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SUPERPAVE Índice. 1. Introducción…………………………………………………………….……….…..3 SHRP……...………………………………………..……. ………………………………………..……. 4 2. Antecedentes: Programa SHRP……... 3. Superpave………………………………………………………….……….……….. Superpave ………………………………………………………….……….………..4 4 4. Factor temperatura………………………………………………………….………..5 temperatura ………………………………………………………….………..5 5. Diseño de mezclas Superpave …………………………………………….…………8 5.2 Primer nivel…………………………………………………………………10 nivel …………………………………………………………………10 5.2 Segundo nivel………………………………………………………………16 nivel ………………………………………………………………16 5.3 Tercer nivel…………………………………………………………………16 nivel …………………………………………………………………16 6. Otros métodos de diseño: Método Marshall …...…………………..………………17 7. Conclusiones……………………………………………………………………….19 Conclusiones ……………………………………………………………………….19 8. Referencias…………………………………………………………………………21 Referencias …………………………………………………………………………21
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1. Introducción. Los pavimentos flexibles representan más del 90% de todas las carreteras pavimentadas en los Estados Unidos y alrededor del 36.3% en México. Los gastos anuales para los pavimentos de asfalto superar los mil millones de dólares. Si los pavimentos pudiesen ser diseñados para durar más tiempo, se puede llegar a cosechar beneficios sustanciales. En relación al diseño de mezclas asfálticas se ha recurrido a diferentes métodos para establecer un diseño óptimo en el laboratorio que sea lo más similar posible a las mezclas de campo. Comúnmente los procedimientos más utilizados son el método Marshall en México y Superpave en Estados Unidos. En 1995, 2515 proyectos fueron diseñados con el método Superpave en Estados Unidos. En el año 2000 esta cifra se incrementó a 3900 proyectos, que representaba alrededor del 62% del total de mezcla asfáltica contratada por el Estado. A lo largo de los años Superpave se ha convertido en el método de diseño de mezclas asfálticas más utilizado en los diversos estados de la Unión Americana. Superpave es un sistema de componentes que trabajan juntos para proveer un “SUperior PERforming asphalt PAVEment” (rendimiento superior de los pavimentos asfálticos). El sistema Superpave proporciona un medio completo y amplio para diseñar mezclas con base en los requerimientos específicos de comportamiento definidos por el tránsito, el clima y las condiciones de carga del pavimento en un cierto lugar. Con este método se facilita, la selección y combinación de asfalto agregado y, de ser necesario, de un aditivo, para alcanzar el nivel requerido de comportamiento en el pavimento. El presente trabajo da a conocer de una manera clara y precisa todo lo relacionado con el método de diseño Superpave, ya que es un procedimiento que se espera se vaya implementando en México gradualmente. Además muestra las comparaciones que se tienen con el método Marshall y los beneficios sobre este.
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2. Antecedentes: Programa SHRP. El SHRP (Strategic Highway Research Program) es un programa de investigación sobre carreteras que en sus aspectos básicos se desarrolló en Estados Unidos entre 1988 y 1993. Sin embargo, en este último año comenzó la segunda fase de seguimiento (programa LTTP, Long-Term Pavement Performance). Uno de los objetivos fundamentales de este subprograma era el desarrollo de nuevos ensayos y especificaciones para asfaltos. En las especificaciones SHRP, los asfaltos se clasifican según las temperaturas a las que se alcanzan unas determinadas características mecánicas referidas a las mezclas asfálticas: resistencia a las deformaciones plásticas a alta temperatura, fatiga a temperatura media y fatiga a temperatura reducida, a las que se añaden características relativas al envejecimiento, a la trabajabilidad (viscosidad) y a la seguridad. Dentro del programa SHRP, se ha desarrollado la metodología denominada Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements) con la que, se pretende que el proceso de dosificación integre la caracterización del comportamiento de la mezcla frente a la fatiga, las deformaciones plásticas y al agrietamiento causado por las bajas temperaturas.
