Caract. Asfaltos Creep Repetido AEC

CARACTERIZACION DE ASFALTOS MEDIANTE CREEP
REPETIDO MULTI-ESFUERZO EN REOMETRO DE CORTE
DINAMICO.
Ing. Israel Sandoval Navarro
Jefe de Laboratorio y Reología
SURFAX S.A. de C.V.
Ing. Ignacio Cremades Ibáñez
Director Técnico
SURFAX S.A. de C.V.
Sandoval / Cremades
CARACTERIZACION DE ASFALTOS MEDIANTE CREEP REPETIDO MULTIESFUERZO EN REOMETRO DE CORTE DINAMICO.
RESUMEN
En el presente trabajo se revisan y comparan las diferentes propuestas actualmente en
estudio a nivel mundial para la caracterización de asfaltos por reología, en cuanto a
resistencia ante la deformación permanente se refiere, así como la metodología actualmente
empleada en México, SUPERPAVE.
*
Se revisan parámetros como el empleado actualmente G
el cual involucra la resistencia
senδ
total del asfalto ante la deformación y la aportación de la componente elástica al desempeño
del asfalto en el pavimento y que ha demostrado no clasificar correctamente algunos asfaltos,
especialmente los modificados.
*
El parámetro G
el cual da mas importancia al ángulo de fase, resaltando la
1
senδ ⋅ tan δ
respuesta elástica del asfalto [1,2,3].
1−
También se contempla el parámetro Viscosidad a Corte Cero η 0 el cual implica la resistencia
que ofrece el asfalto al flujo. Este flujo es el causante de las roderas o deformaciones
permanentes [4,5,6].
Por ultimo se revisa la propuesta más actual, la Recuperación Elástica mediante Creep
Repetido, esta metodología involucra la resistencia ante la deformación, la memoria elástica y
la dependencia del comportamiento del asfalto a la variación del esfuerzo aplicado[7,8].
Se analizan asfaltos clasificados como PG 76, pero que tienen diferencias en cuanto a las
materias primas y procesos empleados para su modificación, además de que presentan
algunas diferencias en otras características como ángulo de fase. Estos asfaltos son
clasificados por el método SUPERPAVE como PG 76 y cumplen con la exigencia de ángulo
de fase en México, sin embargo pueden presentar un comportamiento diferente en campo
debido a deficiencias comprobadas de este método.
Se pretende resaltar las diferencias entre los métodos de caracterización y determinar cual
aportaría mas información para la selección correcta de un asfalto.
3
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
INTRODUCCIÓN
El constante cambio en las condiciones de trabajo de las carreteras como aumento de cargas
y velocidades de transporte han obligado a buscar nuevas herramientas para la medición y
predicción del desempeño de los asfaltos en campo, el reómetro de corte dinámico (DSR por
sus siglas en ingles) a demostrado ser una de las más importantes herramientas con las que
se cuenta en la actualidad para determinar el comportamiento reológico de los asfaltos. El
DSR es usado en la especificación de SUPERPAVE para determinar las propiedades de los
asfaltos en el rango de temperaturas intermedias y altas (52-82 ºC) de trabajo. El parámetro
de especificación adoptado por SHRP (Strategic Highway Research Program) para determinar
el desempeño de los asfaltos vírgenes o modificados ante la deformación permanente,
comúnmente conocida como formación de Roderas, es el módulo complejo dividido por el
seno del ángulo de fase G*/senδ.
Las Roderas en los pavimentos asfálticos son causadas por la acumulación de pequeñas
deformaciones ocasionadas por las cargas del tráfico. Durante cada periodo de carga se
realiza cierto trabajo deformando la superficie del pavimento. La energía aplicada en cada
ciclo de carga causa una deformación en la superficie, parte de esta energía se almacena
para recuperar una porción de la deformación causada y otra parte de la energía aplicada es
disipada en forma de calor y de flujo, causando la deformación permanente.
Para reducir la formación de roderas debe minimizarse la energía disipada en cada ciclo de
carga.
Para un material viscoelástico como lo es el asfalto en las temperaturas normales de trabajo,
la energía disipada se puede calcular:
WC = π ⋅ σ ⋅ ε ⋅ senδ
Este fenómeno puede considerarse como controlado por esfuerzo por la aplicación de cargas
cíclicas, para un fenómeno de este tipo σo es el esfuerzo aplicado
WC = π ⋅ σ 0 ⋅ ε ⋅ senδ
La deformación debida al esfuerzo aplicado puede representarse como: ε =
σ0
G*
.
Sustituyendo en la ecuación de energía, tenemos que:
WC = π ⋅ σ 02 ⋅
1
G*
senδ
La energía disipada en cada ciclo de carga es inversamente proporcional al parámetro
G*
.
senδ
4
Sandoval / Cremades
Este parámetro combina la resistencia total del material ante la deformación │G*│ y la relativa
no-elasticidad del ligante asfáltico reflejada por sen δ.
Importancia del ángulo de fase (δ)
G* es la resistencia total del material
e incluye ambos comportamientos
Elástico y Viscoso
Componente Viscosa G''
Altas Temperaturas
G*1
G*2
δ1
δ
indica la proporción de cada uno
δ2
Componente Elástica G'
Bajas Temperaturas
Fig. 1. Importancia del ángulo de fase (δ). Cuanto menor es el ángulo de fase mayor es la
capacidad del material de recuperar las deformaciones.
Teniendo que senδ = G”/ │G*│y que G” es el módulo de pérdida o el módulo viscoso que esta
relacionado con la capacidad del material de disipar energía en cada ciclo de carga, su
relación con │G*│ da una medición relativa de la componente no-elástica de la resistencia
total a la deformación. Esto significa que la resistencia a la deformación permanente de un
ligante se puede incrementar al aumentar el valor del módulo complejo │G*│ o al decrecer la
parte no elástica senδ. │G*│ y δ son función de la temperatura y del tiempo de carga, por eso
se miden a la temperatura máxima de diseño y a la frecuencia de 10 rad/seg que se asemeja
al efecto producido sobre el pavimento por un vehículo moviéndose entre 80 y 90 kilómetros
por hora.
En general, para todos los asfaltos vírgenes y para la mayoría de los asfaltos modificados, la
oxidación resultante durante la producción de la mezcla en caliente (HMA) se traduce en un
incremento del módulo complejo G* y en un decremento del ángulo de fase δ. Esto se traduce
en una mayor resistencia a la deformación y en mayor elasticidad, lo que significa una mayor
resistencia a la formación de roderas. Las propiedades iniciales del asfalto en el pavimento
son más críticas desde el punto de vista de la deformación permanente, que las del asfalto
envejecido, es por esto que Superpave especifica un límite mínimo para el valor de │G*│/senδ
en el asfalto original y en el asfalto envejecido en horno (TFO o RTFO).
