganancia de masa que la condicióm herméticamente sellada), y para otras muestras los resultados fueron mixtos. Este resultado demuestra que el oxígeno no se agota en una cámara cerrada; la cantidad de oxígeno en la presurización inicial es suficiente para satisfacer el potencial de oxidación a 100°C durante 20 horas.
5.4.3.2
Mezcla de Distintos Asfaltos en el PAV.
Anteriores estudios sobre oxidación han demostrado que envejecer distintos asfaltos simultáneamente a elevadas temperaturas puede producir complicaciones importantes. Cuando ocurre la volatilización, puede producirce una posible contaminación con los materiales volátiles que provienen de los distintos asfaltos. En el PAV, sin embargo, dos factores son implementados para prevenir tal contaminación: (1) el envejecimiento se hace a temperaturas moderadas, y (2) se hace bajo alta presión, la cual tiende a limitar fuertemente cualquier efecto de volatilización. Para investigar el efecto de la mezcla, cuatro asfaltos fueron simultáneamente envejecidos en diferentes sets; se midieron los cambios en la viscosidad y penetración y se compararon para estudiar los efectos. El análisis de los resultados previos demostró que mezclar distintos asfaltos en el PAV no produce ningún efecto importante en el envejecimiento de las muestras. Envejecer varios asfaltos simultáneamente en una sola corrida de PAV tiene una enorme importancia práctica ya que se aumenta dramáticamente la productividad del PAV.
5.4.3.3
Posición de las Muestras en el PAV.
Típicamente, hay 10 bandejas en el PAV posicionadas verticalmente en un rack. El objetivo del experimento de posición de las muestras era investigar si los asfaltos en las distintas bandejas se oxidan diferentemente, y si el procedimiento estandar del PAV debe exigir mezclar todas las bandejas antes de ensayar el material envejecido. Tres asfaltos diferentes se envejecieron en distintas posiciones en el rack del PAV y se midieron viscosidad y penetración. El análisis estadístico de los resultados demostró que la posición de la bandeja en el PAV no tiene ningún
117
efecto importante sobre el nivel de envejecimiento. Los resultados no son sorprendentes por dos razones: (1) no hay circulación en el PAV, y (2) el envejecimiento se hace bajo alta presión.
5.4.3.4
Espesor de la Película.
En toda la revisión bibliográfica realizada se identifica claramente que la oxidación de asfaltos involucra un mecanismo de difusión, el cual es muy complejo. Por consiguiente, se espera que el espesor de la película juegue un importante papel y debe ser controlado al estudiarse el envejecimiento oxidativo. El objetivo de este experimento era investigar si los 2.07 MPa (300 lb/in2) de presión usados eran suficientes para superar el efecto de la tasa de difusión y si el efecto de difusión es asfalto específico. Los niveles de temperatura y presión definitivamente afectan la tasa de difusión; la permeabilidad de los asfaltos es una función de la consistencia, que varía significativamente entre los asfaltos y la cual puede ser un factor de influencia. Además, cuando el asfalto se rigidiza debido a la oxidación ¿cambia la proporción de difusión? En otras palabras, ¿es la reducción continua de la tasa de envejecimiento debido a la reducción física en la permeabilidad cuasada por el endurecimiento oxidativo, o es debido a otros factores químicos?. La Figura 5.15 describe el cambio en la viscosidad del material envejecido con respecto al espesor de la película para tres de los asfaltos estudiados. Los resultados confirman el importante efecto del espesor de la película y también confirman que la influencia es altamente asfalto-específica. Los resultados presentados son para envejecimiento a 71°C , bajo 2.07 MPa de aire durante 144 horas. Se espera que estos efectos cambien para diferentes temperaturas, presiones, y tiempos de envejecimiento. Lamentablemente, los recursos no permitieron analizar otros protocolos, tales como 100°C y 20 horas, y se decidió mantener los 3,18 milímetros de espesor de película usados en el TFOT.
118
s e s i o p , V A P e d s é u p s e d C º 0 6 a d a d i s o c s i V
Espesor de Película, pulgadas
Figura 0.15: Efecto del Espesor de la Película en el PAV.
5.4.3.5
Temperatura.
En el estudio de cómo afecta la temperatura a los niveles de envejecimiento, tal como se indicó en la selección del procedimiento final, se estudiaron los protocolos de 144 horas y 24 horas a distintas temperaturas cada uno para distintos asfaltos.
Protocolo de 144 horas, bajo 2,07 MPa de presión de aire. Se envejecieron distintas combinaciones de asfaltos a cuatro temperaturas diferentes: 54º, 60º, 71º y 77ºC. Se compararon los índices de envejecimiento usando la viscosidad a 60ºC.
Protocolo de 24 horas, bajo 2,07 MPa de presión de aire. El análisis de la temperatura dentro de este protocolo se llevó a cabo en 2 pasos: (1) En el primer paso se envejecieron cuatro asfaltos bajo 2,07 MPa de presión a dos temperaturas, 100° y 113°C durante 24 horas; al material envejecido se le calculó la viscosidad a 60°C y propiedades reológicas usando el reómetro de
119
corte dinámico; el espesor de la película de asfalto también fue variado entre 1,59-mm y 3,18-mm. (2) El segundo paso incluyó ensayar cuatro asfaltos a tres temperaturas de envejecimiento (90º, 100º y 110ºC) para un período de envejecimiento de 20 horas; este período de tiempo fue seleccionado para permitir las labores de preparación de la muestra y la vajilla; para evaluar el efecto del tiempo, se incluyeron otros dos tiempos de envejecimiento de 10 y 40 horas, pero sólo a 100°C de temperatura. Las más grandes conclusiones de este análisis fueron: -
El efecto de la temperatura es altamente asfalto – específico, i.e., mientras unos asfaltos mostraron una fuerte alza en su índice de envejecimiento al aumentar la temperatura, otros mostraron alzas moderadas para el mismo incremento en la temperatura de envejecimiento.
-
Se comprobó la no – proporcionalidad del efecto de la temperatura ya que, por ejemplo, el aumentar la temperatura de 54º a 60ºC producía aumentos mucho menores en el índice de envejecimiento que el aumentar la temperatura de 71º a 77ºC (mismo incremento).
-
Ejecutar el PAV a temperaturas altas es muy eficaz en disminuir el tiempo exigido para alcanzar niveles altos de endurecimiento. El endurecimiento, medido por el cambio relativo en viscosidad capilar a 60°C debido al envejecimiento a 100°C durante 24 horas, es aproximadamente igual al endurecimiento resultante de envejecer a 71°C durante 144 horas. Este resultado es equivalente a aproximadamente una reducción del 50% en el tiempo por cada 10°C de incremento en la temperatura de envejecimiento.
-
El efecto del espesor de la película es muy significativo incluso a altas temperaturas. Se esperaba que la alta temperatura y presión eliminarían el efecto del espesor de la película y normalizarían el envejecimiento con respecto a la proporción de difusión. Los resultados claramente mostraron que éste no es el caso y que el efecto del espesor de la película es altamente asfalto específico.
-
La ganancia de masa durante una prueba de PAV no refleja el envejecimiento del asfalto de una manera directa y no se informa ganancia de masa en la especificación. Las medidas de ganancia de masa dependen del nivel de "outgassing" (salida de gas) al final de la prueba de PAV y es difícil reproducirse.
-
Dentro del protocolo de 20 horas, se estudió la sensibilidad de los niveles de endurecimiento con la temperatura de envejecimiento (90º, 100º y 110ºC) y con el tiempo de envejecimiento 120
(10, 20 y 40 horas); se eligió el módulo complejo a 45°C y 10 rad/s para reflejar el endurecimiento, tomando una relación lineal entre los valores del módulo. Se concluyó que la sensibilidad con respecto al tiempo de envejecimiento es mucho menor que la sensibilidad con respecto a la temperatura. Se recomienda por consiguiente un control de +/– 10 minutos sobre el tiempo de envejecimiento a 2.07 MPa de presión. -
Como se mencionó anteriormente, se estableció que el protocolo de 71°C y 144 horas reproducía bastaste bien los niveles de envejecimiento reportados en terreno en climas moderados. Por consiguiente, se evaluó la equivalencia del protocolo de 24 horas del PAV con respecto al envejecimiento previo hecho a 71°C. Las Figuras 5.16 y 5.17 muestran gráficos iguales para las distintas temperaturas de envejecimiento y tiempos de envejecimiento. Las figuras incluyen los valores del módulo complejo y el ángulo de fase a 15° y 45°C. El protocolo de 100°C, 20-horas y 1,59-mm da los mejores resultados considerando la equivalencia con el protocolo de 71°C, 144-horas y 1,59-mm. Sin embargo, este protocolo no es práctico porque requiere cambiar la cantidad del material después del TFOT. Por consiguiente, el protocolo de 100°C, 20-horas y 3,18-mm se seleccionó como el test estandar. Este protocolo todavía da niveles de envejecimiento comparables, elimina la necesidad de cambiar las bandejas del TFOT, y potencialmente reduce la variabilidad debido a la uniformidad del espesor de la película. Es esor de Película = 1,59 mm ) s a r o h 0 2 – V A P ( d a d e i p o r P n e o i b m a C
Temp PAV, ºC
Igualdad
Cambio en Propiedad (PAV –71ºC – 144 horas)
Figura 0.16: Comparación endurecimiento en PAV entre protocolo de 144-horas, 71ºC y protocolo de 20-horas a diferentes temperaturas. 121
Espesor de Película = 3,18 mm ) C º 0 0 1 – V A P ( d a d e i p o r P n e o i b m a C
Tiempo PAV, hr
Igualdad
Cambio en Propiedad (PAV –71ºC – 144 1 44 horas)
Figura 0.17: Comparación endurecimiento endurecimiento en PAV entre protocolo de de 144-horas, 71ºC y protocolo de 100ºC y diferentes diferentes tiempos de envejecimiento.
5.4.4 Validación de Terreno de los Resultados del Test. El primer objetivo del experimento de validación fue verificar que los cambios en las propiedades físicas y químicas de asfaltos que ocurren durante el procedimiento del PAV, son similares a los cambios que ocurren durante el envejecimiento en el terreno. El segundo objetivo fue establecer la conexión entre los niveles de envejecimiento en el PAV a diferentes tiempos y temperaturas y los niveles de envejecimiento en terreno para ambientes diferentes. El último objetivo fue considerar un paso inicial para calibrar el procedimiento del PAV para reflejar el envejecimiento de largo-plazo en diferentes ambientes. Estuvo fuera del alcance del estudio de SHRP el establecer una relación cuantitativa entre los parámetros de envejecimiento de laboratorio (temperatura y tiempo de envejecimiento) y parámetros de envejecimiento de terreno, que incluyen temperatura y tiempo de servicio así como las variables de la mezcla. El criterio para seleccionar las secciones de prueba incluyeron la disponibilidad del material original, edad de la sección de prueba, viabilidad de obtener asfalto de esas secciones, y condiciones medioambientales. Se seleccionaron catorce secciones para el experimento. Se
122
localizaron asfaltos originales guardados desde el tiempo de construcción para ser ensayados. Se recogió la información sobre la estructura del pavimento y su historia. Se trataron los asfaltos originales en el TFOT y PAV y se estudiaron las propiedades para los asfaltos no-envejecidos, TFOT-envejecidos y PAV-envejecidos junto con los asfaltos recuperados de las secciones de prueba. Se evaluaron las propiedades reológicas, de falla, y químicas para comparar los efectos del envejecimiento de TFOT – PAV con los efectos del envejecimiento en terreno. Asfaltos de 12 secciones fueron ensayados en condiciones originales, después de TFOT, y después de PAV. Además, se ensayaron asfaltos recuperados de 8 secciones obteniéndose sus propiedades reológicas. Las Figuras 5.18 y 5.19 muestran los resultados reológicos para el asfalto de una sección en Florida. Se muestran las curvas maestras del asfalto original, PAVenvejecido, y del recuperado y las funciones de cambio ( shift functions) de temperatura para las tres condiciones. Los resultados mostrados en la primera figura claramente indican que los cambios en reología debido al PAV son muy semejantes a aquellos que ocurren durante el envejecimiento de terreno. La edad de las secciones de cuyos asfaltos se muestran las propiedades es aproximadamente 8 años, y la sección se localiza en un clima relativamente moderado. La figura 5.19, indica que el envejecimiento, ya sea en el PAV o en el terreno, produce cambios mínimos en las funciones de cambio (shift) de tiempo-temperatura. La figura 5.19 también indica que los niveles de envejecimiento causados por el PAV a 100°C durante 20 horas son muy cercanos a los niveles de envejecimiento que ocurren en esa sección de Florida después de 8 años. Esta similitud en la forma de las curvas maestras para el envejecimiento del PAV y asfaltos recuperados también se vio para otro asfalto usado en otra sección en Wyoming, en la cual puede observarse la misma similitud entre el envejecimiento en PAV y el de terreno. Esta otra sección, sin embargo, tiene sólo 4 años de vida de servicio. Los dos ejemplos anteriores indican que el envejecimiento en PAV produce efectos de envejecimiento similares al producido en terreno. Los ejemplos también indican que la relación entre las condiciones de envejecimiento en el PAV y las condiciones en el terreno no es simple. Los resultados para la sección de Florida dan un equivalente de 8 años en el terreno, mientras que para la sección de Wyoming, el equivalente es sólo 4 años. Los datos coleccionados para otras secciones confirman el último punto. Para una sección en el desierto de California, el envejecimiento del PAV no alcanza a simular los niveles de envejecimiento en terreno después
123
de sólo 4 años. Los resultados claramente muestran el rol del clima y cómo la equivalencia del envejecimiento en el PAV debe ser evaluada con respecto al clima local del pavimento. Debido a todos estos antecedentes, se optó por dejar un protocolo de 20 horas – 100ºC – 2,07 MPa – 3,18-mm para climas relativamente moderados, incorporando temperaturas de 90ºC para climas fríos y 110ºC para climas cálidos. Estudio de Validación de Terreno ] a P [ , * G , o j e l p m o C o l u d ó M
Original
PAV-envej.
Sección: Florida
Recuperado
Frecuencia Reducida [rad/s]
Figura 0.18: Curvas Maestras Maestras para asfalto usado en Sección Sección de Florida, 8 años. Estudio de Validación de Terreno Original
PAV-envej.
Sección: Florida Recuperado
) T a ( g o L
Temperatura [ºC]
Figura 0.19: Funciones de cambio de Temperatura Temperatura para asfalto en Florida, 8 años. 124
CAPÍTULO 6: CÁMARA DE ENVEJECIMIENTO A PRESIÓN (PAV).
En el Capítulo anterior se revisó el procedimiento a través del cual los investigadores del programa SUPERPAVE llegaron finalmente al desarrollo de la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV). Éste consistió básicamente en tomar como base un procedimiento que provocara el endurecimiento en el ligante similar al producido en el terreno tras un período de servicio entre 5 a 10 años, el cual fue después modificado por razones de seguridad, tiempo y comodidad de laboratorio. La investigación comprendió un análisis de las variables que afectan la dinámica de la oxidación dentro de la cámara y posteriormente una validación de terreno que tomó en cuenta las limitantes obvias con respecto al presupuesto del estudio, abandonando la incorporación de más variables, como lo son las propiedades de la mezcla y las condiciones medio ambientales. De todas formas, y como pudo observarse en la validación, el protocolo final fue considerado un buen procedimiento de simulación del envejecimiento de Largo Plazo. En el presente Capítulo se mostrará más en detalle el procedimiento de envejecimiento, así como el Horno mismo utilizado en esta Memoria y presente en Chile únicamente en la Refinería de Petróleos de Concón (RPC). La siguiente información está basada en las referencias MIÑO03 y PREN98 de esta Memoria.
6.1
ANTECEDENTES GENERALES.
El procedimiento consiste en colocar una muestra de ligante dentro de un recipiente a una elevada temperatura, presurizándolo a una presión de 2,1 ± 0,1 [Mpa] durante 20 horas. Se emplean muestras de ligante de 50 [gr.], pudiendo ser envejecidas hasta diez muestras de ligante en un mismo recipiente. Las temperaturas de ensayo son: 90ºC, 100º y 110ºC, y varían dependiendo de la temperatura del lugar en donde se va a utilizar el ligante; va desde los 90ºC para climas fríos, hasta los 110ºC para climas cálidos. El proceso de envejecimiento es acelerado, combinando la alta temperatura con la presión, lo cual se obliga al oxígeno a ingresar a la muestra, envejeciéndola así por oxidación acelerada y recreando en cuestión de horas, años de envejecimiento en servicio del pavimento. 125
El equipo consiste básicamente en un horno, el cual debe mantener la temperatura constante durante el ensayo mediante un sistema controlador de temperatura; y un recipiente para presurización donde el aire a presión proviene de un cilindro de aire comprimido limpio y seco, con un regulador de presión, una válvula de seguridad y una válvula de descarga de acción lenta. La cámara a presión es de acero inoxidable y debe estar diseñada para operar bajo condiciones de presión y temperatura especificadas; debe dar cabida a un set de platillos normalizados que se acomodan en un bastidor, los cuales deben permanecer nivelados durante el ensayo, asegurando así un espesor de película uniforme. La tapa de la cámara debe sellar el horno herméticamente para lo cual está provista de una termocupla termocupla de presión y de un sensor sensor de temperatura. Este procedimiento, al ser un ensayo de acondicionamiento, no necesita recolectar información; no obstante, la temperatura y la presión deben ser monitoreadas rigurosamente durante todo el tiempo de duración del ensayo.
6.1.1 Preparación de la Muestra. Este ensayo se realiza con ligante previamente envejecido en el RTFO. Las muestras ya envejecidas se mezclan para producir una sola muestra homogénea, para luego colocar 50 ± 0,5 gramos de ligante en cada platillo normalizado, a fin de lograr una película de 3,18 milímetros de espesor; solamente se requieren dos platillos para efectos de la especificación. Las investigaciones efectuadas demostraron que no se producen efectos negativos al colocar ligantes de diferentes orígenes en el mismo recipiente, tal como se vio en el Capítulo 5. Cuando termina el ensayo, los platillos se retiran del bastidor y se colocan en un horno a 163 ºC durante 30 minutos. Este paso permite que el aire atrapado dentro de la muestra que forma burbujas pueda emerger a la superficie. Luego, las muestras se transfieren a un recipiente, quedando este residuo disponible para los ensayos de caracterización.
126
6.1.2 Cuidados Especiales. El envejecimiento por oxidación acelerado durante el ensayo PAV es sensible a varios factores, los cuales deben ser controlados con especial cuidado. Éstos son: a) Espesor de película. La oxidación del asfalto tiene una difusión limitada, por lo tanto el espesor de la película de asfalto es un factor muy importante para obtener resultados consistentes. Para algunos asfaltos pesados (los modificados especialmente), el peso del ligante en los platillos de ensayo se debe ajustar de acuerdo a su peso específico, para obtener muestras de espesor de 3,18 [mm]. b) Temperatura. La temperatura en el proceso de oxidación acelerada tiene un efecto muy importante, por lo cual debe ser estrictamente controlada. Su variación máxima durante el ensayo debe ser ± 0,5 ºC. c) Nivel de los Platillos. Dada la importancia del espesor de la película de asfalto en los resultados de la oxidación acelerada, se debe verificar que los platillos permanezcan fijos y nivelados durante el ensayo, de tal forma de asegurar un espesor de película constante que proporcione una oxidación uniforme.
6.1.3 Análisis de Resultados. El procedimiento del PAV no es exactamente un ensayo del cual se puedan esperar resultados claramente cuantificables, si no más bien una etapa de acondicionamiento, la cual simula la oxidación en terreno. Por lo tanto, la única información recolectada durante el envejecimiento y que debe permanecer dentro de los límites requeridos es la presión a 2,1 ± 0,1 Mpa y la temperatura con una variación de ± 0,5 ºC. El informe de un ensayo PAV contiene: -
Identificación de la muestra.
-
Temperatura de ensayo, con una precisión de ± 0,5 ºC. 127
-
Máxima y mínima temperatura de ensayo, con una precisión de ± 0,1ºC.
-
Tiempo total durante el envejecimiento en que la temperatura no cumplió el rango.
-
Tiempo total de envejecimiento especificado en horas y minutos, con una precisión de 1 minuto.
6.1.4 Calibración y Normalización. La temperatura interna de la cámara se supervisa mediante un Detector Térmico de Resistencia RTD; la precisión de éste se verifica con un termómetro calibrado. La presión indicada en el regulador de presión es verificada normalmente por un servicio de calibración.
6.2
EQUIPO PAV PRENTEX MODELO 9300.
La Cámara de Envejecimiento a Presión que se utilizó en este trabajo de Memoria y que está presente en la RPC, corresponde al nuevo Sistema PAV Modelo 9300, el cual incluye el Sistema Controlador Modelo 9300SC. Ambos se programan de fábrica para ejecutar el envejecimiento acelerado de muestras de ligantes asfálticos de acuerdo a los requerimientos de los Procedimientos Standard AASHTO PP1 y ASTM PS 36. Funciona a alta presión (2,1 Mpa) y a altas temperaturas (90º, 100º ó 110ºC) en un recipiente de acero inoxidable que posee un bastidor para la colocación de platillos estándar de cemento asfáltico.
6.2.1 Principales Características. -
Posee un Detector Térmico de Resistencia RTD que mide la temperatura de ensayo interna a ±0,1 ºC.
-
Permite la selección de temperaturas de ensayo entre 90ºC, 100ºC y 110ºC, controladas a ± 0,2ºC.
-
Posee un controlador de presión monitorizada por un transductor, controlada hasta 2,1 ± 0,1 Mpa.
128
-
Posee indicación digital de presión y temperatura.
-
La energía de consumo máxima es de 650 Watt.
-
Incluye entradas para la calibración de presiones y temperaturas.
-
Posee dispositivos de seguridad incorporados (valve relief).
6.2.2 Principales Componentes y Accesorios. -
Sistema PAV PRENTEX Modelo 9300.
-
Sistema Controlador PRENTEX Modelo 9300SC.
-
Computador PC con software Hyperterminal.
-
Juegos de 10 platillos de acero inoxidable (tipo TFOT).
-
Juego de bastidores (para colocar los platillos).
-
Regulador de presión de aire
-
Manómetro certificado a 305[psi].
-
Manguera de aire.
-
6 Pernos para sellar la tapa de la cámara.
-
Llave corona (dado hexagonal de 1”1/16).
-
Cubierta aislante de la cámara presurizada.
-
Sistema de válvulas (válvula de aguja, válvula relief, válvulas solenoides).
-
Empaque O-Ring.
-
Cilindro de aire comprimido seco (6 m3).