3. Superpave. Superpave es un sistema o método de diseño de mezclas asfálticas que fue desarrollado para proporcionar a los ingenieros de carreteras y a los contratistas las herramientas que necesitan para diseñar pavimentos que arrojen mejores resultados en condiciones extremas de temperatura y condiciones carga de tráfico pesado. Superpave involucra procedimientos para la selección cuidadosa de materiales (cemento asfáltico y agregado mineral) así como la proporción volumétrica de los mismos, como primer paso en la producción de una mezcla que se comportará adecuadamente. Los procedimientos de análisis intermedio y completo, permiten desarrollar diseños de mezclas asfálticas así como analizar y establecer predicciones del desempeño del pavimento. Esto se
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elabora mediante el uso de ensayos sofisticados en el diseño de la mezcla y los análisis resultantes son los que sirven para pronosticar el comportamiento de la estructura del pavimento ante el clima y el tráfico. Este método evalúa los componentes de la mezcla asfáltica en forma individual (agregado mineral y asfaltos) y su interacción cuando están mezclados, debido a que el desempeño de la mezcla es afectado tanto por las propiedades individuales de los componentes, como su reacción combinada. Superpave es un software de computadoras que asiste a los ingenieros en la selección de materiales y en el diseño de mezclas asfálticas mencionadas anteriormente. Resumiendo, es un sistema mejorado para la especificación de los materiales constituyentes de la mezcla, su análisis y diseño, y la predicción de la manera de comportarse del pavimento. El sistema incluye:
Especificaciones para ligantes asfálticos.
Sistema para el análisis y diseño de mezclas asfálticas en caliente.
Sistema computarizado (software) de soporte.
Equipos y procedimientos de ensayo.
Criterios de diseño.
El sistema Superpave principalmente se dirige a dos necesidades del pavimento: la deformación permanente, que resulta de la resistencia al corte inadecuado en la mezcla asfáltica, y la baja temperatura, que ocasiona grietas, generadas cuando se contrae el pavimento y la resistencia a la tensión supera la resistencia a la tracción.
4. Factor temperatura. Las nuevas especificaciones para asfaltos y asfaltos modificados desarrolladas por el SHRP, permiten establecer un sistema de clasificación y selección del ligante en función de las condiciones climáticas del lugar.
Dichas condiciones expresadas en rangos de
temperaturas de diseño del pavimento permiten calcular las propiedades de flujo y
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deformación de los ligantes para unas condiciones de carga y temperatura adecuadas al proyecto en cuestión. Las especificaciones tradicionales basadas en ensayos de base empírica (penetración, ductilidad, punto de ablandamiento, viscosidad capilar, etc.) se basan en ensayos realizados a una sola y determinada temperatura cuyo resultado es comparado con un rango determinado por una especificación. En las especificaciones SHRP para ligantes el valor del parámetro es siempre constante pero medido a distintas temperaturas. Con ello se logra que se establezca un valor crítico constante de la propiedad a analizar variando la temperatura del ensayo para la cual el valor es alcanzado. Se especifican así diferentes ligantes para diferentes climas a fin de alcanzar un comportamiento adecuado en todos los climas. Los ensayos que se realizan en cumplimiento con las nuevas especificaciones SHRP contenidas en el Superpave se basan en medir propiedades fundamentales de los asfaltos. Los módulos complejo (energía disipada como calor durante la deformación y recuperación de los materiales) y Stiffness (módulo de visco-elasticidad) del asfalto son medidos (no estimados) a las temperaturas de ensayo. Asimismo la deformación a baja temperatura y la viscosidad rotacional a alta temperatura son parte del conjunto de ensayos utilizados. Con la información de viscosidad rotacional, módulo complejo, módulo Stiffness y deformación a la rotura medidas a temperaturas críticas de servicio se tiene un espectro de características del ligante que permiten confiar en ensayos realizados bajo condiciones que simulan tres etapas criticas por las que pasa el asfalto en servicio, deformaciones permanentes, fatiga y fisura térmica. Las temperaturas de diseño del sistema de clasificación de asfaltos Superpave han sido elegidas en función de los tres mecanismos de falla más importantes ya mencionados. Así se comprobó que las temperaturas más críticas en el rango de altas temperaturas son aquellas máximas temperaturas que se producen en el año durante 7 días corridos. En el caso de las bajas temperaturas se considera como critica la menor temperatura alcanzada