5
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Aunque el parámetro G *
clasifica eficientemente el desempeño de los asfaltos vírgenes
senδ
ante la deformación permanente, se ha demostrado mediante numerosos estudios como los
realizados en el ALF (Accelerated Loading Facility) del Turner Fairbank Hyghway Research
Center [1], que este parámetro no clasifica correctamente algunos asfaltos, especialmente los
asfaltos modificados.
Esto es debido en primera instancia a que el desarrollo de SUPERPAVE se realizó con
asfaltos vírgenes y a que el parámetro G *
presenta poca sensibilidad a los cambios en el
senδ
ángulo de fase (δ). Esta deficiencia en la clasificación de los asfaltos puede resultar en una
mala elección de un ligante para determinadas condiciones de trabajo del pavimento en
campo.
La poca sensibilidad ante los cambios de ángulo de fase de G *
implica la posibilidad de
senδ
que se clasifiquen en un mismo PG (Performance Grade) asfaltos que presenten
comportamientos muy diferentes ante la deformación permanente, a continuación se explica
este punto.
En primer lugar si se tiene un asfalto envejecido por RTFO, PG 76, modificado con un
elastómero, clasificado mediante G *
y un ángulo de fase de 58.82°, este valor bajo de
senδ
δ refleja una alta capacidad de este asfalto modificado de recuperar la deformación causada
por el tráfico. Sin embargo es posible tener un asfalto modificado con un plastómero,
envejecido por RTFO, que por la naturaleza de este tipo de modificador presenta poca
elasticidad, y el parámetro G *
lo clasifica de igual forma como un PG 76 aunque este
senδ
presente un ángulo de fase alto de 75.17° , este va lor refleja poca capacidad del asfalto
modificado de almacenar energía para recuperar la deformación causada por el paso de los
vehículos, la mayor parte de la energía aplicada durante el ciclo de carga se disipa en forma
de deformación permanente.
PG
Recuperación
Elástica por
Ductilometro a
25 °C
δ
76
81.9 °C
58.82 °
50 %
82 %
76
80.1 °C
75.17 °
20 %
45 %
Asfalto Modificado
(RTFO)
AC-20 + R.E.T.
(Elastómero)
AC-20 + E.V.A.
(Plastómero)
Recuperación
Elástica por
Torsión a 25°C
TF RTFO
G*
=2.2 kPa
senδ
RET : TERPOLIMERO ELASTOMERICO REACTIVO ;
TF= Temperatura de falla G*/senδ = 2.2kPa
Nota : El Asfalto modificado con plastómero tiene un ángulo de fase de 75.17 ° a 76 °C,
16 ° por encima del modificado con el elastómero.
6
Sandoval / Cremades
El parámetro G *
determina que el asfalto modificado con un plastómero presenta un
senδ
desempeño igual ante la deformación permanente que el asfalto modificado con un
elastómero, sin embargo tomando en cuenta los valores de Angulo de fase, Recuperación
Elástica por Torsión y Recuperación Elástica por Ductilometro es claro que el asfalto con
elastómero tiene mayor capacidad elástica que el modificado con plastómero.
La importancia de obtener un parámetro que clasifique correctamente todos los tipos de
asfalto, ya sean vírgenes o modificados, ha provocado que los investigadores alrededor del
mundo se den a la tarea de realizar diversos estudios ya sea haciendo modificaciones a los
parámetros ya existentes como el presentado en el III congreso de AMAAC en 2003 [3] y
propuesto por Shenoy A. [1,2] que implica la modificación del parámetro G *
para
senδ
aumentar su sensibilidad al ángulo de fase que resulta en la ecuación G *
,
1
1−
senδ ⋅ tan δ
además se proponía el parámetro de control de roderas CR que clasifica y diferencia la
capacidad del cemento asfáltico de recuperar las deformaciones causadas al aplicar un
esfuerzo ó proponiendo nuevos parámetros y métodos de prueba como la Viscosidad a Corte
Cero η 0 (propuesta Europea) presentado en el IV congreso de AMAAC y el XIII congreso
CILA 2005 [4,5,6], este parámetro permite estimar la resistencia del asfalto al flujo. La
propuesta mas actual y la que parece tener mas aceptación es la Recuperación Elástica en
Creep Repetido (propuesta en U.S.A.) la cual pretende usarse como un plus al método
SUPERPAVE para evaluar la memoria elástica de los asfaltos modificados y la dependencia
de su comportamiento ante los cambios de esfuerzo aplicado. A continuación se describen
cada una de estas propuestas de forma mas detallada.
7
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
G*
1−
CRITERIO SUPERPAVE REFINADO
.
1
senδ ⋅ tanδ
En la prueba de Recuperación en Creep Repetido (RCRB), al aplicar una fuerza σo kPa
durante “t” seg, la deformación total o deformación máxima γmax debe ser la suma de la
deformación elástica o recuperable más la deformación viscosa o no recuperable.
%γ max = %γ rec + %γ nrec
%γ max = 100
σ0
(1)
(2)
G*
%γ rec
G'
=
100σ 0 G ' ' 2
(3)
Cuando se da suficiente tiempo para que la muestra se recupere totalmente. Bajo esta
premisa, teniendo en cuenta que G’ = │G*│ senδ (módulo viscoso) y G” = │G*│ cosδ (módulo
elástico) y sustituyendo se puede llegar a la expresión:
%γ nrec
1
= 1−
%γ max
tan δsenδ
(4)
Esta ecuación da un valor de 1 cuando δ = 90º lo que indica que se trata de un material
viscoso. Por otro lado los resultados de la ecuación se vuelven inconsistentes para valores de
δ < 52º. Como las pruebas se llevan a cabo a temperaturas relativamente altas, normalmente
no se obtienen ángulos de fase menores a 52º, aunque se han dado en algunos casos.
Sustituyendo (2) en (4)
%γ nrec =
100σ 0 
1

1 −

G *  tan δsenδ 
Como G* y δ son función de la frecuencia y de la temperatura, el efecto de la velocidad del
tráfico y de la temperatura del pavimento, están integrados en esta ecuación. La deformación
permanente se puede expresar como:
8
Sandoval / Cremades
%γ nrec =
100σ 0
G*
1 − (1 / tan δsenδ )
Para minimizar la deformación permanente se debe maximizar el término
G*
1 − (1 / tan δsenδ )
G*/(1-1/(tanδsenδ))
G*/senδ
(kPa)
En la figura siguiente se muestra como se determina la temperatura de falla THS para un
asfalto modificado, empleando el criterio SUPERPAVE refinado se da un aumento
considerable en la temperatura máxima de trabajo así como un aumento de PG76 a PG88.