En la siguiente Figura se muestra el equipo PAV con los principales componentes y accesorios.
129
Tapa de la Cabina Tapa de la Cámara a Presión Sistema Controlador 9300SC
Indicadores Digitales de Presión y Temperatura
Bastidor y Platillos TFOT Cabina de Acero Inoxidable
Manguera y Regulador de Presión de Aire
Pernos
Figura 0.1: Cámara de Envejecimiento a Presión, Modelo PRENTEX 9300.
6.2.3 Sistemas de Control. a) Sistema de Control de Presión. El sistema de control automático de presión del PAV está diseñado para mantener la presión al valor de envejecimiento de diseño de 2,1 MPa (305 psi), no pudiéndose ajustar manualmente a una presión más alta que la presión de diseño de la cámara. El sistema utiliza un transductor de presión, un control lógico PID transistorizado y dos válvulas solenoides. El sistema posee un regulador de presión de aire que reduce la presión desde el cilindro de aire comprimido a 2,45 Mpa; el regulador reúne los estándares de seguridad de la industria para aire y gases inertes. La manguera de aire, la válvula de aguja, las válvulas solenoides y accesorios son fabricados según el Standard ANSI B16.1. b) Sistema de Control de Temperatura. El sistema de control de calentamiento está diseñado para mantener la temperatura de envejecimiento en el PAV al valor especificado de 90,0º, 100,0º ó 110,0ºC. Emplea dos dispositivos de temperatura de resistencia como sensores para el proceso de control de temperatura, los cuales están
130
conectados a un control lógico PID digital. Un sensor y su circuito de control adherido regulan la temperatura de la pared de la cámara; un segundo sensor y su circuito de control mantienen la temperatura de envejecimiento especificada ( ± 0,2ºC) dentro de la cámara del PAV. c) Sistema Controlador PRENTEX Modelo 9300SC . Éste es un sistema remoto de manejo que automatiza funciones y almacena información. A través de éste se visualizan los datos críticos, se permite la rápida estabilización de la temperatura después de la presurización, se mejora el desempeño del sistema y la repetibilidad de los resultados debido a la eliminación de varias funciones manuales del operador del equipo. Adicionalmente, el Sistema Controlador permite registrar y almacenar automáticamente los datos de presión y temperatura para posteriormente descargarlos a un computador mediante algún programa comunicacional de Windows o DOS y además, permite compartir el computador con otros equipos del laboratorio.
6.2.4 Instrucciones para Operar el PAV PRENTEX Modelo 9300 [MIÑO03]. Estas instrucciones de operación corresponden a las ejecutadas en conjunto con el Sistema Controlador PRENTEX Modelo 9300SC, el cual automatiza todo el proceso de envejecimiento.
1.- Los interruptores de presión y temperatura deben estar en la posición AUTO durante la operación completa controlada por el 9300SC.
2.- Presionar el botón START en el sistema controlador. La visualización debe cambiar a Select Test Temp 90 [100] 110. La temperatura con […] será seleccionada presionando START. Se puede cambiar la temperatura de envejecimiento presionando el botón NEXT , lo cual provocará que el […] se mueva a 110, luego a 90 y luego vuelva a 100. Cuando
→
la temperatura deseada esté encerrada por […], presionar el botón START para seleccionar dicha temperatura.
3.- En la visualización se debe ahora leer Final Test Temp Cool [Preheat]. El controlador se fija para retornar la temperatura del PAV al cabo de 20 horas de envejecimiento, a la temperatura de precalentamiento o enfriamiento en lugar de la temperatura de ensayo. Cool
Down le permite al PAV enfriarse hasta aproximadamente 20ºC. Es mejor dejar el PAV fijo 131
en [Preheat] a menos que la unidad con la muestra dentro no sea vigilada al seguir el proceso de envejecimiento. Usar el botón NEXT para colocar el […] alrededor del estado →
de finalización del proceso deseado, luego presionar el botón START para seleccionar dicho estado. Nota: La temperatura de precalentamiento se fija 5ºC bajo la temperatura de envejecimiento. Esto es para ajustar el ascenso de temperatura en la cámara a presión cuando ésta se está presurizando. Con la cámara fría, permitir un mínimo de tres a cuatro horas para llevar a cabo el proceso de precalentamiento; la unidad debe alcanzar la temperatura de precalentamiento desde la temperatura ambiente dentro de una hora. Se debe permitir un mínimo de tres horas para que la cámara y el sistema de aislación se estabilicen a la temperatura de precalentamiento antes de iniciar un proceso de envejecimiento. Se recomienda que en todo momento la unidad se deje en el modo precalentamiento (Preheat).
4.- En la visualización se debe ahora leer Preheat to 95 Please Wait (o precalentar a 85 o 105 para un envejecimiento a 90º o 110ºC). El bastidor debe estar en la cámara sin los platillos. La cámara debe estar sellada con los pernos puestos en la tapa, la cobertura aislante situada en su lugar y la tapa del horno cerrada.
5.- El sistema se precalentará y luego indicará Preheat Complete Load Sample . 6.- Cuando se abra la cámara para sacar el bastidor caliente, el sistema percibirá el cambio de temperatura. Así, la visualización cambiará a Seal Vessel Then Press Start (sellar la cámara luego presionar Start).
7.- Rápidamente abrir la cámara y cargar la muestra, luego verificar que el empaque O-Ring esté correctamente en el surco antes de cerrar y atornillar la tapa del PAV. Presionar el botón START. Aparecerá la siguiente visualización: Preheat to 94º / Temp = xx.x , donde xx.x es la temperatura actual del aire en el PAV ( Preheat to…será a 84º o 104º para las otras temperaturas de envejecimiento). Se comenzarán a cargar y almacenar los datos internos en el modo “Diagnostic Data”, lo cual continuará a intervalos de 20 segundos durante 2 horas. Nota: Cada platillo TFOT debe contener 50 ± 0,5 gramos de ligante asfáltico, lo que producirá un espesor de película de ligante asfáltico de aproximadamente 3,2 mm. Nota: Instalar los pernos del PAV girándolos solamente hasta que hagan contacto con la tapa de la cámara presurizada (trabajar en dos triángulos traslapados, instalar primero tres pernos y luego los otros tres). Luego, empleando el mismo patrón de traslape triangular, apretar los pernos en no más de 1/8 de vuelta
132
después de que éstos hagan contacto con la tapa. Colocar la cubierta aislante sobre la tapa de la cámara del PAV y luego cerrar la tapa del horno.
8.- Cuando se reúnan todas las condiciones de precalentamiento, el sistema visualizará Preheat Complete Pressurizing, posteriormente T=xxx.x P=x.xx / Pressure 0:0x:xx y, comenzará la presurización de la cámara. T y P son la temperatura y presión actual en la cámara y el tiempo visualizado corresponde al tiempo desde que comienza la presurización.
9.- Tomará 5 minutos la presurización hasta 2,1 Mpa. 10.- Si no se alcanzan al menos 2,00 Mpa dentro de 10 minutos, aparecerá la siguiente visualización y no continuará el proceso envejecimiento: Pressure Failure Press Start . Puede ser necesario presionar START varias veces para limpiar el mensaje de error, luego se debe visualizar Download Data Available .
11.- Cuando la presión en la cámara alcance 2,00 Mpa, el controlador comenzará a registrar el tiempo de 20 horas de envejecimiento y la visualización cambiará a : T=xxx.x P=2.09
Elapsed 0:00:xx, los cuales corresponden a la temperatura y presión actual, y al tiempo de envejecimiento transcurrido (visualización básica).
12.- En este punto, pueden ser seleccionadas alternadas visualizaciones presionando el botón NEXT→. El presionar el botón NEXT→ repetidamente, conduce a tres visualizaciones diferentes retornando luego a la visualización básica. Nota: Las otras visualizaciones disponibles son: (1) T=xxx.x P=x.xx Tw=xxx.x Pwr=x , donde Tw es la temperatura de la pared de la cámara y Pwr es el % de los 500 Watt de potencia calórica disponible que requiere el controlador de temperatura; (2) T=xxx.x P=x.xx Temp Err=0:00:xx , donde Temp Err es la cantidad de tiempo desde que se registra el tiempo de envejecimiento, en el cual la temperatura del aire dentro del PAV ha estado fuera del rango aceptado en ± 0,5ºC, y corresponde a la tolerancia permitida por el Procedimiento Standard (si este tiempo excede los 10 minutos permitidos, aparecerá un mensaje de error de temperatura); (3) T=xxx.x P=x.xx Pres Err=0:00:xx , donde Pres Err es la cantidad de tiempo desde que se registra el tiempo de envejecimiento en que la presión no fue 2,10 ± 0,1 Mpa. Nota: Si la temperatura visualizada resulta estar sobre o bajo la temperatura de envejecimiento de ensayo en
± 0,5ºC por más de 10 minutos durante el período de 20 horas de envejecimiento, declarar el ensayo inválido y descartar el material. Nota: La potencia que se visualiza se ha multiplicado por 0,10. Esto implica que 1.5 = 15%, 0.6 = 6%, etc.
13.-Finalización del Proceso de Envejecimiento. Al finalizar las 20 horas de envejecimiento, el sistema automáticamente indicará que el PAV 9300 liberará la presión. Después de un
133
intervalo de 16 minutos la cámara quedará despresurizada y finalizará la carga de datos. Se visualizará Download Data Available . (Sólo hasta este momento se puede acceder a los datos para descargarlos). En esta etapa, al presionar el botón NEXT→ se visualizarán ambos, Temperature Error Time y Pressure Error Time. Al presionar el botón NEXT→ la visualización se alternará entre Error Times y Download Data Available . Nótese que los datos pueden ser descargados en cualquier momento, cualquiera sea el mensaje mostrado. Nota: Mientras se visualicen, ya sea, Download Data Available o Temp Err=x:xx:xx / Pres Err=x:xx:xx, no se debe por ningún motivo presionar el botón START o desconectar el cable conector entre el PAV 9300 y el Controlador 9300SC, ya que puede ocurrir la pérdida total de datos. Nota: La presión se liberará a una tasa aproximadamente lineal en un período de 9 1/2 minutos, en pasos aproximados de 0,10 Mpa. Para lograr esto correctamente, la válvula ubicada en el panel posterior del PAV Modelo 9300 necesita abrirse en no más de 1/4 (1/2) de vuelta. Esto es para prevenir la rápida reducción de presión, ya sea luego del proceso de envejecimiento o en el caso que ocurra alguna interrupción en el suministro de energía. Periódicamente se debe verificar el tiempo de despresurización en los datos descargados y según esto ajustar la válvula en el panel posterior. La liberación de presión en un período menor al recomendado puede provocar obstrucción o daño en el sistema de aire, producto de la formación de espuma en el asfalto.
14.- Esperar hasta que la presión sea menor a 0,05 Mpa, luego remover los pernos de la tapa y quitar las muestras. Registrar los tiempos: Total Temp Error y Total Press Error y descargar los datos si se desea cuando aparezca el mensaje Download Data Available en la visualización del 9300SC.
6.2.4.1
Descarga de Datos almacenados en el Sistema Controlador Modelo 9300SC.
Los datos pueden ser descargados después de finalizado el ensayo para analizar o verificar el correcto desempeño del sistema durante el proceso de envejecimiento. Los datos pueden ser descargados empleando un programa de comunicación en DOS o Windows. Los datos se presentan en columnas separadas por comas y corresponden a un archivo del standard ASCII, el cual puede ser revisado sobre la pantalla DOS o importados, ya sea a un procesador de texto o a una planilla de cálculo.
134
Los datos disponibles cuando se inicia la descarga aparecerán en un menú sobre la pantalla del computador, el cual contiene el siguiente texto:
PAV Controller V4.01 Copyright
2000, Prentex
1.- Aging Run 2.- Diagnostic Data Menú 1: AGING RUN: Corresponde al proceso de envejecimiento completo, registrado a intervalos de 1 minuto desde el momento en que la presión alcanza 2,00 Mpa hasta las 20 horas de finalizado el proceso de envejecimiento, más 16 minutos extra para registrar el período de despresurización. Los datos de cada columna corresponden respectivamente a: Time, Vessel Air Temperature, Vessel Wall Temperature, Power y Pressure .
Menú 2: DIAGNOSTIC DATA: Corresponde al registro de datos durante dos horas, a intervalos de 20 segundos desde la vez que se presionó el botón “START” después de cargada la muestra dentro del PAV. Esta información detallada puede ser utilizada por el usuario y los fabricantes para el diagnóstico del sistema o para controlar los problemas. Los datos de cada columna corresponden respectivamente a: Time, Air Temperature, Wall Temperature, Internal Set Point, Power y Pressure. El parámetro Internal Set Point lo calcula el controlador de
temperatura y se emplea en la operación interna del sistema para determinar la cantidad de potencia requerida en ese momento. Para la descarga de datos desde el modelo 9300SC luego de finalizado el proceso, el programa comunicacional empleado correspondió al software HyperTerminal perteneciente al grupo de accesorios de Windows 95. HyperTerminal está diseñado para cubrir necesidades en materia de software de comunicaciones; incluye la recuperación de volcado de errores de Zmodem, reintento de marcado con línea ocupada y una mejor utilización y presentación de fuentes. HyperTerminal ha sido desarrollado por Hilgraeve Inc. para Microsoft.
135
CAPÍTULO 7: ENVEJECIMIENTO Y REOLOGÍA.
El envejecimiento no es una propiedad física que pueda medirse numéricamente. Para definir el envejecimiento primero debe seleccionarse una propiedad o un set de propiedades que son importantes para una aplicación específica del material, y luego debe medirse a través de medios apropiados el cambio en ese set de propiedades como resultado del envejecimiento. En general, las propiedades físicas medidas pueden ser clasificadas en tres grupos generales: medidas puntuales, parámetros de susceptibilidad y mediciones de viscoelasticidad lineal (LVE). Se presentan a continuación estas formas de evaluar el envejecimiento, con un respectivo comentario crítico acerca de su validez.
7.1
MEDIDAS PUNTUALES.
Se usan uno o varias medidas de consistencia independientes para evaluar el endurecimiento del asfalto. Entre las más comúnmente usadas están la Penetración, Ductilidad, Punto de Ablandamiento, y varios tipos de medidas de Viscosidad. Las primeras tres son de naturaleza empírica, mientras la cuarta es una propiedad fundamental del material. La mayor parte de los primeros estudios de durabilidad del asfalto se basaron completamente en las mediciones empíricas para evaluar el endurecimiento del asfalto causado por envejecimiento natural en el terreno o envejecimiento acelerado en laboratorio. Una disminución en los valores de penetración y ductilidad, y un aumento en la temperatura del punto de ablandamiento eran considerados buenos indicadores del endurecimiento.
7.1.1 Penetración1. Este ensayo mide la consistencia del asfalto a través de la penetración de una aguja en una muestra de asfalto a una temperatura de 25ºC durante 5 segundos. La penetración de la aguja se mide en décimas de milímetro (dmm). El mismo ensayo se puede efectuar a otras temperaturas bajo condiciones diferentes de carga/tiempo, sin embargo no existe una buena correlación con 1
Procedimiento según 8.302.3-MCV8 Asfaltos: Método de Ensaye de Penetración (LNV 34).
136
estas variantes [THEN00]. La Penetración a 25ºC generalmente representa la consistencia del asfalto a la temperatura promedio para los pavimentos en servicio, por lo que su valor influirá de alguna manera en el desempeño global de la mezcla asfáltica. Hay disponible una gran cantidad de información de Penetraciones de asfaltos recuperados del terreno, la cual indica que el envejecimiento se traduce en una progresiva disminución de la penetración con el tiempo, tal como lo indica la Figura 7.1. Hubbard y Gollomb concluyeron lo siguiente de su estudio del efecto del endurecimiento del cemento asfáltico [ROBE01]: -
Cuando la penetración (25ºC) de un cemento asfáltico disminuye a menos de 20 [dmm], puede ocurrir un severo agrietamiento del pavimento.
-
Algún agrietamiento puede ocurrir cuando la penetración está entre 20 y 30[dmm].
-
Una alta resistencia al agrietamiento se puede tener cuando una mezcla está bien diseñada, adecuadamente compactada y la penetración del asfalto supera los 30[dmm].
C º 5 2 A N Ó I C A R T E N E P
PRIMERA GRIETA OBSERVADA
VIDA DEL PAVIMENTO, MESES
Figura 0.1: Penetración versus Tiempo de Envejecimiento en Meses.
El inconveniente de este ensayo es que la tasa de corte empleada es alta y variable. No sólo involucra las propiedades del asfalto en sí, sino además, la adhesión entre el asfalto y la aguja de penetración. La penetración de la aguja no aplica un esfuerzo constante al asfalto, debido al cambio de volumen que experimenta la muestra mientras la parte cónica de la aguja se desplaza 137
hacia el interior del asfalto. La parte cónica de la aguja ocurre hasta una penetración 64[dmm] y en ese punto se produce una discontinuidad que dificulta aún más la correlación del ensayo con otro tipo de mediciones [THEN00].
7.1.2 Ductilidad1. El ensayo de Ductilidad mide la deformación máxima, en centímetros, que alcanza una muestra estandarizada al ser estirada a una velocidad y temperatura constante, la cual suele ser 25ºC. La importancia del test como un medio de control de calidad o especificación ha sido muy debatida debido a su naturaleza empírica y pobre reproducibilidad. Es difícil decidir exactamente qué propiedad se está midiendo. Welborn y Kandhal informaron una buena correlación con la susceptibilidad de corte a 7º y 16ºC para varios asfaltos, independientemente de la fuente. Barth estableció que la ductilidad es buen indicador del estado físico-químico del sistema coloidal del asfalto [ROBE01]. Varios estudios han relacionado la ductilidad del asfalto con la performance del pavimento. Doyle midió ductilidad a 13ºC y observó un extenso agrietamiento del pavimento cuando la ductilidad adopta valores bajo 5 cm. Halstead demostró que los pavimentos que contienen asfalto con penetraciones consideradas normalmente satisfactorias (30 a 50), pero con baja ductilidad son propensos a mostrar un peor desempeño que aquellos con la misma penetración, pero ductilidad más alta. Hveem, con datos del Tramo de Prueba de Zaca-Wigmore2, encontró creciente evidencia de que el test de Ductilidad sobre asfalto recuperado desde el pavimento durante su vida de servicio es un importante método para juzgar la performance. Serafin, al revisar datos de testigos con 7 años de servicio del Tramo de Prueba de Michigan 3, informó que las secciones que presentaron mayor agrietamiento y desgaste fueron aquellas con más baja ductilidad, a pesar de no presentar diferencias significativas en la penetración. Kandhal estudió 10 pavimentos en Pennsylvania y concluyó que el envejecimiento produce una progresiva disminución de la penetración y aumento de la viscosidad; sin embargo, la lógica disminución
1
Procedimiento según 8.302.8-MCV8 Asfaltos: Método para determinar la Ductilidad (LNV 35).
2
Tramo de Prueba de Zaca-Wigmore. Ver Capítulo 4, página 79.
3
Tramo de Prueba de Michigan. Ver Capítulo 4, página 80.
138
de la ductilidad a baja temperatura resultó ser un muy importante factor: para penetraciones bajo 30 debido al endurecimiento, los pavimentos con asfalto cuya ductilidad era más baja mostraron peor desempeño que aquellos de igual penetración, pero con ductilidades más altas [ROBE01].
7.1.3 Punto de Ablandamiento1. El ensayo de Punto de Ablandamiento (Anillo y Bola) fue propuesto como procedimiento estándar en 1915. El ensayo mide la temperatura a la cual una muestra cilíndrica de asfalto alcanza una deformación específica bajo la carga de una bola de acero. El resultado se expresa en ºC y las temperaturas resultantes, para diferentes asfaltos, varían en un amplio rango (aproximadamente 30º a 140ºC). Se ha demostrado que la temperatura obtenida como resultado del ensayo del Punto de Ablandamiento corresponde a un valor de penetración de 800 dmm. Este valor teórico de penetración junto al valor de penetración obtenido a 25ºC, permite evaluar en forma relativa la susceptibilidad del asfalto a cambio de temperatura. Para cuantificar la susceptibilidad del asfalto a los cambios de temperatura se definió el valor “Índice de Penetración” o “Índice Pfeiffer” el cual se discute más adelante [THEN00]. Algunos autores han sugerido un aumento de 20ºC del Punto de Ablandamiento para procedimientos de envejecimiento acelerado artificial en laboratorio, tal como lo hace el procedimiento de PAV 2.
7.1.4 Punto de Fragilidad Fraass3. El ensayo fue concebido por Fraass en 1937 y paulatinamente se fue incorporando como un ensayo estándar por la mayoría de los países de Europa y Europa Occidental. El procedimiento además ha sido estandarizado por el Instituto de Petróleo con la denominación IP-80/53. El ensayo mide la temperatura de ruptura frágil del asfalto. Una película delgada de asfalto se coloca sobre una placa de acero estandarizada, se enfría gradualmente y se flecta bajo 1
Procedimiento según 8.302.16-MCV8 Asfaltos: Método para determinar el Punto de Ablandamiento con
el Aparato de Anillo y Bola (LNV 48). 2
Recomendado por H.U. Bahia, University of Wisconsin, Madison.
3
Procedimiento según 8.302.17-MCV8 Asfaltos: Método para determinar el Punto de Fragilidad Fraass.
139
condiciones específicas, hasta que la película se fractura al alcanzar la “Temperatura de Fragilidad”. El ensayo es de carácter empírico y entrega sus resultados en grados centígrados. Sin embargo, las condiciones de deformación y carga están bien establecidas, lo cual ha permitido determinar el valor del módulo elástico del material cuando alcanza su punto de fragilidad. Por lo tanto, se puede considerar que la temperatura de fragilidad del asfalto medida a través del ensayo Fraass corresponde a la temperatura en la cual el asfalto alcanza su máximo módulo elástico. El módulo elástico calculado bajo estas condiciones es aproximadamente 2,07 ×102 MPa. Este valor se acerca a los valores máximos extrapolados por Van der Poel, Heukelom, Gaw y otros autores. El punto de fragilidad de un asfalto no necesariamente ocurre a bajas temperaturas y es así que asfaltos en servicio y envejecidos naturalmente en el pavimento, pueden mostrar temperaturas de fragilidad de +10º ó +15ºC, es decir, un asfalto envejecido puede comportarse frágil a temperaturas normales de servicio sólo por encontrarse excesivamente envejecido [THEN00]. En un estudio realizado por investigadores de Shell 1 se publica una relación gráfica para predecir el punto de fragilidad de Fraass a partir de la penetración a 25ºC y el Índice de Penetración. Esta relación es interesante desde el punto de vista del envejecimiento, ya que podría validarse en el país con datos de asfaltos recuperados, los cuales, debido al endurecimiento natural sufrido en terreno son susceptibles de presentar agrietamiento térmico o por fatiga. Esta relación se muestra en la Figura 7.2.