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durante el año. En relación con los fenómenos de fatiga se calculan los parámetros a temperaturas intermedias. Las temperaturas mencionadas son las del aire y se computan para un promedio no menor de 20 años de datos acumulados en las estaciones meteorológicas. Mediante un algoritmo se traducen en temperaturas del pavimento a 20 mm de la superficie, con lo cual se esta en condiciones de determinar las propiedades de los asfaltos a dichas temperaturas y para el transito estimado. Los grados asfálticos contenidos en la especificación Superpave indican las temperaturas superiores e inferiores que los mismos resisten adecuadamente afín de maximizar la resistencia a deformaciones permanentes, fisuras por fatiga y fisuramiento térmico. Ellos pueden sintetizarse en el siguiente cuadro:
Grado asfáltico PG 46 PG 52 PG 58 PG 64 PG 70 PG 72 PG 82
Bajas temperaturas -37,-40,-46 -10,-16,-22,-28,-34,-40,-46 -16,-22,-28,-34,-40 -10,-16,-22,-28,-34,-40 -10,-16,-22,-28,-34,-40 -10,-16,-22,-28,-34 -10,-16,-22,-28,-34
Como puede verse, para cada temperatura alta existen varias temperaturas bajas que conforman a un grado asfáltico determinado. Así por ejemplo un PG 46 puede ser PG 4634 ó PG 46-40 ó PG 46-46 que significa que resiste hasta los 7 días corridos de 46ºC de temperatura promedio del periodo considerado (mayor que 20 años) y hasta una temperatura mínima de – 34ºC, ó – 40ºC, ó
-46ºC.
Retornando al cuadro de grados asfalticos puede también observarse que los intervalos de temperaturas en el rango de las altas van en incrementos de 6ºC. Ello responde a un cuidadoso estudio realizado por el SHRP en función de las distintas regiones climáticas de los EE.UU. y el Canadá. Se quiso obtener tantos grados como regiones pero al mismo tiempo no incrementar tanto los grados tal que pudiera resultar su fabricación económicamente no conveniente.
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Finalmente, la selección del grado de ligante asfáltico en el sistema de clasificación Superpave se realiza de tres maneras: por área geográfica a través del uso de mapas de temperaturas especialmente diseñados, por temperaturas del aire que luego se convierten en temperaturas del pavimento o bien por temperaturas del pavimento de diseño determinadas por el proyectista.
Existe una corrección por tipo de tránsito contemplada dentro del
sistema Superpave con lo cual el asfalto es seleccionado según el clima y el tránsito de la región.
5. Diseño de mezclas Superpave. El sistema Superpave presenta 3 diferentes niveles de diseño de mezcla, en todos los cuales se incluye el diseño volumétrico, los niveles son:
En el nivel 1. Aplicar especificaciones granulométricas y controles de tipo volumétrico.
En el nivel 2. Se realizan pruebas basadas en el comportamiento mecánico de las mezclas, para permitir la optimización del diseño de la mezcla para que resista a la deformación permanente y al agrietamiento por fatiga y/o bajas temperaturas. Las pruebas que se ejecutan en este nivel, se enfocan principalmente en proveer una estimación de la cantidad de deformación permanente y agrietamiento que puede ocurrir durante la vida del pavimento.
En el nivel 3, se emplean pruebas adicionales que permiten una estimación mas precisa de la deformación permanente, el agrietamiento por fatiga y baja temperatura.
Para seleccionar el nivel a emplearse en el diseño de mezcla, el tráfico de diseño es el factor que determina el procedimiento de evaluación de las características mecánicas a seguir para el estudio de la mezcla. Así, en términos de ESAL los criterios para definir el nivel de diseño son:
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Nivel 1, para los tráfico ligero (menor o igual a 1 X 10 ESAL).
Nivel 2, para tráficos medios (entre 1 X 10 y 1 X 10 ESAL).
Nivel 3, para tráficos pesados (mayor o igual a 1 X 10 ESAL).
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Siendo ESAL = número de ejes equivalentes. Cada uno de los niveles superiores implica la realización de la evaluación correspondiente a los niveles inferiores. De esta forma en todos los niveles existe una parte común que comprende:
Selección del tipo de asfalto según las especificaciones.