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Asfalto Modificado RTFO
G*/(1-1/(tanδsenδ))
G*/senδ
o
THS=91.53 C
o
TF=81.9 C
70
75
80
85
90
95
o
Temperatura, ( C)
Fig. 2 - Determinación de la temperatura de falla y grado de desempeño PG, empleando los
métodos SUPERPAVE G *
y SUPERPAVE REFINADO G *
.
senδ
1
1−
senδ ⋅ tan δ
Los valores de 1.0 kPa para asfaltos originales y de 2.2 kPa para asfaltos envejecidos se
mantienen. Para los asfaltos vírgenes los dos parámetros coinciden mientras que para los
asfaltos modificados los resultados difieren permitiendo una mejor clasificación de estos ya
9
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
que el parámetro SUPERPAVE REFINADO es más sensible a las variaciones en el ángulo de
fase y describe con mayor precisión la deformación no recuperable de los asfaltos. Con este
parámetro se han podido diferenciar asfaltos con diferente comportamiento frente a la
deformación permanente.
Este parámetro PBG (Performance Based Grade) ha sido comparado con resultados
experimentales encontrándose una buena correlación, que permite diferenciar entre varios
asfaltos modificados con igual grado PG.
Es necesario insistir en que este parámetro no es válido para ángulos de fase inferiores a 52º,
cuando los asfaltos modificados presentan valores iguales o menores a 52°, como en el caso
de algunos modificadores o asfaltos oxidados, es necesario emplear la ecuación:
G*
(senδ )P
Donde P = 9, pero puede tomar otro valor si se encuentra una mejor correlación.
Este parámetro puede ser considerado como una especificación para las mezclas asfalto
agregado para evaluar su potencial ahuellamiento.
10
Sandoval / Cremades
VISCOSIDAD A CORTE CERO
η0
(ZSV por sus siglas en ingles Zero Shear Viscosity).
La viscosidad a corte cero es la viscosidad medida a velocidades de corte extremadamente
bajas, velocidades cercanas a cero.
6
10
5
Barrido de frecuencia
Eta'
8x10
5
6x10
η0
5
4x10
Viscosidad
(P)
5
2x10
1
10
100
ω , (rad/s)
Fig. 3. Viscosidad a Corte Cero. Es el valor donde la viscosidad se vuelve constante.
Al aplicar un esfuerzo a un material a velocidades tan bajas la energía se va disipando entre
cada una de las capas del material (Fig. 4), hasta que la cantidad de energía disipada es
constante y la resistencia al flujo que ofrece la estructura del material se vuelve constante, por
lo que la viscosidad de corte no cambia y se hace independiente de la velocidad de corte.
flujo
Cantidad de
energía disipada
constante a
través
de las capas del
material
Fig. 4. Capas del material. La cantidad de energía disipada entre ellas es constante.
11
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
6
10
Barrido de frecuencia
Eta'
5
8x10
5
6x10
η0
5
4x10
Viscosidad
(P)
5
2x10
1
10
100
ω , (rad/s)
Fig.5. La viscosidad depende de la velocidad de corte.
Cuando se aplica un esfuerzo a velocidades relativamente altas, la energía actúa sobre las
primeras capas del material sin que este tenga la capacidad de disipar la energía entre ellas,
por lo que se vencen las energías intermoleculares, como pueden ser fuerzas de Van Der
Waals o puentes de hidrógeno. Al vencer estas energías intermoleculares se afecta la
estructura del material y por lo tanto ofrece menor resistencia al flujo.
VISCOSIDAD A CORTE CERO COMO PARAMETRO DE ESPECIFICACIÓN.
Como se ha mencionado anteriormente el sistema de clasificación de asfaltos grado PG
propuesto por SUPERPAVE ha sido exitoso en la clasificación de los asfaltos convencionales,
pero ha demostrado poca confiabilidad en la caracterización de los asfaltos modificados
debido a que el parámetro G *
no es lo suficientemente sensible a los cambios en el
senδ
ángulo de fase. El fundamento técnico empleado por SUPERPAVE para caracterizar
eficientemente el comportamiento del asfalto es valido pero se ve bloqueado por la poca
sensibilidad del parámetro G *
, por esto las condiciones y características que debe
senδ
cumplir el asfalto no cambian, lo que cambia es el parámetro mediante el cual se caracteriza
el comportamiento del asfalto.
Para determinar el valor ZSV que deben cumplir los asfaltos como valor de especificación se
determinó el grado de desempeño PG para las diferentes muestras de asfaltos vírgenes, se
determinó la temperatura de falla, temperatura a la cual G *
tiene el valor de 1 kPa para
senδ
asfaltos originales y 2.2 kPa para asfaltos envejecidos.
12
Sandoval / Cremades
Se determinó en el DSR mediante barridos de frecuencia, el valor de la viscosidad de corte
cero que presentan los asfaltos vírgenes a la temperatura de falla de cada uno de ellos
( temperatura a la cual G *
= 1.0 kPa para original y 2.2 kPa para envejecido), la TF de
senδ
cada muestra de asfalto es diferente a las demás pero a esta temperatura todos tienen el valor
de G *
de 1.0 kPa para original y 2.2 kPa para envejecido y de la misma forma el mismo
senδ
valor en la viscosidad de corte cero η0.
La Viscosidad de corte cero es uno de los principales candidatos para convertirse en el
parámetro de especificación vigente en Europa [5].
Determinación de los grados de desempeño PG.
En el Reómetro de Corte Dinámico se determina el PG y TF para cada uno de los asfaltos,
bajo las condiciones de prueba normalmente usadas empleando el software SHRP.
AC-20 Salamanca Virgen
PG 64
G*/senδ
1.5
10 rad/seg
1.4
G*/senδ
(KPa)
1.3
G*/senδ
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
o
PG 64
64
TF=66.65 C
65
PG 70
66
67
68
69
70
o
Temperatura, ( C)
Fig.6. Determinación del PG y la temperatura de falla.
Determinación del valor de especificación de Viscosidad de corte cero η0.
Barridos de deformación.
Se realizan barridos de deformación entre 0.1 y 10%, en un rango de temperaturas de
aproximadamente 30º C alrededor de la TF , con esta información se determina la zona de
respuesta lineal viscoelástica, de esta zona se determina el esfuerzo a emplear en los barridos
de frecuencia. Con esto se garantiza no afectar la estructura del material durante el análisis
dinámico en el DSR.
13
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
AC-20 Salamanca virgen
10
7
8x10
6
6x10
6
G*
Zona lineal viscoelástica
4x10
6
G*
2
(dyn/cm )
2x10
Para el barrido de frecuencia
puede utilizarse cualquier τ
dentro de este rango.
6
τ
10
3
10
4
5
10
2
Esfuerzo (τ) , (dyn/cm )
Fig.7. Determinación de la zona lineal Viscoelástica.