1
Estudio “Practical Rheological Characterisation of Paving Grade Bitumens”, por F Th de Bats y G van
Gooswilligen.
140
] C º [ , S S A A R F E D O T N U P
IP
PENETRACIÓN a 25ºC, [dmm]
Figura 0.2: Predicción del Punto de Fragilidad de Fraass [DEBA04].
El problema con estas cuatro medidas vistas (Penetración, Ductilidad, Punto de Ablandamiento y Punto de Fragilidad Fraass) es doble: (1) son medidas puntuales que posiblemente no pueden dar una representación adecuada de la naturaleza original o del cambio después de envejecer, de las complejas propiedades viscoelásticas del asfalto, y (2) son empíricas en naturaleza, lo que indica que no pueden con precisión ni simpleza, ser relacionados a cualquier propiedad reológica fundamental del material.
141
7.1.5 Viscosidad. Como se ha mencionado anteriormente, el envejecimiento del asfalto en el pavimento se traduce en un progresivo aumento de la viscosidad con el tiempo, tal como lo muestra la Figura 7.3. Sin embargo, la viscosidad del asfalto envejecido por sí sola no necesariamente controla la performance del pavimento. Índices de Envejecimiento1 basados en la viscosidad a 25ºC fueron encontrados ser más representativos para indicar comparativamente el envejecimiento y la performance de pavimentos en Pennsylvania. Se observó pérdida de agregado (Ravelling) en los pavimentos ensayados cuando el índice de envejecimiento excedió el valor 12 [ROBE01].
S E S I O P , C º 0 6 A D A D I S O C S I V
ASFALTO 1 ASFALTO 2 ASFALTO 3 ASFALTO 4 ASFALTO 5 ASFALTO 6
TIEMPO, MESES
Figura 0.3: Viscosidad a 60ºC v/s Tiempo en Meses.
La viscosidad es una medida fundamental absoluta para fluidos Newtonianos cuyas propiedades son independientes de la tasa de carga o nivel de tensión. Los asfaltos sólo exhiben conducta Newtoniana a temperaturas altas (sobre el punto de ablandamiento), o a tasas de corte muy bajas. A temperaturas bajas, o tiempos de carga cortos, los asfaltos no son Newtonianos y no 1
Índice de Envejecimiento. Ver Capítulo 4, página 64.
142
pueden ser descritos por un valor absoluto de viscosidad. Para resolver este problema y salvar el uso de la viscosidad, se restringieron medidas a temperaturas altas sobre 60°C (140°F) donde la conducta del asfalto generalmente es Newtoniana. El otro acercamiento era complementar la medida con la tasa de corte y/o nivel de carga para que tuviera un significado. La nueva medida, “la viscosidad aparente” 1 era dependiente de la tasa de corte, nivel de tensión, y temperatura. Por lo tanto, arbitrariamente se debía escoger la temperatura y la tasa de corte para dar el valor de la viscosidad aparente; esto se ha decidido generalmente por la conveniencia experimental, siendo lo más usual medir la viscosidad aparente a 25ºC de temperatura y 0,05 s -1 de tasa de corte. Con respecto a los viscosímetros capilares, éstos desarrollan bajos esfuerzos de corte, los cuales pueden no representar lo que el asfalto sufre durante todo el proceso de pavimentación. La viscosidad absoluta medida a 60ºC (flujo forzado con succión externa) asume que el asfalto presenta comportamiento Newtoniano; no obstante, algunos asfaltos pueden mostrar comportamiento no-Newtoniano a esa temperatura (asfaltos envejecidos, asfaltos con polímeros). Esto produce una variación de los resultados debido a que el flujo tiene una componente de deformación elástica que distorsiona el flujo teórico asumido en el tubo capilar del ensayo. La viscosidad cinemática medida a 135ºC (por gravedad) corresponde, aproximadamente, a la temperatura de mezclado y colocación del asfalto; la interpretación de resultados obtenidos a través de este método no pueden ser extrapolados a regiones fuera del comportamiento Newtoniano. Los viscosímetros rotacionales, tal como el Brookfield utilizado en esta memoria, constituyen hoy en día el método más conveniente para medir las propiedades de flujo de líquidos Newtonianos y no-Newtonianos. Éstos permiten la medición continua de deformaciones de corte, las cuales quedan registradas gráficamente; asimismo permiten registrar la recuperación elástica de materiales viscoelásticos al momento de retirar la carga. La geometría del viscosímetro permite establecer una relación directa entre el esfuerzo de corte aplicado, la velocidad de corte (tasa de corte) y la viscosidad del material. La revisión de estudios que usaron medidas de viscosidad indica que la viscosidad y la viscosidad aparente han sido ampliamente usadas para medir las propiedades del asfalto original y sus cambios con el envejecimiento. Aunque estas mediciones pueden ser consideradas
1
Viscosidad Aparente. Ver Capítulo 3, página 42.
143
propiedades fundamentales, ellas no resuelven el problema completo. Todavía son medidas puntuales que no pueden decir mucho sobre la compleja naturaleza reológica de los asfaltos; el valor constante de la viscosidad a temperaturas altas no puede extrapolarse a bajas temperaturas; y la viscosidad aparente es una función del tiempo de carga, nivel de tensión, y temperatura [S36994].
7.2
PARÁMETROS DE SUSCEPTIBILIDAD.
Las medidas antes descritas arrojan valores puntuales que no pueden extrapolarse fuera de las condiciones específicas en las cuales fueron obtenidas. Dado la complejidad de las propiedades reológicas del asfalto y los inconvenientes de las medidas puntuales, muchos investigadores han propuesto parámetros viscoelásticos que pueden de alguna manera describir un rango de propiedades dentro de un dominio de tiempo-temperatura. Estos parámetros pueden ser divididos en dos tipos: parámetros de susceptibilidad de temperatura y parámetros de susceptibilidad de corte. Su uso produce una mejor evaluación de las propiedades reológicas. Sin embargo, muchos de los problemas asociados con las medidas puntuales se trasladaron a estos parámetros.
7.2.1 Parámetros de Susceptibilidad de Temperatura. La Susceptibilidad Térmica se define como la variación de la consistencia de un material con la variación de la temperatura. Se han propuesto y usado varios tipos de parámetros. Ellos varían básicamente en dos formas: (1) el tipo de medida de consistencia usada y (2) el rango de temperatura cubierto. Los primeros estudios usaron la penetración como la medida de consistencia para definir la susceptibilidad de temperatura; la penetración era medida a diferentes temperaturas y se obtenían relaciones entre las variaciones de consistencia. Los acercamientos más fundamentales usaron la viscosidad como la medida de consistencia para caracterizar y definir un parámetro para la susceptibilidad de temperatura. De nuevo, varios tipos de relaciones han sido propuestos, siendo la más ampliamente aceptada la de log-log viscosidad v/s log temperatura (Fair y Volkmann 1943, Nevitt y Krachma 1937), referida como VTS (Viscosity Temperature Susceptibility ). Un tercer acercamiento es usar índices de consistencia: 144
penetración y punto de ablandamiento son usados para el bien conocido índice de penetración (PI) (Pfeiffer y Van Doormal 1936), y la penetración y viscosidad son empleados para el ampliamente usado PVN (Penetration Viscosity Number ) (McLeod 1972) [S36994].
7.2.1.1
Índice de Penetración (IP).
Pfeiffer y Van Doormal expresaron la susceptibilidad de temperatura cuantitativamente por el término designado como “Índice de Penetración”, el cual es determinado con el Punto de Ablandamiento (P.A.), la Penetración a 25ºC y el supuesto de que la penetración del asfalto a la temperatura del P.A. es 800 dmm. Así, de la siguiente expresión, es posible calcular el IP: log(800) − log(Pen ) 20 − IP = 50 × 10 + IP TPA − TPen donde
TPA
:
Punto de Ablandamiento (ºC).
TPen
:
Temperatura del ensayo de Penetración (25ºC).
(7.1)
Sin embargo, varios investigadores han reportado que la penetración calculada para el Punto de Ablandamiento puede distar ampliamente del valor 800, especialmente para asfaltos con altos valores en el P.A. Por consiguiente se recomienda medir la penetración a alguna otra temperatura para calcular el IP:
donde
A=
log(Pen T1 ) − log(Pen T 2 ) T1 − T 2
(7.2)
IP =
20 − 500 ⋅ A 1 + 50 ⋅ A
(7.3)
T1
:
Temperatura de Penetración (25ºC).
T2
:
Temperatura de Penetración distinta a 25ºC.
Mientras menor sea el IP, mayor es la susceptibilidad del asfalto con la temperatura. La mayoría de los asfaltos poseen un IP entre +1 y –1; cementos asfálticos con IP bajo –2 son altamente
145
susceptibles, usualmente se exhiben “quebradizos” a bajas temperaturas y son muy propensos a grietas transversales en climas fríos [ROBE01]. En este contexto, cabe mencionar que la especificación chilena limita el IP entre –1 y +1, rango considerado por algunos autores excesivo; se recomienda limitar el IP a valores entre –1 y 0 [DEBA04]. Algunos autores han recomendado un aumento del IP en 0,75 1 debido al proceso de envejecimiento dado por la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV), lo que debiera representar el aumento en el IP de un asfalto desde su condición original hasta la condición envejecida en terreno, tras 5 a 10 años de vida de servicio.
7.2.1.2
PVN (Penetration Viscosity Number).
En su modalidad más usada, establece la relación entre la consistencia del asfalto medida a 25ºC y 135ºC. La expresión para determinarlo es la siguiente:
PVN = −1,5 ×
donde
4,258 − 0,7967 ⋅ log(Pen 25º C ) − log(V135º C ) 0,7951 − 0,1858 ⋅ log(Pen 25º C )
Pen25ºC :
Penetración a 25ºC, dmm.
V135ºC :
Viscosidad Cinemática a 135ºC, cSt.
(7.4)
Mientras menor sea el PVN, mayor será la susceptibilidad del asfalto con la temperatura. La mayoría de los asfaltos tienen valores entre +0,5 y –2,0. Aunque el PVN puede ser determinado fácilmente a partir de los valores de los ensayos, algunos investigadores sostienen que la susceptibilidad obtenida en el rango de temperaturas altas (25º – 135ºC) no puede ser extrapolada a temperaturas bajo 25ºC. Una notable diferencia entre el IP y el PVN es que el IP cambia al envejecer el asfalto (durante la mezcla y luego durante el servicio), mientras que el PVN permanece sustancialmente constante.
1
Recomendado por H.U. Bahia, University of Wisconsin, Madison.
146
7.2.1.3
VTS (Viscosity – Temperature Susceptibility).
Se calcula empleando un rango de temperaturas en donde el asfalto se comporta como un fluido Newtoniano (60ºC a 135ºC). Esto supone linealidad de la relación temperatura y viscosidad en dicho rango, lo que ha sido probado por varios autores. La susceptibilidad térmica medida en el índice VTS puede ser muy práctica para establecer un control del asfalto en su etapa de construcción (mezclado y compactación) [THEN00].
VTS =
donde
log(log(V135º C )) − log(log(V60 º C )) log(T1 ) − log(T2 ) T1
:
333ºK (60ºC).
T2
:
408ºK (135ºC).
(7.5)
Valores altos de VTS indican una mayor susceptibilidad. Se consideran valores normales de 3,36 a 3,98.
La lógica nos dice que un asfalto sometido a envejecimiento debiera experimentar una disminución en la susceptibilidad a la temperatura. Sin embargo, la susceptibilidad medida con los parámetros e índices antes mencionados ha dado resultados muy confusos, los cuales se reportan ampliamente en la literatura. Dentro de estos resultados (utilizando IP, PVN y VTS) se informan asfaltos que disminuyeron su susceptibilidad, otros que la aumentaron y otros que no sufrieron cambios sustanciales con el envejecimiento; otros estudios mostraron que para un mismo asfalto, los índices IP, PVN y VTS pueden arrojar distintos resultados con respecto a la susceptibilidad, debido al envejecimiento; incluso otros autores han indicado que no se puede concluir nada con respecto al envejecimiento oxidativo de los asfaltos al comparar estos índices, ya que no miden la misma propiedad [S36994].
147
7.2.2 Parámetros de Susceptibilidad de Corte. Se han usado dos tipos de parámetros para representar la susceptibilidad de corte de cementos asfálticos: (1) el Grado de Flujo Complejo (C), y (2) el Índice de Corte. El Grado de Flujo Complejo se introdujo al observar que para muchos asfaltos se cumple que la pendiente de log tensión de corte v/s log tasa de corte puede ser considerada constante, y por consiguiente las propiedades reológicas del asfalto pueden ser aproximadas por una ecuación de flujo complejo que normalmente se usa para fluidos de ley de potencia [S36994]:
M=
τ SC
(7.6)
donde M es una constante, τ es la tensión del corte, S es la tasa de corte, y C es el grado de flujo complejo. Por consiguiente, C es la pendiente de la curva generada al graficar el logaritmo de la tensión de corte v/s el logaritmo de la tasa de corte. Para C = 1, el asfalto es un fluido Newtoniano y M es la viscosidad constante. Por consiguiente, el valor de C fue considerado un buen indicador del comportamiento no-Newtoniano del asfalto. Un número grande de investigadores aceptó la aproximación, y el cambio en el valor de C se usó como un indicador del efecto del envejecimiento oxidativo sobre las propiedades de asfaltos en muchas investigaciones. Sin embargo, se ha encontrado en varios estudios que C es un valor arbitrario. La relación entre tensión de corte y tasa de corte es una función continuamente decreciente con la tasa de corte. A muy bajas tasas de corte y a muy bajos niveles de tensión, la mayoría de los asfaltos muestra un comportamiento Newtoniano (C = 1). Este comportamiento, dependiendo del tipo de asfalto, empezará gradualmente a cambiar a uno no-Newtoniano, en tanto la tasa de corte o el nivel de tensión aumente (Puzinauskas 1967). Por lo tanto el parámetro, dependerá naturalmente de la historia de tensión [S36994]. El Índice de Corte es un tipo diferente de medida; es obtenido graficando la viscosidad aparente v/s la tasa de corte en una escala log-log. La pendiente de la relación entre dos tasas de corte diferentes es determinada y considerada como un parámetro de susceptibilidad de corte. Aunque los primeros investigadores intentaron aproximar la relación como lineal, estudios posteriores mostraron claramente que esta relación es no lineal. En lo que sí coinciden todos los
148
investigadores que han utilizado el Índice de Corte, es que la susceptibilidad de corte aumenta con el envejecimiento.
7.3
CARACTERIZACIÓN VISCOELÁSTICA LINEAL (LVE).
El uso de parámetros LVE es el acercamiento más integral para caracterizar los cambios que ocurren durante el envejecimiento. El stiffness, compliance, o el módulo complejo es medido a diferentes temperaturas para rangos fijos de tiempo de carga o frecuencia. Entonces, usando el principio de superposición de tiempo-temperatura, se pueden construir las curvas maestras. El efecto del endurecimiento oxidativo se visualiza a través del traslado de la curva ( shift ) y del cambio en la forma de las curvas maestras. Muchos investigadores han reportado que el envejecimiento oxidativo produce principalmente tres efectos sobre las propiedades reológicas del ligante: (1) las curvas sufren un shift y al mismo tiempo un cambio en su forma; (2) a tiempos de carga cortos el envejecimiento tiene efecto mínimo, mientras que el efecto aumenta con el aumento en el tiempo o la temperatura, y (3) las diferentes condiciones de envejecimiento cambian las curvas diferentemente. La caracterización LVE como herramienta para estudiar el efecto del endurecimiento oxidativo se ha usado en muchas investigaciones y se ha demostrado que es el único que da una vista global sobre los cambios en las propiedades reológicas de asfaltos que son debidas al envejecimiento. Sin embargo, las investigaciones también han mostrado que los cambios no son simples y que pueden depender del tipo de oxidación llevada a cabo. El último punto es importante porque los cambios causados por el TFOT producen un espectro reológico que no imita la forma del asfalto extraído del pavimento. Este resultado indica que la oxidación hecha en el laboratorio a altas temperaturas puede cambiar la reología diferentemente a como lo hace la oxidación que ocurre en el terreno; la evidencia en la literatura también apoya este punto. Se ha demostrado que la oxidación a altas temperaturas produce cambios químicos que son diferentes de los cambios producidos por la oxidación a bajas temperaturas [S36994].
149
7.3.1 Efecto del Envejecimiento sobre propiedades Reológicas dentro del Proyecto SHRP. El cambio en los parámetros definidos dentro del modelo reológico desarrollado en el proyecto SHRP se utilizó para caracterizar el efecto del envejecimiento sobre el ligante. La dependencia del tiempo es indicada por el índice reológico, R; la dureza por la frecuencia de equiviscosidad (crossover frequency, ωc) a una temperatura dada, y la dependencia de temperatura por la temperatura de definición, Td. Para evaluar los cambios reológicos durante el envejecimiento, deben considerarse los tres factores. El Índice Reológico y la Frecuencia Crossover influirán en el cambio de forma y traslado ( shift ) de la curva maestra. Los cambios en T d influirán sobre la función shift, a(T), informando acerca de la dependencia de la temperatura. Un ejemplo de cómo el envejecimiento cambia la curva maestra del módulo complejo se muestra en la Figura 7.4. Se observa un cambio en la forma (allanado) de la curva maestra de G* y un shift en el punto crossover para los tratamientos TFOT y PAV. El allanado de la curva maestra de G* también se refleja en ángulos de fase más bajos a frecuencias más bajas. El cambio en la función shift de temperatura, a(T), se muestra en la Figura 7.5. Cuando aumenta T d se tiene que la curva de a(T) sufre un allanado en la vertical, tal como lo indica la figura. Éste es un reflejo de que las propiedades se hacen menos sensibles a la temperatura [S36994].
Aumento de a P , . f f i t S g o L
Aumento de ORIGINAL TFOT PAV
Log tiempo reducido, s. Figura 0.4: Cambios en la Curva Maestra de un asfalto después del envejecimiento en PAV.
150
Original TFOT PAV ) T ( a g o L
Temperatura, ºC Figura 0.5: Cambios en la Función Shift de un asfalto después del envejecimiento en PAV.
Para los ocho asfaltos de SHRP se tuvo que después del envejecimiento aumentó el Índice Reológico R, disminuyó la frecuencia crossover ( ωc) – que es equivalente a decir que aumentó el tiempo crossover (t c) –, y aumentó la temperatura de definición (T d). Debido a la dificultad de interpretación de la curva maestra y la función shift, a(T), es mucho más simple separar estos factores y observar los cambios de G* y el ángulo de fase ( δ) como una función de la temperatura a una frecuencia dada. Las Figuras 7.6 y 7.7 son ejemplos de tales relaciones a una frecuencia seleccionada de 10 rad/s para el asfalto AAD-1. A esta frecuencia y para todas las temperaturas, el asfalto se endurece (aumenta G*) mientras que el ángulo de fase disminuye. El ángulo de fase es una medida de la proporción entre el módulo de pérdida y el módulo de almacenamiento (G"/G'); con el envejecimiento, G' aumenta debido a que aumenta tanto el cos(δ) como G*. Sin embargo, G" también aumenta porque el aumento en G* compensa la disminución en sen( δ). En efecto, el módulo de almacenamiento, que refleja la parte elástica de la deformación del binder bajo carga, aumenta más allá del aumento dado en la respuesta elástica-retardada y en la respuesta viscosa de esa deformación. El punto es que el cambio en G* es mucho más significativo que los cambios en el ángulo de fase. Esta es la razón del por qué un cambio neto en G' es más que el aumento en G''. En general, con el envejecimiento el asfalto se pone más elástico y aumenta su capacidad de recuperación.
151
s o d a r G , e s a F e d o l u g n Á
Original TFOT PAV
Temperatura, ºC Figura 0.6: Efecto del envejecimiento sobre el ángulo de Fase( ).
Origin TFOT PAV
, * G o j e l p m o C o l u d ó M
Temperatura, ºC Figura 0.7: Efecto del envejecimiento sobre el Módulo Complejo (G*).
Los resultados de la investigación del envejecimiento oxidativo en la reología enfatizan dos puntos principales. Primero, que el envejecimiento cambia el tipo reológico de los asfaltos lo 152
cual es evidente dado el significativo cambio en el índice reológico (R) y el cambio en la temperatura de definición (T d), lo que indica un cambio en la dependencia de temperatura. Segundo, usar una medida puntual, aun cuando sea una propiedad fundamental, no puede dar una representación adecuada del efecto del envejecimiento sobre las propiedades del asfalto [S36994].
7.4
SISTEMA DE GRADUACIÓN PROPUESTO PARA CHILE1.
Se ha considerado pertinente incluir esta Sección, debido a que se muestra resumidamente un trabajo realizado recientemente en el país y que propone un sistema de graduación por desempeño utilizando mediciones empíricas, pero abordando la filosofía de los grados de desempeño propuestos por Superpave. De esta forma se podrá comparar los datos obtenidos por este trabajo de Memoria con estos criterios que utilizan la “Reología Práctica”, útil cuando no se cuenta con los recursos para tener el equipamiento necesario para la caracterización lineal viscoelástica. La especificación para cementos asfálticos en Chile es a través de la penetración y considerando el envejecimiento a través del TFOF o RTFO. La sensibilidad del material a la temperatura es controlada mediante los límites especificados en los ensayos (Manual de Carretera Vol. 8, 2003) a 25ºC, 60ºC, 135ºC. El otro ensayo opcional para los asfaltos no modificados, es el punto de ablandamiento (A & B), que permite estudiar el comportamiento reológico del material. Los rangos en los valores de penetración se limitan mediante el índice de penetración (IP) con el fin de obtener un material que tenga un adecuado comportamiento a la susceptibilidad térmica. Sin embargo se cree que dicho límite (+1,-1) no sólo es demasiado amplio sino que también es una aproximación indirecta en el control del material a la sensibilidad térmica, al envejecimiento y a las condiciones de tráfico. Si bien es cierto la caracterización lineal viscoelástica (LVE) es el acercamiento más integral y fundamental para observar y cuantificar las consecuencias del proceso de envejecimiento sobre
1
Basado en el trabajo “The Transition to a PG Grading System for Asphalt Binders in Developing
Countries”, realizado recientemente por Juan Vivanco, U.T.F.S.M., y H.U. Bahia, University of Wisconsin, Madison.