Comprobación de la calidad de los áridos elegidos.
Definición de la granulometría.
Análisis de la sensibilidad del agua.
Esta actividad esta basada en la estimación del contenido de vacíos en la mezcla, vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos de asfalto (VFA), relación polvo/asfalto y su contenido efectivo de asfalto. En el caso del Nivel 2 utiliza como punto de partida los análisis volumétricos del primer nivel, por lo cual este juega un papel clave en el sistema de análisis y diseño Superpave y se completa esta primera información con ensayos relativos a:
Formación de huellas por deformación plástica.
Fisuras por fatiga.
Fisuras de origen térmico.
Estos son los ensayos de corte (Superpave Shear Test, SST) y los ensayos de Tensión indirecta (Indirect Tensile Test, IDT). Una cantidad de ensayos utilizando equipos SST e IDT, son realizados para lograr una serie de predicciones del comportamiento de la mezcla. En el nivel 3 se amplían los análisis del Nivel 2 realizándolos a varias temperaturas y también mediante otros ensayos complementarios. El análisis completo de una mezcla
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utiliza especímenes confinados SST, y ofrece un mayor y más confiable nivel de predicción del comportamiento de la misma.
5.1 Primer nivel. Una parte del primer nivel de SUPERPAVE es la nueva especificación para los asfaltos que esta unido a un nuevo set de ensayos para su comparación. Las especificaciones para los asfaltos están establecidas en AASHTO MP1 "Standard Specification for Performance Graded Asphalt Binder”. Como se mencionó anteriormente, el grado de comportamiento de un asfalto PG (Performance Graded), esta compuesto por dos números, por ejemplo PG 64 -22. El primer número indica la máxima temperatura a la cual el ligante asfáltico mantiene sus propiedades durante su servicio en un pavimento. Igualmente, el segundo número indica la mínima temperatura a la cual el ligante asfáltico posee adecuadas propiedades físicas durante su servicio. Consideraciones adicionales son proporcionadas para el tiempo de carga y magnitudes de carga. Un aspecto clave para la evaluación de los asfaltos en el sistema Superpave, es que las propiedades físicas son medidas sobre asfaltos que han sido envejecidos en el laboratorio, para simular su condición de envejecimiento real, como sucede en un pavimento. Para simular el endurecimiento por oxidación que ocurre durante el mezclado y la colocación de la mezcla, las propiedades físicas de los asfaltos son medidas sobre asfaltos que han sido envejecidos haciendo uso del horno de película delgada rodante. Este ensayo está establecido en AASHTO T240 "Effect of Head and Air on a Moving Film of Asphalt (Rolling Thin Film Oven Test)". Un vaso de envejecimiento a presión, (pressure aging vessel, PAV), es usado para envejecer el asfalto en laboratorio y simular el envejecimiento severo que ocurre después que el asfalto ha estado en servicio por muchos años en el pavimento. Este ensayo está referido tentativamente en la especificación AASHTO PP1 "Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using a Pressurized Aging Vessel (PAV) ”.
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Las propiedades físicas de los asfaltos son medidas en el sistema Superpave, usando cuatro equipos de ensayos:
Dynamic Shear Rheometer.
Rotational Viscometer.
Bending Beam Rheometer.
Direct tensión tester.
La siguiente tabla, lista los equipos de ensayo y una breve descripción de como cada ensayo es utilizado en la especificación del Superpave. El tema central de las especificaciones Superpave, es la de simular por medio de ensayos de laboratorio los tres estados críticos del asfalto, durante la vida útil de los mismos:
Primer estado. Representa al asfalto original, el cual se da durante el transporte, almacenaje y manejo del mismo.
El segundo estado. Representa al asfalto durante la producción y colocación de la mezcla asfáltica. Este estado es simulado por el envejecimiento del asfalto en el horno de película delgada rodante (RTFO).
El tercer estado. Ocurre cuando el asfalto ha permanecido por un largo período de tiempo como parte de un pavimento asfáltico. Este estado es simulado en el vaso de envejecimiento a presión (PAV).