Barridos de frecuencia.
Se realizan barridos de frecuencia entre 0.1 y 100 rad/seg (en algunos casos es necesario
emplear un rango de frecuencias entre 0.01 y 100 rad/seg). Se aplica el mismo esfuerzo
empleado para determinar el grado de desempeño y la temperatura de falla ya que este nivel
de esfuerzo se encuentra dentro de la zona de respuesta lineal-viscoelástica. Estos barridos
se realizan de igual forma que los barridos de deformación, en un rango de temperaturas de
aproximadamente 30 ºC alrededor de la temperatura de falla.
AC-20 Tampico Virgen RTFO
Viscosidad (Pa.s)
η0 62 °C
η0 65 °C
η0 68 °C
η0 71 °C
η0 74 °C
η0 77 °C
η0 80 °C
0.1
1
Frecuencia (rad/s)
Fig. 8. Barridos de frecuencia a las diferentes temperaturas
14
10
100
Sandoval / Cremades
Se determina el valor de la Viscosidad de Corte Cero a cada una de las temperaturas de
análisis.
Con estos valores de Viscosidad de Corte Cero η0, se realiza una Curva de comportamiento
de Log (η0) contra temperatura, y de esta curva se determina el valor de la viscosidad de corte
toma el valor de 1.0 kPa para
cero a la temperatura de falla (temperatura a la cual G *
senδ
asfalto original y 2.2 para asfalto envejecido).
AC-20 Salamanca Virgen
log (Viscosidad de corte cero η 0) (Pa.s)
5.2
5.0
Curva de Comportamiento Log(η0) vs T
4.8
4.6
4.4
4.2
4.0
3.8
3.6
3.4
50
55
60
65
70
75
80
0
Temperatura ( C)
Fig.9. Curva de comportamiento de Log (η0) contra Temperatura. Valor de Viscosidad de Corte
Cero a la temperatura de falla donde G *
=1.0 kPa para original ó 2.2 kPa para
senδ
envejecido.
15
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Asfaltos Virgenes RTFO
3.4
AC-20 Salamanca
3.2
AC-20 Tampico
3.0
AC-20 Cadereyta
AC-5 Salamanca
Log (η0 )
(Pas)
2.8
2.6
Log(η0)=2.39
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
PG 52
PG 58
1.4
50
55
60
PG 64
65
PG 70
70
PG 76
75
PG 82
80
85
Temperatura °C
Fig.10. Valor de especificación de Viscosidad a Corte Cero establecido de las curvas de
comportamiento de todas las muestras de asfalto virgen a cada una de sus temperaturas de
falla.
Se determino un valor mínimo especificación de Log (η0) =2.39 para asfalto envejecido.
Este valor es el que los Cementos Asfálticos deberán cumplir como especificación para
estimar la resistencia ante la deformación permanente. La temperatura a la cual un Ligante
Asfáltico presenta este Valor de Viscosidad de corte cero será la Temperatura máxima de
trabajo del pavimento asfáltico.
La temperatura máxima de trabajo de un asfalto, será la temperatura a la cual Log (η0) tiene el
valor de 2.39 para asfalto envejecido y el Grado de desempeño PG es el grado anterior a esta
temperatura, ya sean vírgenes o modificados, las exigencias no cambian lo que cambia es el
parámetro para medir el desempeño.
16
Sandoval / Cremades
PRUEBA DE RECUPERACIÓN ELASTICA MULTI-ESFUERZO EN CREEP REPETIDO en
Reometro de Corte Dinámico.
La prueba de CREEP-RECOVERY (RCRT, Repited Creep-Recovery Test) consiste en aplicar
a un material un esfuerzo determinado, causando con esto una deformación (creep), después
de un periodo determinado en el cual se mantuvo el esfuerzo constante, se retira totalmente el
esfuerzo aplicado, dejando así que la estructura del material se recupere de la deformación
causada con el esfuerzo aplicado (recovery). Este proceso puede realizarse en un solo ciclo,
incluyendo este solo un paso de deformación y uno de recuperación o en ciclos repetidos en
el cual pueden realizarse varios pasos consecutivos de deformación-recuperación, en este
caso es posible evaluar la deformación acumulada por la aplicación de cargas repetidas.
Se pretende usar la prueba de RCRT multi-esfuerzo, realizada en reómetro de corte dinámico,
como una prueba adicional al método SUPERPAVE actualmente usado en México, al cual
además se adicionan también pruebas empíricas como Recuperación Elástica por Torsión y
Ductilometro, Penetración, Resilencia etc., principalmente empleadas en asfaltos modificados.
Las pruebas de recuperación elástica por torsión o en ductilometro pretenden dar información
sobre la capacidad del asfalto para recuperar las deformaciones causadas por el paso de los
vehículos sobre el pavimento, sin embargo estas pruebas no contemplan la generación de
deformaciones repetidas, lo que evidentemente afecta el comportamiento del asfalto y su
memoria elástica.
Además no toman en cuenta la dependencia del comportamiento elástico a las variaciones de
esfuerzo y temperatura, las cuales también afectan de manera muy importante el
comportamiento del asfalto.
A continuación se describe el protocolo de RCRT:
Condiciones de la prueba
Se realiza el ensayo con la misma geometría del método SUPERPAVE, platos paralelos de
25.0 mm de diámetro y 1.0 mm de gap, ambientando correctamente a la temperatura de
prueba por 600 seg., que es la temperatura de Grado de Desempeño PG, por ejemplo si se va
analizar un asfalto PG76-XX, la prueba RCRT debe realizarse a 76°C, si se analiza un asfalto
PG64-XX, la prueba debe realizarse a 64°C.
Se aplica un esfuerzo constante de 1.0 segundo de duración (creep) el esfuerzo máximo se
alcanza en aproximadamente 0.02 segundos, seguido del lapso de recuperación de 9.0
segundos a esfuerzo cero (recovery). Se corren 20 ciclos a dos niveles de esfuerzo, los
primeros 10 ciclos se realizan a 100 Pa (en el paso creep) y los siguientes 10 ciclos se llevan
a cabo a 3200Pa.
Es muy importante resaltar que el reómetro de corte dinámico no realiza otra acción
durante este periodo más que la de medir la respuesta del material, por lo que las
mediciones en el segmento de recuperación dependen totalmente de la memoria
elástica del material. Lo que no ocurre en las propuestas anteriores en las que el
reómetro se encarga de regresar el material a la posición original.
17
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
strain
20
Ciclo Creep-Recovery 10 seg.
18
16
creep 1.0 seg
14
% Strain
12
10
Recovery 9.0 seg.
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Tiempo global (seg.)
Fig. 11- Ciclo Creep-Recovery, 1.0 seg. a esfuerzo constante en el paso creep y 9.0 seg. en el
segmento de recuperación a esfuerzo cero.