153
los asfaltos, tiene el gran inconveniente de requerir el uso de costosos equipos que muchas veces están fuera del alcance de muchos diseñadores de pavimentos; además, se requiere de personal altamente calificado para desarrollar los procesos y controlarlos, por lo que su uso queda restringido. La mejor manera de abordar tal situación, es no mantener las especificaciones indirectas (índices) sino usar grados de desempeño, indirectamente estimados, basados en las propiedades del comportamiento del asfalto. En otras palabras, establecer un marco de graduación por desempeño en el cual los grados son fielmente seleccionados, según las condiciones de aplicación, tanto de temperatura en el pavimento como de tráfico. El criterio para la aceptación del asfalto en estos grados, estaría basado en propiedades ingenieriles relacionadas al desempeño, pero derivados de simples propiedades tales como penetración, punto de ablandamiento o viscosidad, lo que recientemente se conoce como “Reología Práctica” [DEBA04].
7.4.1 Reglas para la Graduación por Desempeño. Una graduación por desempeño debería incluir tres elementos básicos: 1. Debería estar fundamentada en modelos constitutivos específicos para el asfalto. En términos simples, los modelos deben describir relaciones esfuerzo-deformación bajo condiciones carga que se presentan en terreno. 2. Considerar condiciones del pavimento que incluya temperatura, velocidad y volumen del tráfico. 3. Debería incluir límites aceptables derivados de la experiencia y de la documentación del comportamiento en terreno. Para lograr el primer elemento, es necesario definir los modelos que se pueden utilizar para derivar las relaciones constitutivas del asfalto, basados en penetración y punto de ablandamiento. Tal modelo existe, y es el bien conocido nomograma de Van der Poel, que 154
permite estimar el creep stiffness para cierto rango de temperaturas y tiempos de duración de carga, utilizando el índice de penetración (IP). Actualmente el nomograma se puede utilizar a través del programa BANDS de Shell. Para lograr el segundo elemento, se debe tener la distribución de temperaturas del pavimento, tales como las temperaturas máximas y mínimas para el diseño del mismo, las que se obtienen a partir de bases de datos climatológicos de Chile y se usan para definir el Grado por Desempeño necesario para diferentes zonas en el país. Hecho este análisis, se propone trabajar con 3 zonas principales de altos grados de temperaturas (PG 52, PG 58, PG 64). Para considerar las condiciones de volumen de tránsito pesado y/o tráfico con movimiento lento, debería añadirse el grado PG 70. Por lo tanto se consideran 4 grados de altas temperaturas con PG 52, PG 58, PG 64 y PG 70. Para cubrir el rango de bajas temperaturas, se puede ver que el rango está entre -15ºC y +1ºC. Es razonable entonces usar un sistema de -16, -10, -4, +2ºC; no obstante, para minimizar la multiplicidad de grados, se propone utilizar un sistema parcial de sólo 10 grados como se muestra en la Tabla 7.1. Grado de Alta Temperatura (HT) Grado de Baja Temperatura (LT)
PG 52 -10
-16
PG 58 -10
-16
PG 64 +2
-4
PG 70 -10
+2
-4
-10
Tabla 0.1: Temperaturas de Grados por Desempeño propuestos para Chile. Para lograr el tercer elemento de un sistema de Graduación por Desempeño, se debe seleccionar las propiedades relacionadas a la performance y definir los límites aceptables para el asfalto. A continuación se presentan las propiedades seleccionadas y los criterios de especificación propuestos:
Para Trabajabilidad, se puede usar la viscosidad a 135ºC, especificada actualmente en la normativa. Se puede usar un rango recomendado de 0,12 – 0,65 Pa·s, basado en las actuales especificaciones de Chile.
Para Resistencia al Ahuellamiento, se propone la penetración y el punto de ablandamiento para calcular el IP de los grados usados actualmente en Chile. Los valores del IP se usan para calcular el módulo (stiffness) en condiciones normales de tráfico y a la temperatura máxima del pavimento. Se considera para Chile una velocidad 155
típica de 60 Km/hr y un pavimento con un espesor de carpeta de 100 mm, lo que implica un tiempo de aplicación de carga de 0,015 segundos. A partir de ensayos realizados para los distintos grados asfálticos provenientes de diferentes industrias del rubro en Chile, utilizando los correspondientes PI y Puntos de ablandamiento, e ingresando al nomograma de Van der Poel, para un tiempo de aplicación de carga de 0,015 segundos, el promedio de los Stiffness para tales asfaltos es aproximadamente S(0,015) = 100 kPa. Como se ha comprobado que estos asfaltos han funcionado bien al ahuellamiento en climas moderados (PG 52), se podría asumir entonces que para que un asfalto contribuya suficientemente al ahuellamiento, el criterio de S(0,015) a la temperatura máxima de diseño, debería ser mayor o igual que 100 kPa. Además para considerar el efecto del envejecimiento en el RTFO, se agrega un requerimiento para el stiffness envejecido, que corresponde a un valor mínimo de 2,5 veces la condición sin envejecimiento.
Para Resistencia a la Fatiga , se recomienda el uso del promedio de las temperaturas del pavimento (entre la máxima y la mínima de los diferentes grados), ya que la fatiga es más crítica cuando el asfalto es relativamente rígido sin que las capas estén suficientemente heladas. Además, hay más posibilidad que las capas subyacentes estén en condición de saturación en primavera y otoño, lo que ocasiona debilitamiento de la carpeta de rodado. En fatiga, se asume que el stiffness debería estar bajo un cierto valor máximo para que el asfalto pueda deformar repetidamente sin dañarse. Para definir el límite de stiffness, se utiliza el nomograma publicado por Shell Research (1991), que es para estimar la vida a la fatiga de mezclas asfálticas a partir de IP del betún y el stiffness de la mezcla. De esta forma se establece que el máximo stiffness permisible para el betún a 0,015 segundos de tiempo de carga es de 100.000 kPa. En esta estimación se asumió que el envejecimiento en el PAV, produce un incremento del punto de ablandamiento en 20ºC y para asegurar una aplicación apropiada de ese límite, el valor del IP del asfalto envejecido se incrementa en 0,75 puntos y debe ser menor que cero. Así, en el sistema de especificación propuesto, se limita el S(0,015) y el valor del IP para el material envejecido con PAV.
156
Elongación a la Rotura, λ
Índice de Penetración
Diferencia de Temperatura, ºC Bajo P.A.
La Elongación a la rotura (λ), definida como la razón = aumento largo, largo inicial es una función del tiempo de carga (frecuencia), la diferencia entre la temperatura y el PA, y el Índice de Penetración
Ejemplo para asfalto con IP = +2,0 y PA = 75ºC Para obtener la Elongación a la rotura a Tº= -11ºC y a un tiempo de carga de 10[s]. Conectar 10[s] en la escala de tiempo con 75 – (-11) = 86ºC en la escala de temperatura. Se lee λ≈0,05 en la malla en IP = +2,0
Tiempo de Carga, s
Figura 0.8: Nomograma para la estimación de la Elongación a la Rotura [DEBA04].
•
Para Agrietamiento por Bajas Temperaturas , se estima el stiffness a 60 segundos de tiempo de carga para temperaturas que son 10ºC mayores que el grado mínimo de temperatura. El cambio en temperatura se usa para compensar el efecto de acortar el tiempo de aplicación de la carga a 60 segundos, igual que el usado en las especificaciones Superpave. Además se debería controlar el valor m(60) (pendiente del logaritmo del creep), para minimizar los esfuerzos generados en el asfalto debido a la alta elasticidad. Usando las propiedades de penetración 80/100 y asumiendo que el asfalto para este grado tiene un buen desempeño en zonas con climas fríos de Chile, se determina un límite de S(60) = 300.000 kPa y m(60) = 0,300 (al igual que en Superpave). Similar a los requerimientos por fatiga, el efecto del envejecimiento a largo plazo fue considerado mediante el incremento del punto de ablandamiento en 20 puntos. Para controlar la fragilidad del betún a bajas temperaturas del pavimento, se estima la elongación a la rotura a partir de la cartilla desarrollada por Heukelom et al. La mínima deformación unitaria en rotura estimada, usando dicha cartilla (Figura 7.8) debería ser 157
mayor que 0,02 para un tiempo de aplicación de carga de 60 segundos y el punto de ablandamiento del material envejecido en PAV. La Tabla 7.2 incluye el sistema propuesto de grados por desempeño, basado en el concepto de la utilización de las propiedades de índice, derivadas de criterios ingenieriles que están relacionadas al desempeño del pavimento. 1 Grado de Alta Temperatura (HT) PG 52 2 Grado de Baja Temperatura (LT) -10 -16 Propiedad de Desempeño Criterio de Relacionada Desempeño Para Trabajabilidad 3 Viscosidad, Pa·s 0,12 < η < 0,65 Para Resistencia al Ahuellamiento 4 Creep Stiffness estimado S(0,015) >= 100 52 (original), kPa 5 Creep Stiffness estimado S(0,015) >= 250 52 (RTFOT), kPa Para Resistencia a la Fatiga 6 Creep Stiffness estimado S(0,015) <= 100.000 (PAV), kPa 21 18 7 IP estimado (PAV) IP < 0,0 Para Resistencia al Agrietamiento por Baja Temperatura 8 Creep Stiffness estimado S(60) <= 300.000 0 -6 (PAV), kPa 9 Pendiente del Creep m(60) >= 0,300 0 -6 estimado (PAV) 10 Elongación a la Rotura de 0 -6 λ(60) >= 0,02 la Fig. 7.8 (PAV)
PG 58 -10 -16
PG 64 PG 70 2 -4 -10 2 -4 -10
135ºC 58
64
70
58
64
70
24 21 33 30 27 36 33 30
0
-6
12
6
0
12
6
0
0
-6
12
6
0
12
6
0
0
-6
12
6
0
12
6
0
Tabla 0.2: Proposición de Graduación por Desempeño para Chile.
158
7.4.2 Desventaja del sistema de graduación propuesto. Aunque el sistema de graduación propuesto, mostrado en la Tabla 7.2 parece razonable y no depende del uso de sofisticados dispositivos de ensayo, no deberían ignorarse las limitaciones de tal sistema, las cuales deberían ser resueltas por el reemplazo gradual de las propiedades ingenieriles estimadas, tales como S(0,015) y λ(60) con los valores actuales, medidos mediante el uso de reómetros y extensiómetros. Las razones son por los siguientes hechos:
•
Los nomogramas son solamente una aproximación y muestran una tendencia general en vez de un valor preciso de Stiffness o elongación en rotura.
•
Los nomogramas están basados principalmente en asfaltos convencionales sin modificar. Se sabe que los asfaltos modificados son más complejos reológicamente que los convencionales y por lo tanto estos nomogramas podrían ser engañosos.
•
Tal sistema necesitará continua verificación y calibración para establecer una correcta predicción y crear confianza en las propiedades ingenieriles estimadas.
159
SEGUNDA PARTE
EXPERIMENTAL
160
CAPÍTULO 8: DATOS EXPERIMENTALES.
El trabajo presentado por esta Memoria es pionero en el país, dado que es el primero a través del cual se compararán propiedades de ligantes envejecidos en terreno, recuperados de distintos caminos de la región, con ligantes envejecidos artificialmente en laboratorio. La innovación para los trabajos realizados en el país consistió principalmente en tres aspectos: (1) el envejecimiento estudiado es el de Largo Plazo, debido principalmente a la oxidación del asfalto a las temperaturas relativamente bajas del terreno (proceso muy distinto al envejecimiento de Corto Plazo a altas temperaturas); (2) a la metodología utilizada en la recuperación del ligante desde el terreno, utilizando un equipo Rotavapor calibrándose el nuevo procedimiento publicado últimamente en el Manual de Carreteras, y (3) a la utilización de la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV), equipamiento disponible sólo en el laboratorio de la Refinería de Petróleos de Concón (RPC) y no utilizado anteriormente en el país en trabajos similares.
8.1
ETAPA DE RECUPERACIÓN DEL LIGANTE.
Uno de los objetivos de este trabajo de Memoria era analizar las propiedades de asfaltos recuperados de caminos de la región, con una edad en servicio entre 5 y 10 años. Esto debido a que esa edad es la que el procedimiento Superpave de envejecimiento indica simular a través del ensayo de la Cámara de Envejecimiento a Presión. Por lo tanto, en una primera instancia se procedió a buscar información en las fuentes disponibles acerca de la edad de diversos caminos de la zona, así como también las propiedades del ligante utilizado.
8.1.1 Elección de Caminos de la Región para Recuperar. Se optó por elegir caminos donde el ligante utilizado fuera un asfalto original sin modificar; esto debido a que la mayoría de los caminos de la región con la antigüedad buscada fueron construidos con este tipo de ligante. La búsqueda de información se focalizó en los archivos de la Dirección de Vialidad de la Región y en las diversas empresas proveedoras de asfalto para la construcción; no fue posible buscar información en las constructoras mismas, debido a que en 161
muchas ocasiones se montaron plantas in-situ y la información con esas antigüedades no estuvo disponible. En las empresas proveedoras de asfalto lamentablemente la búsqueda de información dio escasos frutos debido principalmente a que los datos de ligantes provistos para las diversas obras son renovados cada 5 años. Por lo mismo, no se encontró información para caminos de mayor antigüedad. La información para elegir los caminos para las extracciones se obtuvo entonces en el Laboratorio Regional de Vialidad. Los caminos elegidos para realizar las extracciones fueron los siguientes: -
Ruta Rodelillo – El Salto (Vía Las Palmas), año 1996.
-
Camino La Pólvora, año 1998.
-
Camino Acceso a Quintero, año 1998.
8.1.2 Extracción de Testigos. Una vez establecidos los caminos para realizar las extracciones se coordinó una visita de inspección en conjunto con el Jefe de la Unidad de Control de Calidad y Laboratorio y otros operarios del Laboratorio Regional de Vailidad (LRV), con el objetivo de marcar en terreno el lugar exacto para la extracción. Con la ayuda de la inspección visual y la experiencia del personal en la visita, se pudo establecer el kilometraje para cada extracción, asegurando la edad de la carpeta a intervenir, no presentando recapados posteriores. Los puntos determinados para realizar la extracción de testigos se presentan a continuación.
Muestra
Ruta
A
Vía Las Palmas
B C
Camino La Pólvora Camino Acceso Quintero
Punto
Ligante
Procedencia
Año Edad* Colocación
Km. 8540, Asfaltos CA 60/80 1996 Pista 3 Chilenos S.A. Km. 1600, Química CA 60/80 1998 Pista 2 Latinoamericana Km. 2800, CA 60/80 Shell Bitumen 1998 Pista 1
8 años 6 años 6 años
# Testigos 4 Testigos, 6 Pulgadas 4 Testigos, 6 Pulgadas 4 Testigos, 6 Pulgadas
(*) Establecida según fecha de extracción, año 2004.
Tabla 0.1: Puntos de Extracción de Testigos.
162
Se estableció, para cada camino a recuperar, un número de 4 testigos de 6 pulgadas de diámetro cada uno. Este número de testigos asegura la obtención de la cantidad suficiente de asfalto recuperado para la realización de la batería de ensayos de caracterización. Para lo anterior se tomó como referencia una carpeta de 7 cm de espesor promedio, una mezcla con 6% (en peso) de cantidad de asfalto promedio y una densidad promedio de la mezcla de 2300 [kg/m 3].
8.1.2.1
Faena de Extracción de Testigos.
Para realizar la faena de extracción de testigos se tuvo que elevar una solicitud formal a la Dirección Regional de Vialidad especificando los fines del estudio, los puntos específicos de extracción y la coordinación entre el Laboratorio LEMCO de la Universidad Santa María y el Laboratorio Regional de Vialidad (LRV). El permiso fue otorgado a través del ORD. Nº0639 con fecha 29/03/04 debiéndose cumplir rigurosamente todos los protocolos de seguridad para la faena: señalización adecuada, vestimenta de seguridad, procedimiento adecuado de extracción del testigo y reposición del pavimento extraído con mezcla aprobada por el LRV. Finalmente, la faena se realizó con el equipamiento del Laboratorio de Ensayes de Materiales y Control de Obras (LEMCO) de la Universidad y con la supervisión del Laboratorio Regional de Vialidad (ver Figura 8.1).
a) Extracción con Testiguera.
b) Reposición de Mezcla.
C) Testigo Extraído.
Figura 0.1: Faena de Extracción de Testigos.
163
8.1.3 Recuperación del Ligante. Una vez extraídos todos los testigos se procedió a realizar en Laboratorio el procedimiento de recuperación del ligante. El procedimiento aplicado fue el descrito en 8.302.58-MCV8 “Asfaltos: Método de Recuperación del Ligante de Mezclas Asfálticas para su Caracterización”, utilizando el método del destilador rotatorio – Rotavapor. Se consultó además
el documento “Implementación en Laboratorio LEMCO del Ensayo de Recuperación del Ligante de Mezclas Bituminosas Mediante el Rotavapor”, referencia VALE04 de esta Memoria,
adaptando el procedimiento descrito al método 8.302.58-MCV8 antes mencionado. Es importante hacer notar que antes de aplicar el procedimiento 8.302.58-MCV8, se debe preparar muy bien la muestra para realizar la recuperación. Dentro de estas tareas está: (1) el corte de los testigos para aprovechar los 7 cm superiores de la carpeta, otorgando cada uno de ellos una muestra de 3 [kg] aproximadamente 1; (2) el calentamiento a 110ºC del testigo el tiempo necesario para su disgregación a fin de obtener una mezcla trabajable; (3) la extracción de los agregados gruesos con el Extractor Centrífugo a 3600 rpm, siguiendo el procedimiento para dicho ensayo establecido en 8.302.58-MCV8 “Asfaltos: Método para determinar el Contenido de Ligantes de Mezclas Asfálticas por Centrifugación – Ensaye de Extracción (LNV– 11)”; (4) extracción de los agregados finos mediante la Centrífuga de Flujo Continuo a 11500
rpm utilizando el procedimiento interno del laboratorio de asfalto 2; y (5) reducción de la solución resultante en horno a 60ºC respetando el tiempo máximo de 18 horas entre la extracción y la recuperación. La recuperación del ligante se realizó en el equipo Rotavapor Büchi R-205 instalado en el Laboratorio LEMCO de la Universidad (ver Figura). En resumen, el procedimiento consiste en 2 etapas de destilación: (1) destilación en matraz tipo pera inclinado de toda la muestra, la cual se carga progresivamente a medida que se va evaporando, a una presión reducida de 500 mbar, 40ºC de temperatura del baño y 75 rpm de velocidad de giro; (2) mismas condiciones anteriores,
1 2
Cada testigo otorga el material necesario para 2 cargas en el Extractor Centrífugo. “Instructivo para la extracción del agregado mineral fino de una solución extraída de una mezcla
asfáltica”, Método de Centrífuga de Flujo Continuo sin filtro, Manual de Instructivos, Laboratorio LEMCO – Laboratorio de Asfalto.
164
salvo nueva presión reducida de 80 mbar y temperatura de baño de aceite de 160ºC durante 20 minutos. La primera etapa de destilación se mantiene hasta observar que no se produce evaporación de solvente, por lo cual puede durar varias horas dependiendo de la cantidad de muestra cargada.
Módulo de Vidrio, condensador de solvente
A Sistema externo generador de vacío (bomba de vacío o trompa de agua)
Sistema Controlador de Vacío y Velocidad de Giro
Muestra en Destilación
Baño de Aceite, controlador de la Temperatura
Muestra de Asfalto
Figura 0.2: Rotavapor Utilizado en la Recuperación de Ligante.
a) Operación del Rotavapor.
b) Bomba de Vacío y “Trampa de Frío”.
C) Trompa de Agua.
Figura 0.3: Recuperación del Ligante.
165
Cabe hacer notar que dentro de los aportes de este trabajo de memoria estuvo el adaptar el instructivo interno del laboratorio para el ensayo de recuperación del ligante, según el método 8.302.58-MCV8. Dentro de los cambios más significativos estuvo el cambiar el solvente de tricloroetileno a cloruro de metileno (diclorometano) y reducir la temperatura inicial de destilación de 70ºC a 40ºC. Además, se realizaron avances en cuanto al sistema generador de vacío, tomando en cuenta los siguientes aspectos: -
El instructivo original contemplaba la utilización de una bomba de vacío, para lo cual era necesario generar una “trampa de frío” para condensar el solvente extraído de la muestra y así evitar que en estado gaseoso alterara la densidad del aceite de la bomba, inutilizándola. Esto implicaba usar nieve carbónica (hielo seco) durante toda la recuperación, la cual podía durar fácilmente 6 a 7 horas según la cantidad de ligante requerido, elevando el costo del procedimiento.
-
Para mejorar lo anterior, se decidió utilizar una trompa de agua para generar el vacío de la primera etapa de destilación (500 mbar). De esta forma se evitó la utilización de la bomba de vacío y del hielo seco durante esta etapa. El uso de la bomba de vacío y el hielo seco sólo fue utilizado en la segunda etapa de la destilación (80 mbar – 160ºC), de sólo 20 minutos de duración, reduciéndose considerablemente el costo del ensayo debido a la menor cantidad de nieve carbónica utilizada.
Una vez finalizada cada recuperación, el ligante fue vaciado directamente en los moldes de los ensayos de caracterización (cápsulas del ensayo de penetración, moldes del ensayo de ductilidad, punto de ablandamiento, etc.) para así evitar un excesivo calentamiento del asfalto recuperado.
8.2
ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL EN RPC.
El laboratorio de la RPC posee el único equipo PAV del país a través del cual se puede envejecer asfalto según la normativa de SUPERPAVE. Hay que destacar que el equipamiento fue instalado y puesto en marcha por la memorista Paulina Miño, cuyo trabajo corresponde a la referencia MIÑO03 de esta Memoria. No obstante lo anterior, el equipo se mantiene en desuso por lo que una de las primeras tareas de este trabajo de Memoria fue calibrarlo nuevamente, 166
dado que los cortes en el suministro de energía eléctrica provocan la desconfiguración del dispositivo electrónico controlador del Horno.
8.2.1 Asfaltos Utilizados. Los asfaltos envejecidos fueron donados por RPC y Química Latinoamericana y corresponden a Pitchs originales sin modificar. El objetivo era utilizar cementos asfálticos cuyas características fuesen similares a los usados en los caminos de la región, específicamente en aquellos donde se realizaron las recuperaciones. A continuación se presentan algunas características proporcionadas por sus proveedores: Muestra D: Pitch Concón. PROVEEDOR Fecha Estanque Penetración Punto ablandamiento Punto de Inflamación Ductilidad a 25 ºC Viscosidad a 60 ºC Viscosidad a 60 ºC/ RTFOT Viscosidad cinem. a 135 ºC Índice de Durabilidad Índice de Penetración
Muestra E: Pitch Concón. PROVEEDOR Fecha Estanque Penetración Punto ablandamiento Punto de Inflamación Ductilidad a 25 ºC Viscosidad a 60 ºC Viscosidad a 60 ºC/ RTFOT Viscosidad cinem. a 135 ºC Índice de Durabilidad Índice de Penetración
RPC 01/09/2002 404-A 67 dmm 49,0 ºC 343 ºC 150 cm 2520 poise 7340 poise Sin Inf. 2,9 -0,8
Tabla 0.2: Muestra D.