Equipo
Propósito
Horno rotatorio de película delgada (RTFO) Vasija de envejecimiento a presión (PAV) Reómetro de corte dinámico (DSR) (AASHTOTP5) Viscosímetro Rotacional (RV) (AASHTO TP48) Reómetro de viga en flexión (BBR) (AASHTOP1) Ensaye de tensión directa (DTT) (AASHTO TP3)
Simula características de del asfalto (endurecimiento).
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Mide las propiedades del asfalto a temperaturas altas e intermedias. Mide las propiedades del asfalto a altas temperaturas. Mide las propiedades del asfalto a bajas temperaturas.
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Agregados minerales. SHRP no ha desarrollado nuevos procedimientos de ensayo, sino que ha refinado procedimientos existentes, con el fin de ajustarlos dentro del sistema SUPERPAVE. Dos tipos de propiedades son especificadas en el sistema SUPERPAVE: Propiedades consensadas y Propiedades de origen.
Propiedades consensadas. Son definidas como aquellas propiedades consideradas críticas, para alcanzar un alto comportamiento de la mezcla. Estas propiedades son:
Angularidad del agregado grueso.
Angularidad del Agregado fino.
Partículas planas y alargadas.
Contenido de Arcilla.
Las propiedades consensadas deben reunir diferentes niveles de calidad, que dependen del nivel de tráfico (ESAL) y de la posición de la mezcla dentro del pavimento. Con la angularidad del agregado se busca alcanzar mezclas con alto grado de fricción interna y por ende, alto grado de esfuerzo cortante para mejorar la resistencia a la deformación permanente de la mezcla. Los métodos de ensayo recomendado por Superpave son:
El Método No 621 del Departamento de Transporte del Estado de Pennsylvania "Determining the Percentage of Crushed Fragments in Gravel".
AASHTO TP 33, Test Method for Uncompacted Vois Content of Fine Aggregate (as Influenced by Particle Shape, Surface Texture, and Grading) (Method A).
Con la limitación del porcentaje de piezas elongadas se asegura la no susceptibilidad del agregado a triturarse, durante el manejo de la mezcla y su posterior construcción y funcionamiento. Este método de ensayo está establecido en ASTM D4791 "Flat and Elongeted Particles in Coarse Aggregate". Con la limitación de la cantidad de arcilla en los agregados, la adherencia de los agregados con el asfalto es mejorada. El método esta
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establecido en AASHTO T176, "Plastic Fine in Graded Aggregate and Soil by Use of the Sand Equivalent Test”.
Propiedades de fuente. Son aquellas propiedades que las agencias usan regularmente para calificar la calidad de las fuentes de agregados. SHRP no especifica valores críticos, pero recomienda que los organismos locales los especifiquen para un proyecto especifico. Estas propiedades son:
Dureza (AASHTO T 96 ó ASTM 131, 535).
Sanidad (AASHTO T 104 ó ASTM C 88).
Materiales Frágiles y Desmenuzables (AASHTO T112 o ASTM C142).
Adicionalmente a estos ensayos, son necesarios para efectos de diseño de la mezcla, los ensayos de Gravedad Específica de los agregados. Todos los ensayos son conocidos por la mayoría de ingenieros.
Características de graduación de los agregados. Para especificar la graduación de los agregados, los investigadores del SHRP, refinaron las ya utilizadas por muchas agencias en los Estados Unidos. Superpave utiliza cartas de graduación elevadas al 0.45, con puntos de control y una zona restringida, para desarrollar una estructura en los agregados requerida en el diseño de mezclas asfálticas. Las cartas de control tienen su origen en la ecuación de Fuller, la cual representa condiciones de Máxima densidad y Mínimos vacíos en el agregado mineral (VMA). (p = 0.5
100 (d/D) ); Sin embargo, a pesar de que con el uso de la ecuación de Fuller se obtienen mezclas de fácil compactación, estas tienden a ser muy frágiles y a poseer pocos vacios en el agregado. Es por esta razón que se utilizan las cartas elevadas a 0.45. Una curva de máxima densidad (en el sistema Superpave), también puede ser dibujada por medio de una línea recta desde el tamaño máximo del agregado (el que pasa el 100% una determinada malla) hasta el origen.