La prueba de creep-recovery permite medir la memoria elástica del material.
strain
20
Deformacion total causada a esfuerzo 100 o 3200
18
16
Deformacion Recuperada
14
% Strain
12
10
8
6
Deformacion Permanente
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Tiempo global (seg.)
Fig.12- Deformación causada durante el segmento Creep, Deformación recuperada durante el
periodo de recovery, Deformación permanente o No recuperable, durante un ciclo CreepRecovery. (%Strain : porcentaje de deformación.)
18
Sandoval / Cremades
strain
5000
4000
% Strain
3000
2000
Esfuerzo en Creep 100 Pa
1000
0
Esfuerzo en Creep 3200 Pa
0
50
100
150
200
Tiempo global (seg.)
Fig. 13- Ciclos creep-recovery de 1 a 10 a 100 Pa en creep, de 11 a 20 a 3200 Pa.
Al aplicar dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa, se puede evaluar la dependencia de la
capacidad elástica del asfalto ante el esfuerzo de corte, además de que la diferencia entre los
primeros y los segundos 10 ciclos junto con la deformación total alcanzada al final de la
prueba dan información sobre la estabilidad y fuerza de la red polimérica formada por el
modificador en el seno del asfalto. Cuanto menor es la diferencia entre la recuperación
elástica del segmento a 100 Pa y la del segmento a 3200 Pa, mas estable y resistente es la
red polimérica del modificador.
19
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
100 Pa
3200 Pa
Deformación recuperada
1000
Deformación
No recuperada
% Strain
100
Deformación recuperada
10
Deformación
No recuperada
0
20
40
60
80
100
Tiempo (seg)
Fig.14- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto modificado con estructura débil.
100 Pa
3200 Pa
Deformación recuperada
100
Deformación
% Strain
No recuperada
10
Deformación recuperada
Deformación
No recuperada
1
0
20
40
60
80
100
Tiempo (seg)
Fig.15- Creep-Recovery a 100 y 3200 Pa, Asfalto modificado con estructura fuerte.
20
Sandoval / Cremades
En la figura 14 se presenta la prueba creep-recovery de un asfalto modificado con estructura
débil, además de que la recuperación elástica en la fase de 100 Pa no es tan buena, existe
una gran diferencia entre esta y la recuperación elástica a 3200 Pa, esto representa que la
estructura polimérica no es capaz de soportar el aumento en el esfuerzo aplicado y las
deformaciones repetidas causadas.
En la figura 15, en cambio, se presenta un asfalto modificado con una estructura fuerte, la
recuperación elástica en la fase de 100 Pa es alta, además de que se observa claramente que
la diferencia entre las recuperaciones elásticas entre los dos esfuerzos 100 y 3200 Pa es
pequeña, lo que indica que su estructura es resistente y no se ve afectada en gran medida por
el aumento de esfuerzo y las deformaciones repetidas.
La prueba se llevo a cabo a las mismas condiciones (temperatura, tiempo, ciclos, esfuerzos
etc.) para los dos asfaltos de las figuras 14 y 15.
Análisis de datos.
En cada ciclo creep-recovery es necesario registrar cada uno de los siguientes parámetros:
ε0 Valor inicial para la deformación en el principio del segmento creep para cada ciclo.
εc Valor de la deformación al final del segmento creep para cada ciclo.
ε1 Valor de la deformación total causada durante el segmento creep de cada ciclo, calculado
como εc- ε0 .
εr Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, es la
deformación total acumulada hasta este ciclo.
ε10 Valor de la deformación al final del segmento de recuperación de cada ciclo, calculado
como εr- ε0 , es la deformación no recuperada en cada ciclo.
21
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
strain
24
ε
22
c
20
18
16
Recovery
% Strain
14
12
10
ε1
8
Creep
6
ε
4
ε10
r
2
0
ε
-2
-4
-4
-2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo global (seg.)
Para cada uno de los ciclos a 100 Pa es necesario calcular el porcentaje de recuperación
como sigue:
ε (100, N ) =
(ε 1 − ε 10 ) ∗ 100
ε1
De igual forma para cada uno de los ciclos a 3200 Pa es necesario calcular el porcentaje de
recuperación como sigue :
ε (3200, N ) =
(ε1 − ε10 ) ∗ 100
ε1
Con estos resultados se calcula el promedio de las recuperaciones elásticas (%εr) para los
diez ciclos en los dos niveles de esfuerzo, 100 y 3200 Pa.
%ε r (100, prom.) = ∑(ε r (100, N )) / 10
N = 1 a 10
%ε r (3200, prom.) = ∑(ε r (3200, N )) / 10
N = 1 a 10
22
Sandoval / Cremades
20000
Asfalto con estructura debil
y baja recuperación elástica
% Strain
% Strain
15000
10000
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
Primeros 10 ciclos
100 Pa
0
20
40
60
80
100
Tiempo global (seg)
5000
Asfalto con estructura fuerte
y alta recuperación elástica
0
Segundos 10 ciclos 3200 Pa
0
50
100
150
200
Tiempo global (seg)
Además es importante tomar en cuenta la deformación total acumulada al final de los 20 ciclos
ya que esta nos puede dar una idea mas clara del comportamiento del asfalto, tanto de su
resistencia ante la deformación como de su capacidad de recuperar las deformaciones.
23
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
PARTE EXPERIMENTAL
Para la realización de este estudio se emplearon cinco Asfaltos diferentes, uno virgen y cuatro
modificados, modificados con procesos y materias primas diferentes.
Todos los Asfaltos modificados son clasificados como PG76-XX, aunque presentan diferentes
características en base a los modificadores y procesos de modificación empleados.
#
Asfalto
Tipo
PG (RTFO)
Virgen
70-XX
1
AC-20 Salamanca
2
Asfalto con R.E.T. y Acido Polifosforico
Modificado
76-XX
3
Asfalto con polímero tipo E.V.A.
Modificado
76-XX
4
Asfalto Oxidado con Acido Polifosforico
Modificado
76-XX
5
Asfalto con polímero tipo SB, SBS y Ag. Ret.
Modificado
76-XX
RET : Terpolímero Elastomerico Reactivo
Procedencia de los asfaltos.
1-AC-20 Salamanca : Procedente de la refinería de Salamanca en Guanajuato, empleado
como base para los modificados 2, 3 y 4.
2-Asfalto modificado con polímero R.E.T. y como catalizador Acido Polifosforico.
3-Asfalto modificado con Etil Vinil Acetato E.V.A.
4-Asfalto modificado oxidado con Acido Polifosforico.
5-Asfalto modificado Comercial, modificado con polímero tipo SB o SBS y agente de
reticulación (Ag. Ret.).