RPC 05/05/2003 404-A 54 dmm 51,1 ºC 335 ºC 150 cm 2163 poise 5099 poise Sin Inf. 2,4 -0,7
Tabla 0.3: Muestra E.
Muestra F: Pitch Concón. PROVEEDOR Fecha Estanque Penetración Punto ablandamiento Punto de Inflamación Ductilidad a 25 ºC Viscosidad a 60 ºC Viscosidad a 60 ºC/ RTFOT Viscosidad cinem. a 135 ºC Índice de Durabilidad Índice de Penetración
RPC 09/01/2004 404-B 60 dmm 49,1 ºC 354 ºC 150 cm 2550 poise 8081 poise Sin Inf. 3,2 -1,0
Tabla 0.4: Muestra F.
167
Muestra G: Pitch Marlín. PROVEEDOR Fecha Estanque Penetración Punto ablandamiento Punto de Inflamación Ductilidad a 25 ºC Viscosidad a 60 ºC Viscosidad cinem. a 135 ºC Viscosidad a 60 ºC/ RTFOT Índice de Durabilidad Índice de Penetración
Muestra H: Pitch BCF. PROVEEDOR Fecha Estanque Penetración Punto ablandamiento Punto de Inflamación Ductilidad a 25 ºC Viscosidad a 60 ºC Viscosidad cinem. a 135 ºC Viscosidad a 60 ºC/ RTFOT Índice de Durabilidad Índice de Penetración
QLA 30/01/2004 Sin Inf. 72 dmm 49,2 ºC 232 ºC 150 cm 1700 poise 199 cSt 4410 poise 2,6 -0,5
Tabla 0.5: Muestra G.
QLA 30/01/2004 Sin Inf. 61 dmm 50,1 ºC 232 ºC 150 cm 2380 poise 405 cSt 6720 poise 2,82 -0,7
Tabla 0.6: Muestra H.
8.2.2 Equipo Utilizado. El equipo utilizado en la etapa de envejecimiento artificial fue la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV – Pressure Aging Vessel ), marca PRENTEX Modelo 9300, presente en la Refinería de Petróleos de Concón. Detalles de su funcionamiento, componentes y accesorios, además de las instrucciones para operarlo, se detallan en el Capítulo 6 de esta Memoria. El proceso de envejecimiento llevado a cabo por el PAV simula el envejecimiento de Largo Plazo del ligante en el pavimento en servicio; por esta razón el protocolo debe ser aplicado a muestras que previamente se hayan sometido a la simulación del envejecimiento de Corto Plazo. Este proceso se realiza en el ensayo de Horno de Película Delgada Rotatoria – RTFOT (Manual de Carreteras 8.302.33-MCV8 o Norma LNV 33), por lo cual este equipamiento también se utilizó en la etapa de envejecimiento en RPC.
168
8.2.3 Etapa de Envejecimiento y Obtención de Resultados. Antes de comenzar a envejecer las muestras seleccionadas se procedió a la calibración y configuración de la cámara PAV, dado el estado de desuso del equipo. Dentro de esta tarea cabe mencionar las siguientes sub-tareas: (1) conexión física de las uniones (tubos, mangueras, manómetros) para el seguro suministro del aire comprimido necesario para la presurización de la cámara; (2) configuración de los valores predefinidos de fábrica en el sistema electrónico del equipo, según el Manual de Operador del PAV y según los datos de calibración del fabricante, indicados dentro de la cámara de acero inoxidable. Estos valores son necesarios para ajustar la regulación de la presión y de la variación de la temperatura dentro del horno, además de ser indispensables para que el Sistema Controlador 9300SC pueda efectivamente automatizar el proceso de envejecimiento. El siguiente paso fue realizar 2 pruebas de envejecimiento: la primera en blanco, en la cual los platillos TFOT no se cargaron con muestra a fin de corroborar el procedimiento, el uso del Sistema Controlador 9300SC y verificar la correcta variación de la presión y la temperatura dentro de la cámara; el objetivo era comprobar que durante las 20 horas del proceso, el tiempo en que la presión y la temperatura estuvieran fuera del rango permitido, no excediera los límites admisibles por el Standard. La segunda prueba se hizo con un ligante de prueba proporcionado por RPC, con los mismos objetivos anteriores. Los resultados de ambas pruebas fueron satisfactorios ya que en ningún caso se excedió el tiempo admisible para las variables fuera del rango (la temperatura no puede estar fuera de rango por más de 10 minutos). Además de las verificaciones anteriores, se procedió a regular la válvula de liberación de presión ubicada en la parte posterior del equipo, a fin de que la despresurización, una vez culminado el envejecimiento, tome el tiempo especificado (9 ± 1 min). La temperatura de envejecimiento seleccionada para todas las corridas fue de 100ºC, ya que el clima de la región es moderado, descartando los protocolos a 90º y 110ºC (temperaturas de ensayo para climas fríos y climas cálidos, respectivamente). La cantidad de muestra se calculó para obtener el residuo suficiente para los ensayos de caracterización (penetración, punto de ablandamiento, ductilidad, punto de fragilidad Fraass y viscosidades).
169
A continuación se presentan las 7 Corridas de PAV que se realizaron, indicando la cantidad de platillos por muestra y la variable Temp Err, que indica el tiempo acumulado en que la temperatura estuvo fuera del rango 100 ± 0,5 ºC, a partir del instante en que la presión dentro de la Cámara alcanza el valor de 2,00 MPa. Este tiempo no debe superar los 10 minutos. También se indica la variable Pres Err, la cual a su vez indica el tiempo acumulado en que la presión estuvo fuera del rango 2,1 ± 0,1 MPa.
Nº Corrida
Muestras
Tiempo Envejecimiento [hh:mm]
Temp Err [min]
Pres Err [min]
1
10 Platos Muestra F
20:00
5
0
2
8 Platos Muestra F 2 Platos Muestra D
20:00
1
0
3
10 Platos Muestra D
20:00
1
0
4
10 Platos Muestra E
20:00
8
0
5
10 Platos Muestra H
20:00
4
0
6
4 Platos Muestra H 6 Platos Muestra G
20:00
7
0
7
10 Platos Muestra G
20:00
2
0
Tabla 0.7: Corridas en el PAV.
En las páginas siguientes, para cada una de las corridas realizadas, se presentan los gráficos de la Presión y Temperatura dentro de la Cámara de Envejecimiento. Para cada corrida se muestra el modo Diagnóstico de Datos ( “DIAGNOSTIC DATA” ), que incluye 2 horas de datos de presión y temperatura desde que se carga la muestra en el PAV (datos cada 20 segundos); y se incluye también el gráfico del envejecimiento total ( “AGING RUN” ), que incluye las 20 horas desde que se alcanza una presión de 2,00 MPa dentro de la Cámara conformando el tiempo de envejecimiento.
170
PAV Diagnóstic o de Datos - Corrida 1 105
Temperatura
3.50
Presión
] 100 C º [ 95 a r u 90 t a r 85 e p m 80 e T 75
3.00
]
a 2.50 P
M 2.00 [ n
ó 1.50 i s
e 1.00 r 0.50
70
P
0.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 5 0 : 0
0 0 : 0 1 : 0
0 0 : 5 1 : 0
0 0 : 0 2 : 0
0 0 : 5 2 : 0
0 0 : 0 3 : 0
0 0 : 5 3 : 0
0 0 : 0 4 : 0
0 0 : 5 4 : 0
0 0 : 0 5 : 0
0 0 : 5 5 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 5 0 : 1
0 0 : 0 1 : 1
0 0 : 5 1 : 1
0 0 : 0 2 : 1
0 0 : 5 2 : 1
0 0 : 0 3 : 1
0 0 : 5 3 : 1
0 0 : 0 4 : 1
0 0 : 5 4 : 1
0 0 : 0 5 : 1
0 0 : 5 5 : 1
0 0 : 0 0 : 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Temperatura y Presión Envejecimiento PAV - Corrida 1
101.00 100.75
Temperatura
] C 100.50 º [ a r 100.25 u t 100.00 a r e 99.75 p m 99.50 e T 99.25
2.40 2.35
Presión
2.30 ] a P 2.25 M [ 2.20 n ó 2.15 i s e r 2.10 P 2.05
99.00
2.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 0 0 : 2
0 0 : 0 0 : 3
0 0 : 0 0 : 4
0 0 : 0 0 : 5
0 0 : 0 0 : 6
0 0 : 0 0 : 7
0 0 : 0 0 : 8
0 0 : 0 0 : 9
0 0 : 0 0 : 0 1
0 0 : 0 0 : 1 1
0 0 : 0 0 : 2 1
0 0 : 0 0 : 3 1
0 0 : 0 0 : 4 1
0 0 : 0 0 : 5 1
0 0 : 0 0 : 6 1
0 0 : 0 0 : 7 1
0 0 : 0 0 : 8 1
0 0 : 0 0 : 9 1
0 0 : 0 0 : 0 2
Tiempo [hh.mm.ss]
Figura 0.4: PAV – Corrida 1. PAV Diagnóstic o de Datos - Corrida 2 105
Temperatura
3.50
Presión
] 100 C º [ 95 a r 90 u t a r e 85 p m 80 e T 75
3.00
]
a 2.50 P
2.00 M [
n
1.50 ó i
s
1.00 e r 0.50
70
P
0.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 5 0 : 0
0 0 : 0 1 : 0
0 0 : 5 1 : 0
0 0 : 0 2 : 0
0 0 : 5 2 : 0
0 0 : 0 3 : 0
0 0 : 5 3 : 0
0 0 : 0 4 : 0
0 0 : 5 4 : 0
0 0 : 0 5 : 0
0 0 : 5 5 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 5 0 : 1
0 0 : 0 1 : 1
0 0 : 5 1 : 1
0 0 : 0 2 : 1
0 0 : 5 2 : 1
0 0 : 0 3 : 1
0 0 : 5 3 : 1
0 0 : 0 4 : 1
0 0 : 5 4 : 1
0 0 : 0 5 : 1
0 0 : 5 5 : 1
0 0 : 0 0 : 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Temperatura y Presión Envejecimiento PAV - Corrida 2
101.00 100.75
] C º [ 100.50 a r 100.25 u t 100.00 a r e 99.75 p m 99.50 e T 99.25
Temperatura
2.40 2.35
Presión
2.30 ] a
P
2.25 M [ 2.20 n
ó i s e r 2.10 P 2.15 2.05
99.00
2.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 0 0 : 2
0 0 : 0 0 : 3
0 0 : 0 0 : 4
0 0 : 0 0 : 5
0 0 : 0 0 : 6
0 0 : 0 0 : 7
0 0 : 0 0 : 8
0 0 : 0 0 : 9
0 0 : 0 0 : 0 1
0 0 : 0 0 : 1 1
0 0 : 0 0 : 2 1
0 0 : 0 0 : 3 1
0 0 : 0 0 : 4 1
0 0 : 0 0 : 5 1
0 0 : 0 0 : 6 1
0 0 : 0 0 : 7 1
0 0 : 0 0 : 8 1
0 0 : 0 0 : 9 1
0 0 : 0 0 : 0 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Figura 0.5: PAV – Corrida 2. 171
PAV Diagnó stico d e Datos - Corrida 3 105
Temperatura
3.50
Presión
] 100 C º [ 95 a r 90 u t a r 85 e p m 80 e T 75
3.00
]
a 2.50 P
M 2.00 [ n
ó 1.50 i s
1.00 e r 0.50
70
P
0.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 5 0 : 0
0 0 : 0 1 : 0
0 0 : 5 1 : 0
0 0 : 0 2 : 0
0 0 : 5 2 : 0
0 0 : 0 3 : 0
0 0 : 5 3 : 0
0 0 : 0 4 : 0
0 0 : 5 4 : 0
0 0 : 0 5 : 0
0 0 : 5 5 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 5 0 : 1
0 0 : 0 1 : 1
0 0 : 5 1 : 1
0 0 : 0 2 : 1
0 0 : 5 2 : 1
0 0 : 0 3 : 1
0 0 : 5 3 : 1
0 0 : 0 4 : 1
0 0 : 5 4 : 1
0 0 : 0 5 : 1
0 0 : 5 5 : 1
0 0 : 0 0 : 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Temperatura y Presión Envejecimiento PAV - Corrid a 3
101.00 100.75
] C º [ 100.50 a r 100.25 u t 100.00 a r e 99.75 p m 99.50 e T 99.25
Temperatura
2.40 2.35
Presión
2.30 ] a
P
2.25 M [ 2.20 n
ó i s e r 2.10 P 2.15 2.05
99.00
2.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 0 0 : 2
0 0 : 0 0 : 3
0 0 : 0 0 : 4
0 0 : 0 0 : 5
0 0 : 0 0 : 6
0 0 : 0 0 : 7
0 0 : 0 0 : 8
0 0 : 0 0 : 9
0 0 : 0 0 : 0 1
0 0 : 0 0 : 1 1
0 0 : 0 0 : 2 1
0 0 : 0 0 : 3 1
0 0 : 0 0 : 4 1
0 0 : 0 0 : 5 1
0 0 : 0 0 : 6 1
0 0 : 0 0 : 7 1
0 0 : 0 0 : 8 1
0 0 : 0 0 : 9 1
0 0 : 0 0 : 0 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Figura 0.6: PAV – Corrida 3. PAV Diagnó stico d e Datos - Corrida 4 105
Temperatura
3.50
Presión
] 100 C º [ 95 a r 90 u t a r 85 e p m 80 e T 75
3.00
]
a 2.50 P
2.00 M [
n
1.50 ó i
s
1.00 e r 0.50
70
P
0.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 5 0 : 0
0 0 : 0 1 : 0
0 0 : 5 1 : 0
0 0 : 0 2 : 0
0 0 : 5 2 : 0
0 0 : 0 3 : 0
0 0 : 5 3 : 0
0 0 : 0 4 : 0
0 0 : 5 4 : 0
0 0 : 0 5 : 0
0 0 : 5 5 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 5 0 : 1
0 0 : 0 1 : 1
0 0 : 5 1 : 1
0 0 : 0 2 : 1
0 0 : 5 2 : 1
0 0 : 0 3 : 1
0 0 : 5 3 : 1
0 0 : 0 4 : 1
0 0 : 5 4 : 1
0 0 : 0 5 : 1
0 0 : 5 5 : 1
0 0 : 0 0 : 2
Tiempo [hh.mm.ss]
Temperatura y Presión Envejecimiento PAV - Corrida 4
101.00
] C º [ a r u t a r e p m e T
100.75
Temperatura
2.40 2.35
Presión
2.30 ] a
100.50
P
100.25
2.25 M [ 2.20 n
100.00 99.50
ó i s e r 2.10 P
99.25
2.05
99.75
2.15
99.00
2.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 0 0 : 2
0 0 : 0 0 : 3
0 0 : 0 0 : 4
0 0 : 0 0 : 5
0 0 : 0 0 : 6
0 0 : 0 0 : 7
0 0 : 0 0 : 8
0 0 : 0 0 : 9
0 0 : 0 0 : 0 1
0 0 : 0 0 : 1 1
0 0 : 0 0 : 2 1
0 0 : 0 0 : 3 1
0 0 : 0 0 : 4 1
0 0 : 0 0 : 5 1
0 0 : 0 0 : 6 1
0 0 : 0 0 : 7 1
0 0 : 0 0 : 8 1
0 0 : 0 0 : 9 1
0 0 : 0 0 : 0 2
Tie mpo [hh.mm.ss]
Figura 0.7: PAV – Corrida 4. 172
PAV Diagnó stico d e Datos - Corrida 5 105
Temperatura
3.50
Presión
] 100 C º [ 95 a r 90 u t a r 85 e p m 80 e T 75
3.00
]
a 2.50 P
M 2.00 [ n
ó 1.50 i s
1.00 e r 0.50
70
P
0.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 5 0 : 0
0 0 : 0 1 : 0
0 0 : 5 1 : 0
0 0 : 0 2 : 0
0 0 : 5 2 : 0
0 0 : 0 3 : 0
0 0 : 5 3 : 0
0 0 : 0 4 : 0
0 0 : 5 4 : 0
0 0 : 0 5 : 0
0 0 : 5 5 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 5 0 : 1
0 0 : 0 1 : 1
0 0 : 5 1 : 1
0 0 : 0 2 : 1
0 0 : 5 2 : 1
0 0 : 0 3 : 1
0 0 : 5 3 : 1
0 0 : 0 4 : 1
0 0 : 5 4 : 1
0 0 : 0 5 : 1
0 0 : 5 5 : 1
0 0 : 0 0 : 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Temperatura y Presión Envejecimiento PAV - Corrid a 5
101.00 100.75
] C º [ 100.50 a r 100.25 u t 100.00 a r e 99.75 p m 99.50 e T 99.25
Temperatura
2.40 2.35
Presión
2.30 ] a
P
2.25 M [ 2.20 n
ó i s e r 2.10 P 2.15 2.05
99.00
2.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 0 0 : 2
0 0 : 0 0 : 3
0 0 : 0 0 : 4
0 0 : 0 0 : 5
0 0 : 0 0 : 6
0 0 : 0 0 : 7
0 0 : 0 0 : 8
0 0 : 0 0 : 9
0 0 : 0 0 : 0 1
0 0 : 0 0 : 1 1
0 0 : 0 0 : 2 1
0 0 : 0 0 : 3 1
0 0 : 0 0 : 4 1
0 0 : 0 0 : 5 1
0 0 : 0 0 : 6 1
0 0 : 0 0 : 7 1
0 0 : 0 0 : 8 1
0 0 : 0 0 : 9 1
0 0 : 0 0 : 0 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Figura 0.8: PAV – Corrida 5. PAV Diagnó stico d e Datos - Corrida 6 105
Temperatura
3.50
Presión
] 100 C º [ 95 a r 90 u t a r 85 e p m 80 e T 75
3.00
]
a 2.50 P
2.00 M [
n
1.50 ó i
s
1.00 e r 0.50
70
P
0.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 5 0 : 0
0 0 : 0 1 : 0
0 0 : 5 1 : 0
0 0 : 0 2 : 0
0 0 : 5 2 : 0
0 0 : 0 3 : 0
0 0 : 5 3 : 0
0 0 : 0 4 : 0
0 0 : 5 4 : 0
0 0 : 0 5 : 0
0 0 : 5 5 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 5 0 : 1
0 0 : 0 1 : 1
0 0 : 5 1 : 1
0 0 : 0 2 : 1
0 0 : 5 2 : 1
0 0 : 0 3 : 1
0 0 : 5 3 : 1
0 0 : 0 4 : 1
0 0 : 5 4 : 1
0 0 : 0 5 : 1
0 0 : 5 5 : 1
0 0 : 0 0 : 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Temperatura y Presión Envejecimiento PAV - Corrid a 6
101.00 100.75
] C º [ 100.50 a r 100.25 u t 100.00 a r e 99.75 p m 99.50 e T 99.25
Temperatura
2.40 2.35
Presión
2.30 ] a
P
2.25 M [ 2.20 n
ó i s e r 2.10 P 2.15 2.05
99.00
2.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 0 0 : 2
0 0 : 0 0 : 3
0 0 : 0 0 : 4
0 0 : 0 0 : 5
0 0 : 0 0 : 6
0 0 : 0 0 : 7
0 0 : 0 0 : 8
0 0 : 0 0 : 9
0 0 : 0 0 : 0 1
0 0 : 0 0 : 1 1
0 0 : 0 0 : 2 1
0 0 : 0 0 : 3 1
0 0 : 0 0 : 4 1
0 0 : 0 0 : 5 1
0 0 : 0 0 : 6 1
0 0 : 0 0 : 7 1
0 0 : 0 0 : 8 1
0 0 : 0 0 : 9 1
0 0 : 0 0 : 0 2
Tiempo [ hh.mm.ss]
Figura 0.9: PAV – Corrida 6.
173
PAV Diagnóstico de Datos - Corrid a 7 105
Temperatura
3.50
Presión
] 100 C º [ 95 a r 90 u t a r 85 e p m 80 e T 75
3.00
]
a 2.50 P
M 2.00 [ n
ó 1.50 i s
1.00 e r 0.50
70
P
0.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 5 0 : 0
0 0 : 0 1 : 0
0 0 : 5 1 : 0
0 0 : 0 2 : 0
0 0 : 5 2 : 0
0 0 : 0 3 : 0
0 0 : 5 3 : 0
0 0 : 0 4 : 0
0 0 : 5 4 : 0
0 0 : 0 5 : 0
0 0 : 5 5 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 5 0 : 1
0 0 : 0 1 : 1
0 0 : 5 1 : 1
0 0 : 0 2 : 1
0 0 : 5 2 : 1
0 0 : 0 3 : 1
0 0 : 5 3 : 1
0 0 : 0 4 : 1
0 0 : 5 4 : 1
0 0 : 0 5 : 1
0 0 : 5 5 : 1
0 0 : 0 0 : 2
Tie mpo [hh.mm.ss]
Temperatura y Presión Envejecimiento PAV - Corrida 7
101.00
] C º [ a r u t a r e p m e T
100.75
Temperatura
2.40 2.35
Presión
2.30 ] a
100.50
P
100.25
2.25 M [ 2.20 n
100.00
ó i s e r 2.10 P
99.75
2.15
99.50 99.25
2.05
99.00
2.00 0 0 : 0 0 : 0
0 0 : 0 0 : 1
0 0 : 0 0 : 2
0 0 : 0 0 : 3
0 0 : 0 0 : 4
0 0 : 0 0 : 5
0 0 : 0 0 : 6
0 0 : 0 0 : 7
0 0 : 0 0 : 8
0 0 : 0 0 : 9
0 0 : 0 0 : 0 1
0 0 : 0 0 : 1 1
0 0 : 0 0 : 2 1
0 0 : 0 0 : 3 1
0 0 : 0 0 : 4 1
0 0 : 0 0 : 5 1
0 0 : 0 0 : 6 1
0 0 : 0 0 : 7 1
0 0 : 0 0 : 8 1
0 0 : 0 0 : 9 1
0 0 : 0 0 : 0 2
Tie mpo [hh.mm.ss]
Figura 0.10: PAV – Corrida 7.