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Para el uso de una granulometría en Superpave, esta debe pasar entre los puntos de control y evitar pasar a través de la zona restringida. Esta zona es usada para evitar mezclas que tienen una alta proporción de arena fina respecto a la totalidad de arena y graduaciones que sigan la línea fina de 0.45, lo cual no proporciona adecuados vacíos en el agregado mineral (VMA). SHRP recomienda que la granulometría de los agregados pase abajo de la zona restringida. En muchos casos la zona restringida evitará el uso de arena natural en una mezcla y alentará el uso de arena limpia fabricada. El diseño de la estructura de los agregados asegurará que este desarrolle un resistente "esqueleto de piedra" que mejorará la resistencia a la deformación permanente (rutting) y alcanzará suficientes vacíos para la durabilidad de la mezcla.
Proporción de polvo. Otro requerimiento de la mezcla es la proporción de polvo; se calcula como la relación entre el porcentaje en peso del agregado más fino que el tamiz 0.075 mm y el contenido de asfalto efectivo en porcentaje de peso total en la mezcla, menos el porcentaje de asfalto absorbido.
Susceptibilidad a la humedad. El ensayo de susceptibilidad a la humedad para evaluar una HMA al desprendimiento es la Norma AASHTO T-283, resistencia de mezclas bituminosas compactadas al daño inducido por humedad. Este ensayo, que no se basa en el desempeño, sirve para dos propósitos; primero, identificar si una combinación de cemento asfáltico y agregado es susceptible a la acción del agua; segundo, mide la efectividad de los aditivos antidesprendimiento o de mejora de adherencia.
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Mezcla asfáltica. Dos características claves en el sistema Superpave son la compactación de laboratorio y los ensayos de comportamiento. La compactación de laboratorio es realizada haciendo uso del Compactador Giratorio (Superpave Gyratory Compactor, SGC). El uso y especificación del SGC está establecido en la designación AASHTO TP4-93, "Standard Method for Preparing and Determining the Density of Hox Mix Asphalt (HMT) Specimens by Means of the SHRP Gyratory Compactor". La especificación AASHTO MP2-95 "Standard Specification for SUPERPAVE Volumetric Mix Design", establece los requisitos de diseño para las mezclas asfálticas en caliente. El SGC utiliza moldes de 6 pulgadas de diámetro, una presión de confinamiento de 600 KPa y un ángulo de inclinación de 1.25 grados para la rotación que compactará los especímenes de laboratorio. El número de rotaciones a la que esta sujeto la mezcla para la fabricación del espécimen (briqueta) está establecida en la especificación. El equipo de compactación posee incorporado un software que indica (durante el proceso de compactación), la altura del espécimen y el número de revoluciones corrientes, permitiendo de esta manera determinaciones de la densidad del espécimen durante su proceso de compactación. Ya que el comportamiento de la mezcla, inmediatamente después de la construcción es influenciada por las propiedades de la mezcla, (resultantes del mezclado en caliente y compactación posterior), la muestra de mezcla asfáltica suelta es envejecida por un tiempo de cuatro horas, en un horno a 135 grados centígrados, previo a la compactación en el SGC. El proceso de envejecimiento está establecido en AASHTO PP2-94 "Standard Practice for Short and Long Term Aging of Hot Mix Asphalt (HMT)". Las especímenes elaborados usando el SGC, son sujetos a los análisis volumétricos establecidos para el diseño de mezclas, la cual deberá reunir los requisitos determinados en
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la especificación AASHTO MP2-95. Condiciones adicionales son establecidas en la especificación para la evaluación de la susceptibilidad de la mezcla a la humedad. El fin de los análisis volumétricos es la estimación del contenido de asfalto de la mezcla objeto del diseño, lo cual involucra:
Estimación del contenido de vacíos de aire de la mezcla.
Estimación del contenido de vacíos en el agregado mineral (VMA).
Estimación del contenido de vacíos llenos de asfalto (VFA).
Relación polvo/asfalto.
Estimación del contenido efectivo de asfalto de la mezcla.