Además para algunos otros cálculos se emplearon asfaltos vírgenes de diferentes zonas del
país como: AC-20 de la refinería de Tampico Madero, AC-20 de la refinería de Cadereyta
Nuevo León, AC-5 de la refinería de Salamanca Guanajuato.
Los asfaltos 2,3 y 4 son fabricados en laboratorio, la muestra 5 fue proporcionada por una
empresa productora de asfalto modificado.
24
Sandoval / Cremades
ANÁLISIS EMPÍRICO
Se realizo un análisis empírico a todas las muestras, que incluye las siguientes pruebas:
Prueba
Método
M-MMP-4-05-006/00 SCT
M-MMP-4-05-006/00 SCT
M-MMP-4-05-009/00 SCT
M-MMP-4-05 -024/02 SCT
D 608 4-97 ASTM
M-MMP-4-05-011/00 SCT
M-MMP-4-05-023/02 SCT
M-MMP-4-05-005/02 SCT
M-MMP-4-05-022/02 SCT
M-MMP-4-05-010/02 SCT
Penetración a 25°C
Penetración a 4°C
Punto de Reblandecimiento
Recuperación Elástica por Torsión a 25°C
Recuperación Elástica por Ductilometro a 25°C
Ductilidad a 4°C
Resilencia a 25°C
Viscosidad Brookfield a 135°C
Separación en Asfalto Modificado por Anillo y Esfera
Pruebas al Residuo de la Película Delgada en RTFO
RESULTADOS
PRUEBA
AC-20
Salamanca
Asfalto
Asfalto
Modificado
Modificado con
R.E.T. y
SB, SBS y agente
Ac.Polifosforico
reticulante
Asfalto
Oxidado con
Ac.
Polifosforico
Asfalto
Modificado
con E.V.A.
Penetración a 25°C (1/10mm)
45
42
65
34
57
Penetración a 4°C (1/10mm)
24
20
24
18
22
Reblandecimiento (°C)
50
65
56
58
56
9
50
60
13
20
20
82
83
33
45
----
5
17
----
6
7
27
22
12
15.5
Viscosidad Brookfield 135°C (cps)
424
1637
917
288
698
Separación por Anillo y Esfera (°C)
N.A.
1
0
NA
2
Perdida de masa por
calentamiento (%)
Penetración a 25°C (1/10mm)
0.36
0.61
0.78
0.39
0.41
24
26
30
18
25
Penetración a 4°C (1/10mm)
14
14
15
11
14
Reblandecimiento (°C)
59
74
66
66
64
Rec. Elástica por Ductilometro
25°C (%)
Ductilidad a 4°C (cm)
33
79
82
38
44
----
----
----
----
----
Resiliencia a 25°C (%)
20
23
29
24
22
735
3673
1733
588
1342
Rec. Elástica por Torsión 25°C (%)
Rec. Elástica por Ductilometro
25°C (%)
Ductilidad a 4°C (cm)
Resiliencia a 25°C (%)
Viscosidad Brookfield 135°C (cps)
25
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Los resultados del análisis empírico demuestran las diferencias existentes entre las muestras
de asfaltos modificados analizados, principalmente en las recuperaciones elásticas, por
torsión y ductilometro. Los asfaltos modificados con polímeros elastoméricos como
Terpolimero Elastomerico Reactivo (R.E.T.) y los tipo SB, SBS presentan recuperaciones
elásticas altas, a diferencia del asfalto oxidado con ácido polifosfórico y plastómero tipo
E.V.A., estos presentan recuperaciones elásticas bajas. Sin embargo en otros resultados
como el punto de reblandecimiento presentan valores similares. Otra diferencia notable se
encuentra en la viscosidad brookfield , los valores mas altos representan una mayor
resistencia al flujo, este es un factor importante para estimar la resistencia ante la deformación
permanente.
Este tipo de análisis nos da una idea de la consistencia del asfalto pero no nos da información
sobre el comportamiento que tendrá el asfalto en el pavimento.
ANÁLISIS REOLÓGICO
Se realizo el análisis reológico mediante los métodos antes descritos:
METODO
PARÁMETRO EVALUADO
G*
SUPERPAVE
senδ
G*
SUPERPAVE REFINADO
1 − (1 / tan δsenδ )
VISCOSIDAD A CORTE CERO
Log (η0)
CREEP REPETIDO
%ε r (100 Pa ) , %ε r (3200 Pa ) ,
% deformación total acumulada
26
Sandoval / Cremades
METODO SUPERPAVE
G*
senδ
Se determino el grado de desempeño empleando el método SHRP-SUPERPAVE conforme a
la metodología AASHTO TP-5 o su homologo en la normativa Mexicana M-MMP-4-05-025/02,
el análisis se llevo a cabo en un Reómetro de Corte Dinámico AR-2000, la prueba se llevo a
cabo a las temperaturas de 70, 76 y 82°C, controlad a por deformación a 10% para asfalto
original y 12% para asfalto envejecido por RTFO. El esfuerzo aplicado es el necesario para
causar las deformaciones antes mencionadas y es determinado por el reómetro.
Asfaltos Originales, G*/sen δ = 1.0 kPa
Muestra
Tipo de Asfalto
AC-20 Salamanca virgen
64°C
δ
G*
senδ
1.69
Muestra
Tipo de Asfalto Modificado
70°C
84.51
G*
senδ
0.80
70°C
δ
SB, SBS + Agente Reticulante
G*
63.37
senδ
1.56
1.66
73.16
Oxidado con Acido Polifosforico
1.85
E.V.A.
1.43
R.E.T. + Acido Polifosforico
δ
86.14
G*
senδ
0.39
76°C
G*
senδ
2.56
76°C
δ
87.40
82°C
δ
G*
δ
64.09
senδ
0.92
65.45
0.89
76.47
0.48
80.08
78.25
0.96
80.51
0.52
82.54
82.31
0.73
84.18
0.39
85.72
27
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Asfaltos RTFO, G*/sen δ = 2.2 kPa
Muestra
Tipo de Asfalto
64°C
δ
G*
senδ
5.59
AC-20 Salamanca virgen
Muestra
Tipo de Asfalto Modificado
70°C
77.92
G*
senδ
2.56
70°C
δ
SB, SBS + Agente Reticulante
G*
58.61
senδ
3.57
4.71
65.08
Oxidado con Acido Polifosforico
5.62
E.V.A.