Una vez culminados los envejecimientos según el procedimiento Superpave, el cual incluye calentar las muestras después del procedimiento PAV en un horno a 163ºC durante 15 ± 1 minuto con el objetivo de la remoción de burbujas, se procedió a verter las muestras en recipientes adecuados y rotulados para la posterior caracterización reológica a realizarse en el Laboratorio de Asfalto de la Universidad Santa María.
8.3
ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN.
Una vez realizadas las recuperaciones (asfaltos envejecidos naturalmente en terreno) y los procedimientos en PAV en RPC (asfaltos envejecidos artificialmente en laboratorio), se procedió a realizar los ensayos de caracterización para posteriormente hacer un análisis de los datos. Los ensayos realizados fueron Penetración, Punto de Ablandamiento, Ductilidad, Punto de Fragilidad de Fraass, Viscosidad Absoluta a 60ºC y Viscosidad Cinemática a 135ºC. Para
174
estas dos últimas cantidades se utilizó el viscosímetro rotacional Brookfield de cilindros coaxiales, presente en el Laboratorio de la Universidad. -
Penetración. Se procedió a determinar el valor de las penetraciones 1 a 25ºC para los asfaltos recuperados de los caminos y para los asfaltos envejecidos artificialmente en el PAV. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 8.8. Muestra A B C D E F G H
Penetración a 25ºC, [dmm] Original Env. Terreno Env. PAV Sin Inf. 46 --Sin Inf. 18 --Sin Inf. 29 --67* --30 54* --26 60* --20 72* --23 61* --22
Observación Vía Las Palmas Camino La Pólvora Acceso a Quintero
(*) Valor suministrado por la Empresa Proveedora
Tabla 0.8: Valores de Penetración, [dmm]. -
Punto de Ablandamiento. Se procedió a determinar el valor de las puntos de ablandamiento2 (A & B) para los asfaltos recuperados de los caminos y para los asfaltos envejecidos artificialmente en el PAV. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 8.9. Muestra A B C D E F G H
Punto de Ablandamiento, [ºC] Original Env. Terreno Env. PAV Sin Inf. 58,0 --Sin Inf. 70,9 --Sin Inf. 65,1 --49,0* --66,5 51,1* --61,2 49,1* --65,1 49,2* --60,9 50,1* --61,0
Observación Vía Las Palmas Camino La Pólvora Acceso a Quintero
(*) Valor suministrado por la Empresa Proveedora
Tabla 0.9: Valores de Punto de Ablandamiento, [ºC].
1
Procedimiento según 8.302.3-MCV8 Asfaltos: Método de Ensaye de Penetración (LNV 34).
2
Procedimiento según 8.302.16-MCV8 Asfaltos: Método para determinar el Punto de Ablandamiento con
el Aparato de Anillo y Bola (LNV 48).
175
-
Ductilidad. Se procedió a determinar el valor de las ductilidades 1 para los asfaltos recuperados de los caminos y para los asfaltos envejecidos artificialmente en el PAV. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 8.10. Muestra A B C D E F G H
Original Sin Inf. Sin Inf. Sin Inf. 150* 150* 150* 150* 150*
Ductilidad, [cm] Env. Terreno 50,5 5,8 11,7 -----------
Env. PAV ------13,5 18,7 11,0 29,6 29,4
Observación Vía Las Palmas Camino La Pólvora Acceso a Quintero
(*) Valor suministrado por la Empresa Proveedora
Tabla 0.10: Valores de Ductilidad, [cm].
-
Punto de Fragilidad de Fraass. Se procedió a determinar el valor del punto de fragilidad de Fraass2 para los asfaltos recuperados de los caminos, ya que se consideró un valor útil para el análisis. Lamentablemente, debido a la escasez de recursos, no se pudo determinar el punto de fragilidad para las muestras D a H. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 8.11. Muestra A B C
Punto de Fraass, [ºC] Observación Original Env. Terreno Sin Inf. -13 Vía Las Palmas Sin Inf. -7 Camino La Pólvora Sin Inf. -11 Acceso a Quintero
Tabla 0.11: Valores de Punto de Fragilidad de Fraass, [ºC].
1
Procedimiento según 8.302.8-MCV8 Asfaltos: Método para determinar la Ductilidad (LNV 35).
2
Procedimiento según 8.302.17-MCV8 Asfaltos: Método para determinar el Punto de Fragilidad Fraass.
176
-
Viscosidad Absoluta a 60ºC. Para el cálculo de la viscosidad absoluta a 60ºC para los asfaltos recuperados de los caminos y para los asfaltos envejecidos artificialmente en el PAV, se utilizó el viscosímetro rotacional de cilindros coaxiales Brookfield, usando el spindle 29. Se determinó primeramente la viscosidad Brookfield a 60ºC y luego se aplicó la correlación dada por la Ecuación 8.1 entre la viscosidad absoluta y la viscosidad Brookfield 1. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 8.12. VA = 1,0146 ∗ VB 60 − 51,957 donde
Muestra A B C D E F G H
(8.1)
VA :
Viscosidad Absoluta a 60ºC, [Poises].
VB60 :
Viscosidad Brookfield a 60ºC, [Poises].
Env. Terreno Env. PAV VB60 S* VB60 S* -1 [Poises] [s ] [Poises] [s-1] 8.210 0,250 ----47.733 0,025 ----36.767 0,025 --------32.067 0,025 ----15.000 0,025 ----39.267 0,025 ----15.267 0,050 ----15.050 0,050
Viscosidad Absoluta, [Poises] Original Env. Terreno Env. PAV Sin Inf. Sin Inf. Sin Inf. 2.520** 2.163** 2.550** 1.700** 2.380**
8.278 48.378 37.252 -----------
------32.483 15.167 39.788 15.438 15.218
(*) Tasa de Corte de la Medición; (**)Valor suministrado por la Empresa Proveedora
Tabla 0.12: Viscosidad Absoluta a 60ºC, [Poises].
-
Viscosidad Cinemática a 135ºC. Se utilizó el viscosímetro rotacional de cilindros coaxiales Brookfield con el spindle 21 para el cálculo de la viscosidad cinemática a 135ºC. Esto se realizó para los asfaltos recuperados de los caminos, para los asfaltos envejecidos artificialmente en el PAV y para las muestras originales que no traían el dato en la información de sus proveedores (específicamente los Pitchs de la RPC). Se determinó primeramente la viscosidad Brookfield a 135ºC y luego se aplicó la
1
Martínez, R., “Correlación entre Viscosidad Brookfield y Viscosidades Capilares”, referencia MART04
de esta Memoria.
177
correlación dada por la Ecuación 8.2 entre la viscosidad cinemática y la viscosidad Brookfield1. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 8.13. VC = 0,9894 ∗ VB135 + 8,022 donde
Muestra A B C D E F G H
(8.2)
VC :
Viscosidad Cinemática a 135ºC, [cSt].
VB135 :
Viscosidad Brookfield a 135ºC, centipoises [cP].
Original Env. Terreno VB135 S* VB135 S* [cP] [s-1] [cP] [s-1] Sin Inf. --700 4,65 Sin Inf. --1.910 4,65 Sin Inf. --1.143 4,65 538 18,60 ----413 23,25 ----470 18,60 ---------------------
Env. PAV VB135 S* [cP] [s-1] ------------1.078 18,60 825 18,60 1.178 8,37 852 9,30 820 9,30
Viscosidad Cinemática, [cSt] Env. Original Env. PAV Terreno Sin Inf. 701 --Sin Inf. 1.898 --Sin Inf. 1.139 --540 --1.074 417 --824 473 --1.173 199** --851 405** --819
(*) Tasa de Corte de la Medición; (**)Valor suministrado por la Empresa Proveedora
Tabla 0.13: Viscosidad Cinemática a 135ºC, [cSt].
A continuación se presenta un cuadro resumen con los datos obtenidos de los ensayos de caracterización en laboratorio, incluyéndose además el valor del Índice de Penetración (o de Pfeiffer), calculado con la Ecuación 7.1 implementada en el software Bands 2.0 perteneciente a Shell International Oil Products BV y que toma como base una penetración 800 [dmm] para la
temperatura del Punto de Ablandamiento.
1
Martínez, R., “Correlación entre Viscosidad Brookfield y Viscosidades Capilares”, referencia MART04
de esta Memoria.
178
CAMINOS RECUPERADOS Muestra A Muestra B Muestra C 96 98 98 o Año n e Años Servicio 8 6 6 r r e Pen. [dmm] 46 18 29 T n P.A. [ºC] 58,0 70,9 65,1 e o Duct. [cm] 50,5 5,8 11,7 d i c Visc. Abs. 60º [Poise] 8.278 48.378 37.252 e j e 701 1898 1139 v Visc. Cin 135º [cSt] n EPunto de Fraass [ºC] -13 -7 -11 0,4 0,7 0,7 I.P. ASFALTOS ENVEJECIDOS ARTIFICIALMENTE Muestra D Muestra E Muestra F Muestra G Muestra H 67 54 60 72 61 Pen. [dmm] l a P.A. [ºC] 49,0 51,1 49,1 49,2 50,1 n i g Duct. [cm] 150 150 150 150 150 i r 2.520 2.163 2.550 1.700 2.380 OVisc. Abs. 60º [Poise] 540 417 473 199 405 Visc. Cin 135º [cSt] -0,8 -0,7 -1,0 -0,5 -0,7 I.P. Pen. [dmm] P.A. [ºC] VDuct. [cm] A P Visc. Abs. 60º [Poise] Visc. Cin 135º [cSt] I.P.
30 66,5 13,5 32.483 1.074 1,0
26 61,2 18,7 15.167 824 -0,2
20 65,1 11,0 39.788 1.173 0,0
23 60,9 29,6 15.438 851 -0,5
22 61,0 29,4 15.218 819 -0,5
Tabla 0.14: Cuadro Resumen de Ensayos de Caracterización.
179
8.4
ANÁLISIS DE LOS DATOS.
En esta Sección se realizará un análisis de los datos obtenidos mediante los ensayos de caracterización realizados a las muestras originales, envejecidas artificialmente en laboratorio en el PAV y recuperadas de los caminos de la región, tal como se mencionó anteriormente. Para tal efecto se analizará primeramente los valores puntuales arrojados por cada ensayo, así como su variación durante el envejecimiento; luego, el análisis abarcará los valores (y su variación) de los diversos índices de susceptibilidad del asfalto con respecto a la temperatura; finalmente, se analizarán los datos con respecto a los criterios de las especificaciones por desempeño (Superpave y proposición de Graduación para Chile). Debido a la naturaleza empírica de los ensayos de caracterización realizados, no fue posible realizar un análisis lineal viscoelástico (LVE) dada la no disponibilidad del equipamiento necesario; esto implica todas las desventajas al utilizar propiedades no fundamentales, descritas en el Capítulo 7. No obstante lo anterior, en la última parte del análisis de los datos se rescata el concepto de Reología Práctica al trabajar criteriosamente con las mediciones, para lo cual: (1) se puede trabajar con grados de desempeño directamente relacionados a las condiciones del tráfico y del pavimento (como lo hace Superpave), y (2) los costosos equipos de ensayos reológicos no son necesarios, ya que pueden ser reemplazados por procedimientos numéricos en donde se estiman las propiedades reológicas a partir de ensayos simples, y utilizando la experiencia de la ingeniería nacional para definir criterios de aprobación. Con el objeto de que el estudio de los datos obtenidos sea ordenado y sistemático para cada variable, se definen tres análisis con distintos enfoques cada uno, los cuales se realizarán cuando sean aplicables. Estos enfoques son los siguientes:
Enfoque 1: Análisis de PAV ; aplicable sólo a las Muestras envejecidas artificialmente en el PAV (Muestras D,E,F,G y H). Las variaciones en las variables medidas se compararán con los resultados de los protocolos originales de SHRP para la definición del procedimiento de envejecimiento del PAV. Este enfoque pretende validar la Cámara de Envejecimiento presente en la RPC y el procedimiento estándar con asfaltos nacionales. Enfoque sólo válido para las viscosidades.
180
Enfoque 2: Análisis PAV v/s Caminos Recuperados . Este enfoque compara las variaciones en las propiedades dadas por el envejecimiento artificial en el PAV realizado en la RPC (Muestras D, E, F, G y H), con las variaciones producidas por el envejecimiento natural en terreno (Muestras A, B y C). De esta forma se podrán comparar ambos envejecimientos, además de comparar los efectos del paso del tiempo en los distintos caminos recuperados. Para este enfoque es necesario realizar los siguientes supuestos: -
Se considera que el procedimiento de recuperación del ligante por medio del ensayo del Rotavapor aplicado no produce alteraciones significativas sobre el asfalto, lo cual es confirmado por la bibliografía.
-
Se estiman las propiedades originales para los ligantes colocados en los tres caminos, basados en que todos cumplieron la especificación chilena para un cemento asfáltico sin modificar 60/80. Esta estimación se apoyó en la experiencia del personal de laboratorio; los parámetros estimados son: Propiedad Estimada Pen. [dmm]
Valor 66
P.A. [ºC]
49,0
Duct. [cm]
150
Visc. Abs. 60º [Poise]*
2.288
Visc. Cin 135º [cSt]*
404
Punto de Fraass [ºC]
-17
I.P.
-0,8
(*) Promedio de valores originales de Muestras D, F, G y H. No se consideró la Muestra E, dado que su penetración original no cumple la de un asfalto 60/80.
Tabla 0.15: Valores Originales Estimados, Caminos Recuperados (Muestras A, B y C).
Enfoque 3: Análisis asfalto envejecido v/s Estudios Anteriores . Este enfoque compara las variaciones en las propiedades dadas por el envejecimiento artificial o natural (según corresponda), con los resultados de estudios anteriores estudiados en la revisión bibliográfica.
181
Los distintos enfoques de análisis se esquematizan en los siguientes diagramas presentados en la Figura 8.12.
Propiedad Original V . A 1 P e e u d q i o s s f l n i E á n A
s o d a r e p c . u 2 e e R u s q o n o i f n m a E C s / v V A P s / v s s e o r o . d i r 3 c i e e t e j u e n q v A o n s f o n E s i E t o d u l t s a E f s A
(Muestras D, E, F, G y H)
Envejecimiento en PAV RPC
Propiedad Después de PAV
Variación en Propiedad Comparación con Protocolos Originales PAV
Propiedad Original (Muestras D, E, F, G y H)
Envejecimiento en PAV RPC
Conclusiones
Propiedad Después de PAV
Variación en Propiedad Comparación de Variaciones
Conclusiones
Variación en Propiedad Propiedad Original Estimada Envejecimiento en Terreno (Muestras A, B y C)
Propiedad Original
Envejecimiento
(Todas las Muestras)
Propiedad Ligante Recuperado Propiedad Después de Envejecimiento
Variación en Propiedad Comparación con Estudios Revisión Bibliográfica
Conclusiones
Figura 0.11: Enfoques de Análisis Realizados a los Datos Experimentales.
182
8.4.1 Análisis de Medidas Puntuales. 8.4.1.1
Análisis de Penetraciones.
A continuación se muestra el Enfoque 2 y 3 de análisis para las medidas de penetraciones. El Enfoque 1 no es aplicable debido a que el estudio del endurecimiento en el desarrollo del PAV se basó primeramente en comparaciones de viscosidad (Índices de Envejecimiento) y luego en medidas de caracterización lineal viscoelástica (curvas maestras para el módulo complejo y el ángulo de fase).
Enfoque 2.
Penetración Penetración %Penetración Disminución Original, [dmm] Envejecido, [dmm] Retenida* Porcentual** A 66 46 70% 30% Caminos Recuperados B 66 18 27% 73% C 66 29 44% 56% Promedio 66 31 47% 53% D 67 30 45% 55% E 54 26 48% 52% Envejecidos F 60 20 33% 67% en PAV G 72 23 32% 68% H 61 22 36% 64% Promedio 63 24 39% 61% Muestra
(*) Relación de Penetraciones, ver Sección 4.4; (**) Calculada como Pen.Env. - Pen.Orig. Pen.Orig. = 1 − Pen.Ret.
Tabla 0.16: Enfoque 2 Análisis de Penetraciones.
-
Se observa una importante diferencia en la variación de las penetraciones para los caminos recuperados, lo que habla de distintos niveles de envejecimiento en terreno para asfaltos expuestos a similares condiciones climáticas y de edades comparables (Muestra A de 8 años; C y B de 6 años). Dado que la muestra A (Vía Las Palmas) tiene 2 años más en servicio que la muestra B y C (Camino La Pólvora y Acceso a Quintero respectivamente) era esperable un mayor grado de endurecimiento; esto no es revelado por los datos, por lo que se impulsa un posterior estudio de la influencia de las variables de la mezcla, tales como el contenido de vacíos, el % de asfalto en la mezcla y la granulometría). Se observa el endurecimiento más severo para la muestra B.
183
-
Comparando ambos envejecimientos (natural y artificial), se observan en promedio niveles similares en la disminución de la penetración (53% para caminos recuperados, 61% para asfaltos envejecidos en PAV).
Enfoque 3. Se compararon los valores obtenidos en las penetraciones luego del envejecimiento con diferentes estudios: -
Para el estudio realizado por Lee (1973) para asfalto recuperado de 9 secciones de prueba en Iowa1 (ver Figuras 4.5 y 4.6), se encontró que el endurecimiento de la Muestra A (Vía Las Palmas) es similar al observado en terreno; mientras que el endurecimiento de la Muestra B (Camino La Pólvora) es similar al observado en Laboratorio según el procedimiento del investigador. La Muestra C (Acceso a Quintero) muestra valores intermedios de endurecimiento con respecto al envejecimiento de terreno y al artificial realizado por Lee. Esto sienta un buen precedente para la validación del envejecimiento artificial de Superpave, ya que el procedimiento del PAV se basó originalmente en el “ POV ” ( Cámara de Oxidación a Presión ), desarrollado por Lee.
-
Para el estudio del tramo de prueba de Michigan 2 realizado por Corbett y Merz (1975) se observa lo siguiente: -
El Asfalto comparado de la prueba de Michigan fue un AC-20, lo que concuerda con las propiedades originales estimadas para las Muestras A, B y C.
-
El endurecimiento sufrido por la Muestra A (8 años en terreno) es equivalente a 6 años para las condiciones de Michigan, observándose un menor envejecimiento comparativo; por el contrario, las Muestras B y C (ambas con 6 años de edad), en cuanto a penetración muestran una equivalencia de 25 y 15 años respectivamente para las condiciones de Michigan, observándose un mucho mayor envejecimiento comparativo (ver Figura 8.13). La conclusión es parecida al Enfoque 2: la Muestra A presenta el menor endurecimiento, mientras que las Muestras B y C envejecieron
1
Desarrollo del “IDT”, por Lee (1973); Ver Sección 4.4.1, página 73.
2
Tramo de Prueba de Michigan; Ver Sección 4.4.2, página 80.
184
más dentro de un mismo clima, impulsando el estudio de las incidencias de las condiciones iniciales de la mezcla y del tráfico. -
Cabe hacer notar que el clima de Michigan es templado en verano (debido al lago) y más frío que el de Valparaíso en invierno (bordeando los 0ºC de temperatura media), lo que explicaría el menor envejecimiento oxidativo observado en cuanto a consistencia, ya que la principal causa del envejecimiento a largo plazo es la presencia de una temperatura relativamente alta que acelere la oxidación.
- No obstante lo anterior, no puede extrapolarse ninguna conclusión fuera de las condiciones dadas para estas 2 pruebas. VIS. @ 60ºC (140ºF) PEN. @ 25ºC (77ºF) DUCT. @ 25ºC (77ºF)
46
29 18 Muestra A 6 años
Muestra C 15 años
Muestra B 25 años
AÑOS
Figura 0.12: Comparación Penetraciones Caminos Recuperados v/s Prueba de Michigan.
-
Según las conclusiones del estudio realizado por Hubbard y Gollomb 1 el Camino La Pólvora debiera presentar agrietamiento severo (penetración < 20), el camino de Acceso a Quintero debiera presentar algún agrietamiento (20 < penetración 30) y la Vía Las Palmas no debiera presentar agrietamiento apreciable (penetración > 30), todo esto en
1
Ver Sección 7.1.1 Penetración, página 136.
185
los sitios de extracción de las testigos. Sin embargo, como antes se mencionó, eso sólo puede ser aplicado a los tramos y mezclas recuperadas en ese estudio específico y suponer una correlación sería engañoso y simple coincidencia.
8.4.1.2
Análisis de Ductilidades.
Al igual que para el análisis de Penetraciones, son aplicables los Enfoques 2 y 3.
Enfoque 2. Ductilidad Ductilidad Disminución Original, [cm] Envejecido, [cm] Porcentual* A 150 50,5 66% Caminos Recuperados B 150 5,8 96% C 150 11,7 92% Promedio 150 22,7 85% D 150 13,5 91% E 150 18,7 88% Envejecidos F 150 11,0 93% en PAV G 150 29,6 80% H 150 29,4 80% Promedio 150 20,4 86% Muestra
(*) Calculada como Duct.Env. - Duct.Orig. Duct.Orig.
Tabla 0.17: Enfoque 2 Análisis de Ductilidades.
-
Al comparar ambos envejecimientos a través del parámetro de la ductilidad se observa en promedio una muy buena correlación entre los efectos producidos por ambos procesos: 85% y 86% en la disminución porcentual de la ductilidad (natural y artificial, respectivamente). Con lo anterior, al igual que en el caso de la penetración, se puede concluir que ambos procesos correlacionan en promedio de buena manera para las condiciones de la región, validando el envejecimiento realizado en la RPC con respecto al envejecimiento producido por las condiciones de la región. Sin embargo, se debe rescatar nuevamente la diferencia en los valores de las ductilidades de las muestras recuperadas, realzando la importancia de próximos estudios que incluyan más variables.
186
Enfoque 3. - Nuevamente se observa una diferencia importante en el comportamiento de la ductilidad de los tres caminos recuperados, evidenciando el menor envejecimiento de la Muestra A con respecto a las Muestras B y C. Según la ductilidad, el Camino La Pólvora es el más envejecido y propenso a mostrar agrietamiento, ya que se ha relacionado en muchas ocasiones valores menores de ductilidad con un pobre desempeño en servicio (ver Sección 7.1.2). -
Con respecto al estudio del tramo de prueba de Michigan realizado por Corbett y Merz (1975) no se encontró una relación entre los valores obtenidos en ductilidad, sino sólo en el orden de qué camino presenta mayor envejecimiento que otro. La tendencia, según lo comprobado, es un envejecimiento más severo en los caminos chilenos recuperados con respecto a los caminos de la prueba de Michigan.
8.4.1.3
Análisis de Puntos de Ablandamiento.
Al igual que para los casos anteriores, son aplicables los Enfoques 2 y 3.