5.2 Segundo nivel. En el nivel 2 se realizan ensayos para verificar la capacidad de la mezcla en relación con los aspectos en servicio. En particular, se examina el comportamiento frente a las deformaciones permanentes, la fatiga y la fisura térmica. En este nivel, el proyectista define los niveles de deterioro admisibles: porcentaje de superficie fisurada por fatiga, profundidad de huella y número de fisuras por retracción térmica. Se sugieren como valores aceptables los de 10 mm de profundidad de huella y 10% de superficie fisurada por fatiga. En función de los datos meteorológicos, el método determina las denominadas temperaturas efectivas, una media para la resistencia a la fatiga y otra alta para la resistencia a la deformación plástica. El Superpave estima la resistencia a la fatiga mediante procedimientos empíricos basados en los resultados de los ensayos de corte a altura constante o de tracción directa.
5.3 Tercer nivel. En este nivel se mantiene el esquema de trabajo del nivel 2, pero la caracterización del diseño es mas completa y precisa: tomando varios intervalos de temperaturas dentro de un
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mismo año y utilizando los métodos teóricos de calculo de profundidad de huella, introduciendo otros ensayos (carga uniaxial y carga isótropa) para un mejor conocimiento de las deformaciones permanentes. Asimismo, esta previsto, aunque con carácter optativo, la validación de los resultados con otros ensayos como: deformación en pista, fatiga sobre probeta prismática en flexión, retracción térmica impedida, entre otros.
6. Otros métodos de diseño: Método Marshall. El método de dosificación de mezclas más utilizado en México es el basado en el ensayo Marshall. El concepto del método Marshall en el diseño de mezclas para pavimentación fue formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi. El Cuerpo de Ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prueba Marshall, a la vez que desarrolló un criterio de diseño de mezclas. En principio es aplicable solo a las mezclas asfálticas en caliente, en los que además el tamaño del árido (gravas, arenas y polvo) no exceda los 20 mm; sin embargo, a veces se aplica también a la formulación de otros tipos de mezcla. El método Marshall modificado se desarrolló para tamaños máximos arriba de 38 mm (1.5”), y está pensado para diseño en laboratorio y control en campo de mezclas asfálticas en caliente, con graduación densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza empírica, la importancia de los resultados en términos de estimar el comportamiento en campo se pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estándar. Consiste en la rotura de unas probetas cilíndricas de 4 pulgadas de diámetro y 2 ½ pulgadas de altura mediante la aplicación de una mordaza perimetral con una velocidad de deformación constante de 50.8 mm/min. El proceso es el siguiente:
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Una vez fijada la granulometría de los áridos y el tipo de ligante (asfalto), se fabrican las probetas con diferentes contenidos de ligante dentro de unos intervalos seleccionados por la experiencia. A continuación se procede a su compactación en un molde mediante la denominada prensa Marshall aplicando unos golpes en cada una de las dos caras planas de la probeta y cuyo número depende de las dos caras del tráfico.
Desmoldadas las probetas tras su enfriamiento, se denomina su densidad aparente con una balanza hidrostática. Este dato, junto con los pesos específicos del conjunto de los áridos y del ligante, permite el cálculo de las proporciones de los huecos en la mezcla y de los huecos en los áridos (suma de la porosidad y del volumen relativo ocupado por el ligante).
Después de mantener las probetas en agua o en estufa el tiempo necesario para que la mezcla alcance una temperatura de 60°C hasta la rotura de la manera ya descritas. Se define como estabilidad Marshall la carga de rotura (kN) y como deformación Marshall al acortamiento diametral (mm) hasta el momento de la rotura.
Los parámetros con los que trabaja el método Marshall son los que se han citado: la densidad, la estabilidad, la deformación, la proporción de huecos en mezcla y la proporción de huecos en áridos. Su variación con el contenido de ligante (expresado en proporción sobre la masa seca de los áridos) se representa en diversas gráficas como la del ejemplo:
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Uno de los criterios que puede ser utilizado para la elección del contenido óptimo de asfalto a partir de estos resultados es el siguiente:
Se comprueba que toda la curva de los huecos en áridos está por encima de un valor especificado, en caso contrario, no es aceptable adoptar el contenido de ligante correspondiente, sino que hay que modificar la granulometría adoptada.