6.78
R.E.T. + Acido Polifosforico
δ
δ
G*
senδ
1.22
80.83
76°C
G*
senδ
5.98
76°C
83.28
82°C
δ
δ
G*
58.82
senδ
2.19
59.57
2.561
67.81
1.39
71.39
69.04
2.98
71.65
1.61
74.37
72.17
3.49
75.17
1.76
78.14
Se encontraron los siguientes grados de desempeño PG, Asfaltos envejecidos RTFO
Tipo de Asfalto Modificado
PG
Tf (°C)
δ
G*/sen δ
G*/senδ>2.2kPa
(°)
(kPa)
AC-20 Salamanca virgen
70
71.32
80.83
2.56
R.E.T. + Acido Polifosforico
76
81.9
58.82
3.57
SB, SBS + Agente Reticulante
76
77.51
67.81
2.56
Oxidado con Acido Polifosforico
76
79.00
71.65
2.98
E.V.A.
76
80.06
75.17
3.49
Los valores de G*/senδ y δ, son a 76°C para los asfaltos modificados y a 70°C par a el AC-20
Salamanca
28
Sandoval / Cremades
El método SUPERPAVE clasifica los asfaltos modificados analizados como PG 76-XX
(Excepto el AC-20 Salamanca que se usa solo como referencia) a pesar de que en los análisis
empíricos algunas de las muestras de asfalto modificado presentan muy poca recuperación
elástica, por ejemplo los modificados con E.V.A. y el Oxidado con Acido Polifosforico, en
cambio otros presentan Recuperaciones Elásticas altas como el modificado con Terpolimero
Elastomerico Reactivo (R.E.T.) y el modificado con polímero tipo SB, SBS. Estas diferencias
se explican en la siguiente tabla.
Rec. Elástica
Tipo de Asfalto Modificado
AC-20 Salamanca virgen
PG
por Torsión
(RTFO) 25 °C (%)
9
70
Rec. Elástica por
Ductilometro 25 °C
(RTFO) (%)
33
Viscosidad
Brookfield 135°C
(RTFO) (cP)
735
R.E.T. + Acido Polifosforico
76
50
79
3673
SB, SBS + Agente Reticulante
76
60
82
1733
Oxidado con Acido Polifosforico
76
13
38
588
E.V.A.
76
20
44
1342
Además es importante observar la viscosidad brookfield (medida a 135°C en el asfalto
envejecido) este valor indica la resistencia al flujo que ofrece cada uno de los asfaltos
modificados, de igual forma los valores mas elevados corresponden a los asfaltos modificados
con R.E.T. y modificado con polímero tipo SB, SBS, cuanto mayor es la viscosidad mas difícil
es que el asfalto se deforme.
Este es uno de los motivos por los cuales los técnicos en asfaltos en el mundo y
especialmente los creadores de SHRP se han dado a la tarea de buscar otros parámetros y
métodos para la caracterización de asfaltos y principalmente para poder predecir el
desempeño que tendrá el asfalto en campo.
A continuación se presentan los resultados obtenidos con los mismos asfaltos modificados
empleando los diferentes métodos de clasificación por reología, mencionados anteriormente.
29
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
CRITERIO SUPERPAVE REFINADO
G*
1−
1
senδ ⋅ tanδ
El procedimiento para determinar el grado de desempeño mediante SUPERPAVE REFINADO
es el mismo que en SHRP-SUPERPAVE, conforme a la metodología AASHTO TP-5 o su
homologo en la normativa Mexicana M-MMP-4-05-025/02, la única diferencia es que el
parámetro a evaluar es G *
y no G *
.
senδ
1
1−
senδ ⋅ tanδ
El análisis se llevo a cabo en un Reómetro de Corte Dinámico AR-2000, la prueba se llevo a
cabo a las temperaturas de 70, 76 y 82 y en algunos casos 88 °C, controlada por deformación
a 12% para asfalto envejecido por RTFO. El esfuerzo aplicado es el necesario para causar las
deformaciones antes mencionadas y es determinado por el reómetro.
Asfaltos RTFO, G*/sen δ ó G*/1-(1/(senδ tanδ)) = 2.2 kPa
SUPERPAVE,
G*/senδ>2.2kPa
Tipo de Asfalto Modificado
SUPERPAVE REFINADO,
G*/1-(1/(tanδsenδ))>2.2kPa
PG
T f (°C)
∆Tf (°C)
PG
Tf (°C)
δ (°)
AC-20 Salamanca virgen
70
71.32
80.83
70
72.33
1.01
R.E.T.+ Acido Polifosforico
76
81.9
58.82
88
91.46
9.56
SB, SBS + Agente Reticulante
76
77.51
67.81
76
81.84
4.33
Oxidado con Acido Polifosforico
76
79.00
71.65
76
81.71
2.71
E.V.A.
80.06
75.17
76
76
∆Tf diferencia con la temperatura de falla determinada con G*/senδ
81.11
1.05
Aunque el método SUPERPAVE G*/sen δ clasifica a todos los asfaltos modificados como PG
76-XX, el método SUPERPAVE REFINADO G*/1-(1/(tanδsenδ)) resalta una notable diferencia
en el asfalto modificado con R.E.T. y Acido polifosforico PG 88-XX con una temperatura de
falla de 91.4°C, es importante mencionar la diferen cia entre el ángulo de fase de este asfalto
58.82° y los de los demás modificados 67.8, 71.6 y 75.17°. Cabe señalar que el aumento en la
temperatura de falla es inversamente proporcional al valor del ángulo de fase.
Por lo tanto el método SUPERPAVE refinado da mayor importancia al ángulo de fase.
30
Sandoval / Cremades
Viscosidad A CORTE CERO
η0 .
Para la determinación del grado de desempeño mediante la viscosidad a corte cero η0 se
realizaron barridos de frecuencia de 0.1 a 100 rad/seg, (ó de 0.01 a 100 rad/seg en los casos
que fue necesario), el esfuerzo aplicado es el mismo empleado en la metodología
SUPERPAVE (cuando la prueba es controlada por esfuerzo) y en un rango de temperaturas
de 30 °C al rededor de la temperatura de falla dete rminada con el método SUPERPAVE. Se
genera una grafica de comportamiento de Log(η0) vs T de la cual se determino la temperatura
de falla y el grado de desempeño, para cada uno de los asfaltos modificados.
Se determinó el valor del parámetro Log(η0)= 2.39 para asfaltos envejecidos RTFO, este valor
se determino de curvas de comportamiento de asfaltos vírgenes, como se explico en el
apartado de Viscosidad a Corte Cero en la Introducción.
Curvas de comportamiento
Asfaltos Modificados Envejecidos RTFO
2.8
2.6
2CAmod RET 76RTFO
6CAmodSBS76RTFO
Log (η0 ) (η0 en Pas)
2.4
2.2
2.0
4CAmodEVA76RTFO
1.8
5CAoxidado76RTFO
1.6
1.4
1.2
65
70
75
80
85
Temperatura (°C)
31
90
95
100
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Asfaltos Modificados Envejecidos RTFO
SUPERPAVE,
G*/senδ>2.2kPa
Tipo de Asfalto Modificado
Viscosidad a Corte Cero
Log(η0)> 2.39
PG
T f (°C)
∆Tf (°C)
PG
Tf (°C)
δ (°)
AC-20 Salamanca virgen
70
71.32
80.83
70
71.32
0.00
R.E.T. + Acido Polifosforico
76
81.9
58.82
94
94.9
13.00
SB, SBS + Agente Reticulante
76
77.51
67.81
76
81.31
3.80
Oxidado con Acido Polifosforico
76
79.00
71.65
76
81.19
2.19
E.V.A.