Enfoque 2. Punto de Punto de Aumento Muestra Ablandamiento Ablandamiento Porcentual* Original, [ºC] Envejecido, [ºC] A 49,0 58,0 18% Caminos Recuperados B 49,0 70,9 45% C 49,0 65,1 33% 64,7 32% Promedio 49,0 49,0 66,5 36% D 51,1 61,2 20% E Envejecidos 49,1 65,1 33% F en PAV 49,2 60,9 24% G 50,1 61,0 22% H 62,9 27% Promedio 49,7 (*) Calculado como PA.Env. - PA.Orig. PA.Orig.
Tabla 0.18: Enfoque 2 Análisis de Puntos de Ablandamiento.
187
-
Al comparar ambos envejecimientos a través del parámetro del punto de ablandamiento se observa en promedio una muy buena correlación entre los efectos producidos por ambos procesos: 32% y 27% en el aumento porcentual del punto de ablandamiento (natural y artificial, respectivamente). Con lo anterior, al igual que en el caso de la penetración y la ductilidad, se puede concluir que ambos procesos correlacionan bien en promedio para las condiciones de la región, validando el envejecimiento realizado en la RPC con respecto al envejecimiento producido por las condiciones de la región. Sin embargo, nuevamente se rescata la diferencia en los valores del punto de ablandamiento para las muestras de los caminos recuperados.
Enfoque 3. -
Algunos autores han sugerido un aumento de 20ºC del Punto de Ablandamiento para procedimientos de envejecimiento acelerado artificial en laboratorio, tal como lo hace el procedimiento de PAV1. Sin embargo, el aumento promedio detectado sobre las muestras estudiadas en esta Memoria es de 13,2ºC debido al PAV, y 15,7ºC debido al envejecimiento natural. Esto sugiere realizar un estudio más extenso en cuanto al número de muestras a envejecer en el PAV, a fin de minimizar errores aleatorios que pudiesen haberse presentado en el envejecimiento en RPC; de todas formas se recomienda un aumento en el valor del PA no menor a 15ºC, considerándose un aumento de 20ºC como un valor conservador por el lado de la seguridad.
-
La variación en el valor del Punto de Ablandamiento por sí sola debido al envejecimiento no se ha estudiado en extenso; se utiliza en el cálculo del Índice de Penetración que se verá más adelante.
8.4.1.4
Análisis de Puntos de Fragilidad de Fraass.
Debido a la limitación de recursos disponibles para esta Memoria no fue posible obtener los valores del punto de fragilidad para las muestras envejecidas artificialmente, focalizándose el
1
Recomendado por H.U. Bahia, University of Wisconsin, Madison.
188
estudio del Fraass sólo a las muestras de caminos recuperados. Por lo tanto sólo puede desarrollarse el Enfoque 3 de análisis.
Enfoque 3. Muestra Punto de Fraass Punto de Fraass Punto de Fraass Original, [ºC] Envejecido, [ºC] Estimado, [ºC] A -17 -13 -16,5 Caminos Recuperados B -17 -7 -9,0 C -17 -11 -14,0 Promedio -17 -10,3 -13,7
Tabla 0.19: Enfoque 3 Análisis de Puntos de Fraass.
] C º [ , S S A -9,0 A R F E D O T -14,0 N U P
IP
-16,5
PENETRACIÓN a 25ºC, [dmm]
Figura 0.13: Estimación del Punto de Fraass para los Asfaltos Recuperados.
-
Para los tres caminos recuperados se observa un aumento real en el punto de fragilidad de Fraass, lo cual era totalmente esperable dada la rigidización del asfalto durante el 189
envejecimiento, primeramente perdiendo componentes volátiles y luego debido a la oxidación del material. Esto concuerda con las conclusiones arrojadas por SHRP al considerar que uno de los efectos del proceso de envejecimiento es el aumento en la temperatura de definición 1 a partir de la cual (hacia menores temperaturas) comienza el comportamiento elástico del material, relacionada con el Punto de Fraass, donde se alcanza el máximo valor del módulo elástico. -
Se observa que los valores estimados del punto de Fraass según el gráfico de la Figura 8.14 a partir del IP y la Penetración a 25ºC resultan subestimados con respecto a los medidos. Esto concuerda con lo expresado por Thenoux 2 ya que un asfalto puede presentar temperaturas de fragilidad muy superiores a las esperadas por el solo hecho de estar envejecido.
8.4.1.5
Análisis de Viscosidades.
Enfoque 1. A través del estudio de las viscosidades se puede realizar el Enfoque 1 de análisis definido. En las primeras etapas de la investigación en el marco Superpave que derivó en el procedimiento del PAV se utilizó el Índice de Envejecimiento (IE) (basado en la viscosidad a 60ºC) como una medida de comparación para calibrar el proceso. Como se vio en el Capítulo 5, el protocolo base para la definición del procedimiento de envejecimiento del PAV fue el que consideraba una temperatura de envejecimiento de 71ºC, durante 144-hr (6 días) y bajo 2,07-MPa de presión de aire sobre el residuo del TFOT; con respecto a este procedimiento se calibró el protocolo final de 20-hr, 100ºC y 2,07-MPa aplicado en este trabajo de Memoria en la RPC. Éste fue considerado finalmente el adecuado para reproducir el envejecimiento del asfalto dado en el terreno tras un tiempo de 5 a 10 años en servicio.
1
Efecto del Envejecimiento sobre propiedades Reológicas dentro del Proyecto SHRP, Ver Sección 7.3.1,
página 150. 2
Punto de Fragilidad Fraass, Ver Sección 7.1.4, página 139.
190
A continuación se compararán los Índices de Envejecimiento calculados para los asfaltos de SHRP1 con los mismos obtenidos para las muestras D, E, F, G y H de este trabajo.
Muestra D E F G H Promedio AAA-1 e AAB-1 n e s a AAC-1 s B o d o AAD-1 i l c e o c AAF-1 j o e t v o AAG-1 n r E P AAK-1 AAM-1 Promedio s o d C i c P e R j e n v e n E
Visc. 60º Original, Visc. 60º después Índice de [Poise] Envejecido, [Poise] Envejecimiento 2.520 32.483 12,9 2.163 15.167 7,0 2.550 39.788 15,6 1.700 15.438 9,1 2.380 15.218 6,4 2.263 23.619 10,2 Sin Inf. Sin Inf. 10,9 Sin Inf. Sin Inf. 10,5 Sin Inf. Sin Inf. 11,5 Sin Inf. Sin Inf. 20,4 Sin Inf. Sin Inf. 17,2 Sin Inf. Sin Inf. 5,5 Sin Inf. Sin Inf. 18,2 Sin Inf. Sin Inf. 15,7 13,7
Tabla 0.20: Enfoque 1 Análisis de Viscosidades Absolutas (60ºC).
-
De la Tabla anterior se puede corroborar, en cuanto a viscosidad, la alta especificidad del proceso de envejecimiento con respecto al ligante original, proceso que en este caso es a través del PAV: la muestra H mostró un IE de 6,4, mientras que la muestra F un valor de 15,6 a pesar de ser sometidas al mismo protocolo de oxidación; en el estudio de SHRP, el asfalto AAD-1 mostró un IE de 20,4, mientras que el asfalto AAG-1 sólo mostró un IE de 5,5. Por lo tanto, las diferencias se deben a la fuente del asfalto lo que determina sus componentes que, al estar presentes en diferentes proporciones, generan distintos cambios en la viscosidad a través del proceso de endurecimiento. Tal especificidad está altamente comprobada en la literatura y pudo también ser observada con los valores de los demás ensayos de caracterización analizados.
-
Sin embargo, en el envejecimiento producido en el PAV en RPC se puede observar en promedio efectos similares a los producidos por el protocolo base de SHRP: un promedio de IE de 10,2 (PAV-RPC) versus un promedio de IE de 13,7 (base SHRP). Lo
1
Selección del Procedimiento Final de Envejecimiento, Ver Sección 5.4.2, Figura 5.13, página 114.
191
anterior indica que el proceso de endurecimiento realizado en el PAV de la RPC durante el trabajo de esta Memoria se valida con respecto al proceso de envejecimiento propuesto por Superpave, cumpliéndose el objetivo del Enfoque 1 de Análisis propuesto; esto incluye tanto el procedimiento estándar como el equipo utilizado. -
Debido a que esta Memoria es el primer trabajo de este tipo en el país, se recomienda realizar un estudio con mayor disponibilidad de recursos y que incluya un mayor número de muestras a fin de poder hacer un trabajo estadístico con los resultados. Además, se recomienda utilizar un análisis LVE para observar los efectos del envejecimiento y compararlos con los producidos en los estudios de las últimas etapas del desarrollo del PAV en el proyecto Superpave.
Enfoque 2. Para la Viscosidad Absoluta a 60ºC: Visc. 60º Visc. 60º después Índice de Original, [Poise] Envejecido, [Poise] Envejecimiento A 2.288 8.278 3,6 Caminos Recuperados B 2.288 48.378 21,1 C 2.288 37.252 16,3 Promedio 2.288 31.303 13,7 D 2.520 32.483 12,9 E 2.163 15.167 7,0 Envejecidos F 2.550 39.788 15,6 en PAV G 1.700 15.438 9,1 H 2.380 15.218 6,4 Promedio 2.263 23.619 10,2 Muestra
Tabla 0.21: Enfoque 2 Análisis de Viscosidad Absoluta a 60ºC.
192
Para la Viscosidad Cinemática a 135ºC: Visc. 135º Visc. 60º después Índice de Original, [cSt] Envejecido, [Poise] Envejecimiento A 404 701 1,7 Caminos Recuperados B 404 1.898 4,7 C 404 1.139 2,8 Promedio 404 1.246 3,1 D 540 1.074 2,0 E 417 824 2,0 Envejecidos F 473 1.173 2,5 en PAV G 199 851 4,3 H 405 819 2,0 Promedio 407 948 2,5 Muestra
Tabla 0.22: Enfoque 2 Análisis de Viscosidad Cinemática a 135ºC.
- Nuevamente se observa la especificidad del cambio en la viscosidad durante el envejecimiento, ya sea en terreno o en PAV, con respecto a la fuente del asfalto. Esto se observa para ambas medidas de viscosidad. -
A pesar de lo anterior, se observan en promedio similares IE para ambas medidas de viscosidad: 13,7 (terreno) versus 10,2 (PAV) para la viscosidad absoluta a 60ºC; 3,1 (terreno) versus 2,5 (PAV) para la viscosidad cinemática a 135ºC. De esta forma se puede concluir una buena relación entre los efectos de ambos procesos, medidos a través del cambio en la viscosidad, la cual constituye una propiedad fundamental, validando el proceso realizado en el PAV de RPC con respecto a asfaltos recuperados del terreno en la región. Es importante notar que el valor de 13,7 en el promedio de IE para los caminos recuperados es idéntico al promedio obtenido para los ocho asfaltos de SHRP en el protocolo original.
193
8.4.2 Análisis de los Parámetros de Susceptibilidad a la Temperatura. 8.4.2.1
Análisis del Índice de Penetración (IP).
Enfoque 2. Muestra A Caminos Recuperados B C Promedio D E Envejecidos F en PAV G H Promedio
IP Original -0,79* -0,79* -0,79* -0,79 -0,75 -0,75 -1,00 -0,51 -0,70 -0,74
IP después de Aumento en IP Envejecido 0,42 1,21 0,73 1,52 0,73 1,52 0,63 1,42 1,04 1,79 -0,18 0,57 0,01 1,01 -0,47 0,04 -0,53 0,17 -0,03 0,72
(*) Calculados a partir de la Penetración y PA estimados.
Tabla 0.23: Enfoque 2 Análisis de Índices de Penetración.
Con respecto a los valores se puede observar lo siguiente: -
Era completamente esperable un aumento en el valor del IP, por cualquiera de los dos procesos de endurecimiento, lo cual se traduce en una menor susceptibilidad térmica del ligante envejecido. Esto no es un punto deseable, ya que en el Largo Plazo el modo de falla que se quiere controlar es el agrietamiento por fatiga y el térmico, para lo cual lo óptimo es tener un asfalto con un valor máximo de módulo limitado (asfalto más “blando”, asociado a una consistencia menor) y con una mayor susceptibilidad térmica, lo que le permita relajar esfuerzos más rápidamente con los cambios de temperatura. Según este criterio los asfaltos envejecidos en PAV son ordenados de mayor a menor desempeño en el siguiente orden: G, H, E, F y D; en este orden se consideró como mejor aquél que tuviese la menor variación en el IP.
-
Con respecto a los valores IP de los caminos recuperados, muestra un mejor desempeño la muestra A, juzgándose superior en cuanto a susceptibilidad térmica que la muestra B y C, las cuales se muestran más envejecidas. Esto concuerda con las conclusiones de todos los análisis anteriores realizados de los ensayos de caracterización. El alto aumento promedio estimado de 1,42 para el valor del IP se atribuye a una mala
194
estimación del IP original, ya que los valores observados en la literatura y por otros investigadores son del orden de 0,75. De esta forma, se estima a partir de los IP envejecidos que los IP originales debieron bordear el valor -0,1; esto es absolutamente válido, ya que la especificación chilena permite un amplio rango en IP.
Enfoque 3. -
Al observar los valores de la Tabla 8.22 se ve una excelente correlación entre el aumento promedio en el valor del IP de 0,72 para los asfaltos envejecidos artificialmente en la RPC y el aumento de 0,75 en el IP recomendado por Bahía 1 para el procedimiento del PAV. Esto validaría según el IP el proceso de envejecimiento realizado en esta memoria con respecto a los valores arrojados por otros investigadores.
-
Al observar los valores del IP después de envejecido en PAV, se ve que bordean el valor 0,0 IP. Esto reafirma la sugerencia de algunos investigadores de limitar el valor del IP al rango (-1, 0), restringiendo la actual especificación chilena cuyo rango es considerado demasiado amplio (-1, +1). Limitar el valor del IP busca tener un buen comportamiento a la fatiga y al agrietamiento térmico, aumentando la susceptibilidad térmica.
8.4.2.2
Análisis del PVN (Penetration Viscosity Number).
Enfoque 2 y 3. Muestra PVN Original Caminos Recuperados
Envejecidos en PAV
A B C Promedio D E F G H Promedio
-0,66* -0,66* -0,66* -0,66 -0,23 -0,82 -0,54 -1,60 -0,74 -0,78
PVN después de Envejecido -0,27 0,05 -0,10 -0,11 -0,14 -0,60 -0,41 -0,67 -0,76 -0,52
Variación 0,39 0,72 0,56 0,56 0,09 0,21 0,13 0,92 -0,02 0,27
(*) Calculados a partir de la Penetración y Viscosidad Cinemática Estimadas.
Tabla 0.24: Enfoque 2 y 3 Análisis de Índices de Penetración.
1
“ Índice de Penetración (IP)”; Ver Sección 7.2.1.1, página 145.
195
-
A pesar de lo que dice alguna bibliografía con respecto de que el PVN permanece sustancialmente constante con el envejecimiento, se puede observar para las muestras estudiadas una tendencia clara en el aumento del PVN debido al envejecimiento (excepto para la muestra H, cuyo PVN disminuyó en 0,02), ya sea en terreno o en el PAV. Esto significa que la susceptibilidad de los asfaltos estudiados, medida a través del PVN, disminuyó con el envejecimiento, lo cual es coherente con lo observado en el análisis del IP.
-
Se observa que el promedio de los valores del PVN después de envejecido para los caminos recuperados (-0,11) es mayor que el mismo calculado para las muestras envejecidas en el PAV (-0,52); esto implicaría un mayor estado de envejecimiento de los caminos recuperados con respecto a aquellos envejecidos en PAV. Sin embargo aún existe una gran incerteza en el valor inicial del PVN para los caminos recuperados, el cual sólo se muestra como una estimación, por lo cual no se podría sacar ninguna conclusión sólida al respecto.
-
La gran desventaja del PVN es que da información de la susceptibilidad del asfalto en un rango de temperaturas altas (25ºC – 135ºC), lo cual no puede extrapolarse a la zona de baja temperatura, la cual domina los modos de falla a esta altura de la edad del pavimento en servicio.
8.4.3 Análisis de los Criterios de Especificaciones por Desempeño. A continuación se comprobará el cumplimiento de las especificaciones por desempeño, ya sea de Superpave o la propuesta para Chile, para los asfaltos analizados según el Grado PG estimado para la zona en estudio. Esta comprobación sólo podrá realizarse para los parámetros que los datos obtenidos de los ensayos de caracterización permitan determinar, dejando para un posterior estudio la utilización de valores más fundamentales, tales como el Módulo de Corte y el ángulo de fase.
196
Lo primero que debe realizarse es seleccionar el Grado PG ( Performance Grade) para la zona en estudio, con lo cual se podrá disponer de la temperatura a la cual realizar las comparaciones.
8.4.3.1
Selección del Grado PG.
Para la selección del Grado PG se recurrió al estudio “Zonificación Geográfica de la Quinta Región de Valparaíso para la Elección de Ligante Asfáltico según el Método SuperpaveSHRP”, referencia GONZ04 de esta Memoria. La zonificación se realizó en base a estadísticas
de temperaturas máximas y mínimas del aire para distintas estaciones meteorológicas de la región y utilizando la conversión a las temperaturas extremas del pavimento según el modelo Superpave. Se consideró el grado de desempeño para esta zona con un 98% de Confiabilidad, lo que arrojó un PG 52-10. Para incorporar en la exigencia de la especificación el factor de la velocidad de carga (baja velocidad de carga, cargas estacionarias, caminos con pendiente) y los efectos del volumen de tráfico, se aumenta en 2 grados de especificación el valor de alta temperatura. Por lo tanto, el grado de desempeño a satisfacer es un PG 64-10. Hay que señalar que los caminos recuperados, ya sea la Vía Las Palmas y el Camino La Pólvora son caminos por los cuales el tráfico es elevado, sobre todo de vehículos pesados; además son caminos con pendientes, lo que influye en una baja velocidad de la carga (tiempo de carga elevados). El camino de Acceso a Quintero posee un menor volumen de tráfico, pero de todas formas se ha considerado la comprobación del grado PG seleccionado.
8.4.3.2
Requerimientos de las Especificaciones por Desempeño.
A continuación se presentan dos cuadros que resumen los requerimientos, según el desempeño que se quiere controlar, para las especificaciones consideradas. Ambos cuadros incluyen los criterios para un grado de desempeño PG 64-10.
197
Especificación Superpave.
Estado del Ligante
ORIGINAL
Propiedad de Desempeño 1) Trabajabilidad 2) Ahuellamiento
RTFOT 3) Agrietamiento por Fatiga
PAV (Temp PAV 100ºC) 4) Agrietamiento Térmico
Criterio
Temperatura de Ensayo, [ºC]
Viscosidad Brookfield ηB < 3 Pa·s G*/sen(δ) > 1,00 kPa (a 10 rad/s) G*/sen(δ) > 2,20 kPa (a 10 rad/s) G*·sen(δ) < 5.000 kPa (a 10 rad/s) S(60) < 300 MPa(a) m(60) > 0,30 (S en creep; tiempo 60 s) Elongación a la Rotura λ > 1%
135º 64º 31º 0º
(a)
Si 300 MPa < S(60) < 600 MPa se debe verificar el c umplimiento de λ en el ensayo de tracción directa
Tabla 0.25: Resumen Especificación Superpave para un Grado PG 64-10.
Especificación propuesta para Chile.
Estado del Ligante
ORIGINAL RTFOT
Propiedad de Desempeño 1) Trabajabilidad 2) Ahuellamiento 3) Agrietamiento por Fatiga
PAV (Temp PAV 100ºC) 4) Agrietamiento Térmico
Criterio* 0,12 < η < 0,65 Pa·s S(0,015) ≥ 100 kPa S(0,015) ≥ 250 kPa S(0,015) ≤ 100.000 kPa IP < 0,0 S(60) ≤ 300.000 kPa m(60) ≥ 0,30 (S en creep; tiempo 60 s) Elongación a la Rotura** λ > 2%
Temperatura de Ensayo, [ºC]
135º 64º 27º 0º
(*) S: Stiffness en Creep estimado a partir del Nomograma de Van der Poel. (**) Elongación Estimada a partir de Nomograma Figura 7.8
Tabla 0.26: Resumen Especificación propuesta para Chile para un Grado PG 64-10.
198
8.4.3.3
Determinación de los Parámetros y Comparación con Criterios de Especificación.
Determinación de la Viscosidad Cinemática a 135ºC en Pa·s. Para la determinación de la viscosidad cinemática a 135ºC en Pa·s para los asfaltos originales, se utilizaron directamente los valores obtenidos a través del Viscosímetro Brookfield de la Universidad. Para aquellas muestras originales cuyo dato de viscosidad fue suministrado directamente por la empresa proveedora, se utilizó la correlación correlación de la Ecuación 8.2 en forma inversa. Los valores son los siguientes:
Muestra
Visc. 135º Original, [Pa·s]
A B C D E F G H
0,40* 0,40* 0,40* 0,54 0,41 0,47 0,19 0,40
Superpave Criterio Cumple < 3 Pa·s Sí < 3 Pa·s Sí < 3 Pa·s Sí < 3 Pa·s Sí < 3 Pa·s Sí < 3 Pa·s Sí < 3 Pa·s Sí < 3 Pa·s Sí
Esp. Prop. Chile Criterio Cumple Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s Sí 0,12 < η < 0,65 Pa·s
(*) Valores Estimados, Tabla 8.15
Tabla 0.27: Trabajabilidad, Viscosidades 135ºC en Pa•s para los Asfaltos Originales.
-
Se observa en la Tabla anterior que todos los asfaltos estudiados cumplen con el requisito de una viscosidad máxima a 135ºC, para la especificación Superpave y la propuesta para Chile. Esto indica que no se presentan problemas de trabajabilidad en la etapa de mezclado y compactación del ligante con el agregado.
Determinación del Stiffness en Creep. Para la determinación del Stiffness en creep se utilizó el nomograma de Van der Poel implementado en el Software Software BANDS 2.0 de Shell, utilizando la información de penetración y punto de ablandamiento para cada muestra. Además, es necesario especificar la temperatura y el tiempo de carga asociado para cada cálculo, dado por el requerimiento de la especificación. A continuación se muestra una Tabla resumen de los stiffness calculados.