Se analiza que contenidos de asfalto permite obtener una relación de huecos dentro de un rango especificado.
Se procura que la razón entre las masas del polvo mineral (filler) y del ligante se sitúe lo más próxima posible a un valor especificado que depende de la capa para la que se vaya a emplear la mezcla y de las temperaturas estivales en la zona de aplicación y va de 0.9 a 1.3.
Se comprueba que la estabilidad y la deformación correspondientes al contenido asfalto seleccionado están dentro de los rangos especificados. Si es así, ese contenido se puede considerar como el óptimo.
7. Conclusiones. El deterioro de los pavimentos observado en muchas de las carreteras de país, o sin ir tan lejos, de la región, hace pensar en la importancia de un óptimo diseño de mezclas asfálticas logrando propiedades volumétricas adecuadas en la carpeta asfáltica terminada, ya que de esto depende en gran medida el desempeño de la superficie de rodamiento en su vida de servicio. Por eso la importancia de lograr en el laboratorio la densificación que ocurre en campo, bajo la acción vehicular y de altas y bajas temperaturas, y de esta forma llegar a fórmulas de trabajo que permitan dosificar mezclas que presenten un mejor comportamiento en condiciones específicas de tránsito y clima. El método Superpave ha manifestado tener importantes progresos en lo que se refiere a la selección del ligante asfáltico, la mezcla y volumen de agregados, y la compactibilidad de la mezcla asfáltica. Por otro lado una ventaja que puede mencionarse al método Marshall
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es la gran variabilidad de su equipo para llevar a cabo acciones de control de calidad en campo. En cuanto a las ventajas de Superpave respecto al método Marshall destacan la adecuación del pavimento a las condiciones reales de temperatura, tránsito y envejecimiento de los materiales, por lo que arroja valores volumétricos más acordes a la realidad. Una desventaja del método Marshall es que trabaja con solo un valor de temperatura (60°), a diferencia del método Superpave que maneja asfaltos de diferentes rangos de temperatura máxima y mínima. También, Superpave al ser un método exacto, dejando un poco de lado las características empíricas que tiene el método Marshall, obtiene mezclas con más resistencia y durabilidad, por lo que se puede alcanzar con mayor probabilidad la vida útil de un pavimento que es alrededor de 20 años. Por otro lado, hablando en términos económicos, al utilizar el método Superpave se obtienen menores cantidades de asfalto que los valores obtenidos con el método Marshall, por lo que al reducir la cantidad de asfalto, se reduce el costo de la construcción de una carretera de pavimento flexible, y esto sin mencionar que los trabajos de mantenimiento o rehabilitación de las carreteras también se ve disminuido. Sin embargo, uno de los factores que no permiten la utilización de Superpave en México es que son contadas las empresas que cuentan con la tecnología necesaria para aplicar el método. Considerando todas las ventajas y características mencionadas, se cree que Superpave debe ser implementado en la construcción de pavimentos flexibles en México y poco a poco ir desplazando al método Marshall para obtener mezclas de mejor calidad y ofrecer mejores condiciones de servicio a las personas que transitan por el país.
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8. Referencias.
Kraemer, Carlos et al (2004). Ingeniería de Carreteras (volumen 2), 555 págs., McGraw-Hill, Madrid.
Garnica Anguas, Paul; Delgado Alamilla, Horacio; Sandoval, Carlos (2005). Análisis comparativo de los métodos Marshall y Superpave para compactación de mezclas asfálticas. Publicación técnica N° 271, SCT - IMT, México.
WesTrack Forensic Team Consensus Report (2001), Superpave Mixture (design guide). US Department of transportation – Federal Highway Administration, Washington, DC.
Vásquez, Marcos Vinicio. Diseño de mezclas asfálticas en caliente - Nuevas tendencias. http://www.e-asfalto.com.ar/ingles/Page=/superpave/superpave
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Pennsylvania Transportation Institute (2004), Superpave System. http://www.superpave.psu.edu/superpave/system.html
Tabla de porcentajes de carreteras pavimentadas en México, http://www.inegi.org.mx/sistemas/sisept/default.aspx?t=sctr04&s=est&c=6381
Instituto Politécnico Nacional. Pavimentos y Terracerías.
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