199
S(0,015) t carga = 0,015[s]; Temp = 64ºC Muestra Condición = Original Pen. P.A. S(0,015) [dmm] [ºC] [kPa] A 66 49,0 21,2 Caminos B 66 49,0 21,2 Recuperados* C 66 49,0 21,2 Promedio 21,2 D 67 49,0 21,2 E 54 51,1 27,4 Envejecidos F 60 49,1 21,4 en PAV G 72 49,2 21,9 H 61 50,1 24,3 Promedio 23,2
Especificación Propuesta Chile Criterio
Cumple
≥ 100 kPa ≥ 100 kPa ≥ 100 kPa
No No No
≥ 100 kPa ≥ 100 kPa ≥ 100 kPa ≥ 100 kPa ≥ 100 kPa
No No No No No
(*) Penetración y Punto de Ablandamiento Originales Originales Estimados
Tabla 0.28: Ahuellamiento, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10.
-
Al observar la Tabla anterior se ve claramente que el criterio propuesto para la especificación no se cumple para ningún asfalto analizado en su condición original. Esto llevaría a pensar que los caminos construidos con los asfaltos recuperados (A, B y C), así como un eventual pavimento hecho con las muestras originales estudiadas (D, E, F, G y H) tendría problemas de ahuellamiento para caminos con alto tráfico y cargas lentas. Como se sabe que los caminos recuperados no sufrieron ahuellamiento en la primera etapa de su vida de servicio, se estima que el criterio propuesto S(0,015) ≥ 100 kPa está sobreestimado, ya que funciona bien para un grado PG 52, pero no se cumple para temperaturas mayores. Se propone re-estudiar el criterio, bajando su límite a un valor fijo o hacerlo variable según la temperatura.
200
S(0,015)
Caminos Recuperados
Envejecidos en PAV
t carga = 0,015[s]; Temp = 27ºC Muestra Condición = Envejecido Pen. P.A. S(0,015) [dmm] [ºC] [kPa] 11.700 A 46 58,0 (IP = 0,42) 43.200 B 18 70,9 (IP = 0,73) 22.900 C 29 65,1 (IP = 0,73) Promedio 25.933 20.300 D 30 66,5 (IP = 1,04) 32.200 E 26 61,2 (IP = -0,18) 45.200 F 20 65,1 (IP = 0,01) 40.500 G 23 60,9 (IP = -0,47) 43.500 H 22 61,0 (IP = -0,53) Promedio 36.340
Especificación Propuesta Chile Criterio
Cumple
≤ 100.000 kPa < 0,0 ≤ 100.000 kPa < 0,0 ≤ 100.000 kPa < 0,0
Sí No Sí No Sí No
≤ 100.000 kPa < 0,0 ≤ 100.000 kPa < 0,0 ≤ 100.000 kPa < 0,0 ≤ 100.000 kPa < 0,0 ≤ 100.000 kPa < 0,0
Sí No Sí Sí Sí No Sí Sí Sí Sí
Tabla 0.29: Agrietamiento por Fatiga, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10.
-
Se observa que se cumple la especificación propuesta para los valores del Stiffness a la temperatura promedio del pavimento, para el grado PG escogido. Esto indica, sobretodo para las muestras recuperadas, que los pavimentos funcionan bien a la fatiga a este nivel de envejecimiento, presentando un stiffness relativamente bajo el cual no permite que los esfuerzos dentro de la carpeta sean demasiado altos como para superar el límite de resistencia.
-
Al analizar el stiffness estimado para los caminos recuperados se sigue cumpliendo la tendencia de que el camino menos envejecido es el de la muestra A, luego C y finalmente B, siendo el más endurecido. Al comparar los valores con las muestras envejecidas en el PAV, se observa que en promedio tienen un Stiffness del mismo orden, sugiriendo una buena correlación entre el envejecimiento de terreno y el artificial.
-
Los valores del IP fueron analizados anteriormente; con respecto a la especificación para el IP, se estima que el límite propuesto de IP < 0,0 para el ligante envejecido a Largo Plazo es demasiado exigente, ya que se debe dar cabida al aumento de este parámetro debido al endurecimiento (estimado en 0,75 en promedio para el 201
procedimiento de PAV). No obstante, se propone limitar el IP al rango (-1,0) para el asfalto original, restringiendo el límite permitido por la especificación nacional actual, considerado muy amplio (entre –1 y +1). S(60) t carga = 60[s]; Temp = 0ºC Muestra Condición = Envejecido Pen. P.A. S(60) [dmm] [ºC] [MPa] A 46 58,0 6,9 Caminos B 18 70,9 37,3 Recuperados C 29 65,1 16,1 Promedio 20,1 D 30 66,5 14,0 E 26 61,2 25,5 Envejecidos F 20 65,1 38,3 en PAV G 23 60,9 34,3 H 22 61,0 37,8 Promedio 30,0
Superpave
Especificación Propuesta Chile
Criterio
Cumple
Criterio
Cumple
< 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa
Sí Sí Sí
< 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa
Sí Sí Sí
< 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa
Sí Sí Sí Sí Sí
< 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa < 300 MPa
Sí Sí Sí Sí Sí
Tabla 0.30: Agrietamiento Térmico, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10.
-
El stiffness para el asfalto envejecido, ya sea natural o artificialmente, tiene un promedio de 25 MPa para una temperatura de 0ºC y un tiempo de carga de 60 segundos; según estudios realizados por los investigadores de SHRP, este valor es equivalente al módulo calculado a una temperatura de -10ºC, pero a un tiempo de carga mayor de alrededor de 2 horas, utilizándose el principio de superposición tiempo temperatura para generar un tiempo de ensayo adecuado. Los valores obtenidos cumplen con la especificación de Superpave y la propuesta para Chile, e indican que ninguna de las muestras presenta problemas con respecto al agrietamiento térmico, lo cual es coherente con la práctica de la región, donde las grietas térmicas características transversales en los caminos no se encuentran.
-
Una vez más se observa la tendencia del orden en la rigidización de los caminos recuperados, indicando una coherencia en cuanto al envejecimiento con todos los valores anteriormente estudiados; además, se observa una buena relación con los valores del stiffness de las muestras envejecidas en el PAV.
202
Determinación del Valor-m. Para la determinación de la pendiente de la curva log – Stiffness v/s log – tiempo de carga se reprodujo la curva de stiffness a través del nomograma de Van der Poel para 6 tiempos de carga distintos (8, 15, 30, 60, 120 y 240 [s], al igual que en Superpave); esto se realizó para el valor de baja temperatura incrementada en 10ºC, a fin de compensar el cambio a un tiempo de carga de 60[s] considerado. Luego se ajustó una curva parabólica, con la cual se pudo calcular el valor-m para el tiempo de carga deseado (Ver Figura 8.15). Los valores se presentan a continuación. Superpave Muestra t carga Temp S(60) Valor-m(60) [s] [ºC] [MPa] Criterio Cumple A 60 0 6,9 0,604 > 0,300 Sí Caminos B 60 0 37,3 0,415 > 0,300 Sí Recuperados C 60 0 16,1 0,501 > 0,300 Sí Promedio 0,507 D 60 0 14,0 0,493 > 0,300 Sí E 60 0 25,5 0,547 > 0,300 Sí Envejecidos F 60 0 38,3 0,472 > 0,300 Sí en PAV G 60 0 34,3 0,537 > 0,300 Sí H 60 0 37,8 0,534 > 0,300 Sí Promedio 0,517
Esp. Prop. Chile Criterio Cumple > 0,300 Sí > 0,300 Sí > 0,300 Sí > 0,300 > 0,300 > 0,300 > 0,300 > 0,300
Sí Sí Sí Sí Sí
Tabla 0.31: Agrietamiento Térmico, Valor-m para Muestras Estudiadas, PG 64-10.
-
Resalta la alta correlación entre los valores estimados de m(60) para los caminos recuperados y las muestras envejecidas en el PAV validando, a través de este parámetro, el procedimiento de envejecimiento acelerado desarrollado en esta memoria en la RPC.
-
Se cumplen ambas especificaciones para el Valor-m(60), siendo de un promedio cercano al 0,50; con esto se asegura una alta tasa de relajación de esfuerzos en el ligante, con lo cual aumenta la capacidad de aliviar el esfuerzo térmico por flujo del asfalto cuando se producen los cambios en la temperatura. Con esto se ratifica el buen funcionamiento a bajas temperaturas de los asfaltos analizados, para el grado PG 64-10 estimado para la zona en estudio.
203
Muestra A, Vía L as Palma s, T=0ºC
Muestra B, Camino La Pólvora, T=0ºC
1.4
2.5
1.2 ) s s e n f f i t s ( g o L
2 ) s s e n f f i t s ( g o L
1
1.5
0.8 y = -0.0586x 2 - 0.3955x + 1.7266
0.6
2
R = 1
y = -0.0361x 2 - 0.2867x + 2.1955
1
R2 = 0.9998
0.4 0.5
0.2 0
0 0
0.5
1 1.5 Log(t carga)
2
2.5
0
Muestra C, Acceso a Qui ntero, T=0ºC
1 1.5 Log(t carga)
2
2.5
2
2.5
2
2.5
Muestra D, Pitch Concón , T=0ºC
1.8
1.8
1.6
1.6
1.4
) s s e n f f i t s ( g o L
0.5
1.4
) s s e n f f i t s ( g o L
1.2
1.2
1
y = -0.0533x 2 - 0.3117x + 1.9317 2
0.8
1
2
y = -0.0672x - 0.2543x + 1.8132
0.8
R = 0.9999
0.6
2
R = 0.9998
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0 0
0.5
1 1.5 Log(t carga)
2
2.5
0
Muestra E, Pitch Concón, T=0ºC
0.5
1 1.5 Log(t carga)
Muestra F, Pitch Concón, T=0ºC
2
2.5
1.8 1.6
) s s e n f f i t s ( g o L
1.4
) s s e n f f i t s ( g o L
1.2
2
1.5
y = -0.0632x 2 - 0.3223x + 2.1736
1
R2 = 0.9997
0.8
y = -0.0435x 2 - 0.317x + 2.2846 1
R2 = 0.9999
0.6 0.4
0.5
0.2 0
0 0
0.5
1 1.5 Log(t carga)
2
2.5
0
0.5
1 1.5 Log(t carga)
Figura 0.14: Curvas Log-Stiffness v/s Log-Tiempo de Carga, determinación de Valor-m.
204
Muestra G, Pitch Marl ín QLA, T=0ºC
Muestra H, Pitch BCF QLA, T=0ºC
2.5
2.5
2 ) s s e n f f i t s ( g o L
2 ) s s e n f f i t s ( g o L
1.5
1.5
y = -0.0443x 2 - 0.3812x + 2.3476 1
2
R = 0.9996
0.5
y = -0.0405x 2 - 0.3901x + 2.3935 R2 = 0.9995
1
0.5
0
0 0
0.5
1 1.5 Log(t carga)
2
2.5
0
0.5
1 1.5 Log(t carga)
2
2.5
Figura 8.14: Curvas Log-Stiffness v/s Log-Tiempo de Carga, determinación de Valor-m. (Cont.)
Determinación de la Elongación a la Rotura ( λ). Para la determinación de la Elongación a la Rotura se utilizó el nomograma de Heukelom et al. mostrado en la Figura 7.8. Para ello se ingresa con los valores del IP, el tiempo de carga (60 segundos) y la diferencia entre la temperatura del Punto de Ablandamiento y la temperatura del ensayo (0ºC). Los valores obtenidos se tomaron de la curva más próxima de elongación, aproximando hacia abajo (valor conservador). Las Elongaciones se muestran a continuación.
Muestra A B C Promedio D E Envejecidos F en PAV G H Promedio
Caminos Recuperados
t carga Temp. P.A. Dif [s] [ºC] [ºC] Temp [ºC] 60 0 58,0 58,0 60 0 70,9 70,9 60 0 65,1 65,1 60 60 60 60 60
0 0 0 0 0
66,5 61,2 65,1 60,9 61,0
I.P. 0,42 0,73 0,73
66,5 1,04 61,2 -0,18 65,1 0,01 60,9 -0,47 61,0 -0,53
Esp. Prop. Chile Crit. Cumple Crit. Cumple 50% > 1% Sí > 2% Sí 10% > 1% Sí > 2% Sí 20% > 1% Sí > 2% Sí 27% 20% > 1% Sí > 2% Sí 20% > 1% Sí > 2% Sí 20% > 1% Sí > 2% Sí 20% > 1% Sí > 2% Sí 20% > 1% Sí > 2% Sí 20%
Elong. ( ) [%]
Superpave
Tabla 0.32: Agrietamiento Térmico, Elongación a la Rotura, PG 64-10.
205
-
Como era de esperarse, la elongación a la rotura ( λ) estimada a partir del nomograma de la Figura 0.8 cumple sobradamente la especificación para cada una de las muestras. Esto debido a que todos los Stiffness calculados para la baja temperatura están por debajo del límite especificado, con lo cual no es necesario verificar el agrietamiento térmico a través del ensayo de Tracción Directa. Esto ratifica nuevamente el buen comportamiento de los asfaltos a las bajas temperaturas proyectadas para un pavimento de la región, mostrando aún un comportamiento relativamente dúctil.
-
Para los caminos recuperados, se observa claramente que la muestra B es la menos dúctil, luego la muestra C y finalmente la A presenta la mayor ductilidad; esto es coherente con el nivel de envejecimiento observado en cada uno de los parámetros antes analizados y, según lo analizado en la revisión bibliográfica, se relaciona directamente con la performance, esperándose agrietamiento con orden de aparición igual al presentado. No obstante, el agrietamiento térmico está lejos de producirse, tal como se vio en el punto anterior.
-
En promedio, se observa una buena relación de los valores de la elongación a la rotura entre los caminos recuperados y las muestras envejecidas en el PAV en laboratorio, validando dicho procedimiento con respecto a este parámetro.
206
CAPÍTULO 9: CONCLUSIONES.
1. Con el trabajo presentado por esta Memoria se pudo observar primeramente la gran importancia que tiene el proceso de envejecimiento en el comportamiento del ligante desde el mezclado, transporte, colocación y durante la vida de servicio. Este es un proceso físico – químico, que es altamente dependiente de la composición del ligante original y que abarca muchos factores que inciden de diversas formas en él, pero que se traduce finalmente en un endurecimiento y rigidización del asfalto. Comprende 2 grandes etapas: el Corto Plazo, donde la principal causa de la rigidización es la pérdida de volátiles siendo una reacción desarrollada a altas temperaturas (mezclado y colocación); y el Largo Plazo, donde el endurecimiento es producto principalmente de la oxidación del ligante y el reacomodo molecular debido a la polaridad (tixotropía), desarrollándose a las temperaturas relativamente más bajas del terreno. Ambos procesos son, en naturaleza, completamente distintos. La labor del ingeniero vial es minimizar el envejecimiento de Corto Plazo, y utilizar el envejecimiento de Largo Plazo como un beneficio en el diseño. 2. El objetivo principal de esta Memoria era estudiar el envejecimiento de Largo Plazo sufrido por ligantes en el terreno y el generado por la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV), realizando una comparación entre ambos para una validación del método en nuestro país. Para lo anterior se realizó una extensa revisión bibliográfica relativa al proceso de envejecimiento, por lo cual este estudio pretende ser una guía que eduque al lector acerca del tema. Para validar el procedimiento experimental se definieron los tres enfoques de análisis con los cuales, dentro de las limitantes y supuestos del estudio, se pudo concluir lo siguiente: -
Se observó una buena relación entre los Índices de Envejecimiento (basados en la viscosidad a 60ºC) arrojados por el procedimiento de PAV desarrollado en la RPC para las muestras D, E, F, G y H, y los calculados para los 8 asfaltos de Superpave luego del protocolo adoptado como base para todo el desarrollo del Standard de la Cámara de Envejecimiento a Presión. Esto valida, de acuerdo a los índices calculados, el procedimiento desarrollado con respecto a la base de Superpave (Enfoque 1).
-
En general, al comparar los valores de los parámetros derivados de los ensayos de caracterización realizados y, más importante aún, al comparar sus variaciones durante el envejecimiento entre el proceso natural en terreno (Muestras A, B y C) y el artificial
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(Muestras D, E, F, G y H), se observan similares efectos en promedio para todas las medidas puntuales tomadas y los índices de susceptibilidad térmica calculados. Esto valida, de acuerdo a estos parámetros, el procedimiento de PAV desarrollado con respecto al envejecimiento visto en el terreno (Enfoque 2). Sin embargo, se debe recordar que las propiedades originales para los caminos recuperados fueron estimadas conforme a la escasa información disponible y a la experiencia de laboratoristas del ramo, lo cual deja un grado de incerteza al respecto. 3. El análisis de cada uno de los parámetros obtenidos para los caminos recuperados mostró que el pavimento más envejecido es la muestra B (Camino La Pólvora, 6 años), siguiendo la muestra C (Camino de Acceso a Quintero, 6 años) y finalmente la muestra A (Vía Las Palmas, 8 años); al respecto, se observó coherencia en los valores de penetración, ductilidad, punto de ablandamiento, punto de fraass y viscosidades, por lo que debería aparecer agrietamiento en ese orden para los caminos. Según la edad de los pavimentos era de esperarse que la muestra A fuese la más envejecida, ya que se supone los tres caminos sometidos a un mismo clima; al no ocurrir lo anterior, se hace hincapié en la necesidad de realizar posteriores análisis en los que se involucren variables iniciales no estudiadas. Dentro de éstas, se ubican variables de la mezcla, tales como contenido inicial de vacíos, porcentaje inicial de ligante y granulometría; variables como los niveles de tráfico y eventuales diferencias en variables climáticas, dentro de las cuales la más importante es la temperatura. De todas formas se resalta la poca información disponible acerca de los valores iniciales en los parámetros de especificación de los asfaltos colocados en terreno con más de 5 años de edad en servicio. 4. Con el trabajo planteado en esta Memoria, se logró cumplir con el objetivo de calibrar la Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV) presente en la RPC y desarrollar el procedimiento de envejecimiento según el Standard Superpave (Designación AASHTO: PP1-98) adaptado últimamente en el Método 8.302.23-MCV8. Se observó una gran estabilidad en los valores de la presión (2,1 ± 0,1 MPa) y temperatura (100 ± 0,5 ºC) durante todo el proceso de envejecimiento. 5. Con este trabajo se logró llevar a cabo una metodología coherente para la recuperación de un ligante desde el camino: i) elección de caminos adecuados al estudio a realizar (edad, condiciones iniciales), ii) coordinación de faena de extracción de testigos, con material suficiente para realizar los ensayos de caracterización, y iii) recuperación del ligante desde la mezcla. Este último punto comprendió la modificación del procedimiento del Rotavapor 208
implementado en el Laboratorio de Asfaltos de la Universidad, adaptándolo al Método 8.302.58-MCV8, optimizando el uso del hielo seco al restringirlo sólo a la última etapa de la destilación. 6. Una conclusión importante, observada en las muestras envejecidas (al igual que en la revisión bibliográfica), es la alta especificidad del proceso de envejecimiento con respecto al ligante original. Distintos asfaltos cambian sus propiedades de manera también distinta durante el proceso de envejecimiento. Esto respalda la idea de la alta complejidad del material asfalto, debido a que su origen es material orgánico, por lo que un acercamiento químico de especificación resulta, al menos, complicado. 7. Con respecto a los valores de los Índices de Penetración para las muestras envejecidas en el PAV, se observa que este parámetro aumentó en 0,72 en promedio, con lo cual se respalda el aumento de 0,75 propuesto por otros investigadores debido al PAV. 8. Algunos autores han sugerido un aumento de 20ºC del Punto de Ablandamiento para procedimientos de envejecimiento acelerado artificial en laboratorio, tal como lo hace el procedimiento de PAV. Sin embargo, el aumento promedio detectado sobre las muestras estudiadas en esta Memoria es de 13,2ºC debido al PAV, y 15,7ºC debido al envejecimiento natural. Esto sugiere realizar un estudio más extenso en cuanto al número de muestras a envejecer en el PAV, a fin de minimizar errores aleatorios que pudiesen haberse presentado en el envejecimiento en RPC; de todas formas se recomienda un aumento en el valor del PA no menor a 15ºC, considerándose un aumento de 20ºC como un valor conservador por el lado de la seguridad. 9. Para los tres caminos recuperados se observa un aumento real en el punto de fragilidad de Fraass, lo cual era totalmente esperable dada la rigidización del asfalto durante el envejecimiento, primeramente perdiendo componentes volátiles y luego debido a la oxidación del material. Esto concuerda con las conclusiones arrojadas por SHRP al considerar que uno de los efectos del proceso de envejecimiento es el aumento en la temperatura de definición a partir de la cual (hacia menores temperaturas) comienza el comportamiento elástico del material, relacionada con el Punto de Fraass, donde se alcanza el máximo valor del módulo elástico. Al comparar los valores del Fraass obtenidos para los caminos recuperados, se observan todos mayores que los estimados a partir del IP y la Penetración (Figura 8.14); esto era completamente esperable, ya que la fragilidad se puede presentar a temperaturas mucho mayores a las esperadas, sólo debido a que el asfalto se encuentra envejecido. 209
10. En general, los asfaltos cumplen con las especificaciones Superpave y los criterios de la especificación propuesta para Chile, ambas basadas en un grado de desempeño PG 64-10 (estimado en base a estadísticas de temperaturas extremas para la región y la metodología Superpave para transformarlas a los valores del pavimento, con una confiabilidad del 98%). Esta comprobación se realizó sólo para los parámetros que se pudieron estimar, según los principios de la Reología Práctica, dentro de los cuales se destaca el control del agrietamiento térmico; se cumplen los parámetros de: -
Promedio de S(60) (Stiffness a 60 segundos de tiempo de carga para una temperatura de -10ºC) cercano a 25 MPa, menor que los 300 MPa de la especificación. Esto confirma el buen funcionamiento en bajas temperaturas de los ligantes en la región, ya que al tener un stiffness bajo, el esfuerzo desarrollado en el pavimento debido al acortamiento térmico también es bajo; esto permite que no se supere el nivel de resistencia del asfalto, impidiendo la aparición de grietas térmicas.
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Valor-m(60) (pendiente de la curva log-stiffness v/s log-tiempo de carga para 60 segundos) cercano a 0,50 en promedio; este valor es mayor a los 0,30 mínimos exigidos por la especificación. De esta forma, la tasa de relajación del esfuerzo es alta, con lo cual se asegura una alta capacidad de aliviar esfuerzos por flujo dentro del ligante. Así, una vez más se confirma un buen desempeño en bajas temperaturas, para el grado PG escogido.
11. Debido a que esta Memoria es el primer trabajo de este tipo en el país, se recomienda realizar un estudio con mayor disponibilidad de recursos y que incluya un mayor número de muestras a fin de poder hacer un trabajo estadístico con los resultados. Además, se recomienda utilizar un análisis LVE para observar los efectos del envejecimiento y compararlos con los producidos en los estudios de las últimas etapas del desarrollo del PAV en el proyecto Superpave.
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