80.06
75.17
76
76
∆Tf diferencia con la temperatura de falla determinada con G*/senδ
76.06
- 4.0
Empleando como parámetro para estimar el desempeño del asfalto, la Viscosidad a Corte
Cero, se obtienen resultados con la misma tendencia entre las temperaturas de falla de los
métodos SUPERPAVE REFINADO y Viscosidad a Corte Cero y de igual forma la diferencia de
estos contra los resultados del método SUPERPAVE.
Este método también resalta un notable aumento en la temperatura de falla del asfalto
modificado con R.E.T. y Acido Polifosforico de13°C, esto se relaciona con su ángulo de fase
bajo 58.82° y su alta resistencia al flujo, ofrecie ndo este la mayor resistencia ante la
deformación permanente, además el aumento en los asfaltos modificados con polímero tipo
SB, SBS y el oxidado con ácido polifosforico son mas o menos del mismo orden en los dos
métodos.
En la siguiente tabla se comparan los resultados entre los tres métodos, es muy importante
notar la similitud entre los resultados. Para los asfaltos AC-20 Salamanca virgen, el asfalto
modificado con polímero SB, SBS + agente reticulante, el oxidado con Acido Polifosforico y el
modificado con plastómero, Asfaltos que presentan ángulos de fase altos, los tres métodos los
clasifican como PG 76-XX, solo se nota un importante aumento en el PG y la temperatura de
falla con el asfalto modificado con R.E.T. y Acido Polifosforico, asfalto que presenta un ángulo
de fase bajo, lo que refleja un mejor desempeño ante la deformación permanente.
Tipo de Asfalto
Modificado
SUPERPAVE,
G*/senδ>2.2kPa
PG
Tf (°C)
δ (°)
SUPERPAVE REFINADO,
G*/1-(1/(tanδsenδ))>2.2kPa
PG
T f (°C)
∆Tf
(°C)
AC-20 Salamanca
71.32 80.83
72.33 1.01
70
70
virgen
R.E.T. + Acido
81.9 58.82
91.46 9.56
76
88
Polifosforico
SB, SBS + Agente
77.51 67.81
81.84 4.33
76
76
Reticulante
Oxidado con Acido
79.00 71.65
81.71 2.71
76
76
Polifosforico
E.V.A.
80.06 75.17
81.11 1.05
76
76
∆Tf diferencia con la temperatura de falla determinada con G*/senδ
32
Viscosidad a Corte Cero
Log(η0)> 2.39
∆Tf
PG
Tf (°C)
70
71.32
0.00
94
94.9
13.00
76
81.31
3.80
76
81.19
2.19
76
76.06
- 4.0
(°C)
Sandoval / Cremades
PRUEBA DE RECUPERACIÓN ELASTICA MULTI-ESFUERZO EN CREEP REPETIDO.
Esta metodología se llevo a cabo bajo las siguientes condiciones:
Se realizaron 20 ciclos Creep-Recovery divididos en dos segmentos de 10 ciclos cada uno.
Primeros 10 ciclos:
Se empleo un esfuerzo de 100 Pa con un periodo de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el
periodo de Recovery (Recuperación).
Segundos 10 ciclos:
Se empleo un esfuerzo de 3200 Pa con un periodo de Creep de 1 segundo y 9 segundos en el
periodo de Recovery (Recuperación).
Se realizan los siguientes cálculos:
Promedio de porcentaje de recuperación elástica en los primeros 10 ciclos a 100 Pa
%ε r (100, prom.) = ∑(ε r (100, N )) / 10
N = 1 a 10
Promedio de porcentaje de recuperación elástica en los segundos 10 ciclos a 3200 Pa
%ε r (3200, prom.) = ∑(ε r (3200, N )) / 10
N = 1 a 10
Diferencia absoluta entre los porcentajes de recuperación elástica a 100 y 3200 Pa
Rdif (100 Pa − 3200 Pa ) = %ε r (100, prom.) − %ε r (3200, prom.)
Además se toma en cuenta la deformación máxima acumulada después de los 20 ciclos
Creep-Recovery
Las pruebas se realizaron a la temperatura de grado de desempeño 76°C (70°C para el
asfalto virgen), enseguida se presentan los resultados.
En las siguientes graficas de la prueba Creep-Recovery, se presenta la deformación
normalizada, se presenta la deformación alcanzada y recuperada por ciclo, dividido en los dos
niveles de esfuerzo 100 y 3200 Pa. Este tipo de graficas permiten observar mas claramente la
cantidad de deformación recuperada en cada ciclo, lo que ofrece una idea grafica de la
capacidad elástica del asfalto.
33
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Creep-Recovery AC-20 Salamanca Virgen RTFO
100 Pa
3200 Pa
Deformación recuperada 2%
AC-20 Salamanca RTFO
1000
Deformación
No recuperada
100
% Strain
Deformación recuperada 0%
Deformación
10
No recuperada
0
20
40
60
80
100
Tiempo (seg)
Para el asfalto virgen no existe deformación recuperada en ninguno de los dos niveles de
esfuerzo, esto evidencia la poca capacidad del asfalto de recuperar las deformaciones, esto
resulta obvio debido a que se trata de un asfalto virgen.
34
Sandoval / Cremades
Creep-Recovery Asfalto modificado con R.E.T. y Acido Polifosforico RTFO
100 Pa
3200 Pa
1000
Asfalto Modificado con R.E.T.
y Acido Polifosforico
Deformación
recuperada 68 %
100
% Strain
Deformación
No recuperada
10
Deformación
recuperada
75%
Deformación
No recuperada
0
20
40
60
80
100
Tiempo (seg)
El Asfalto Modificado con R.E.T. presenta recuperaciones elásticas en creep altas, esto
denota una buena resistencia ante la deformación permanente además de que la diferencia
pequeña entre la recuperación de los dos niveles de esfuerzo, refleja una estructura estable
que no se ve afectada por el incremento en el esfuerzo aplicado.
35
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Creep-Recovery Asfalto modificado (comercial) con polímero tipo SB, SBS y agente
reticulante RTFO
100 Pa
3200 Pa
Asfalto modificado con
polimero tipo SB, SBS
Deformación recuperada 11 %
1000
Deformación
No recuperada
% Strain
100
Deformación recuperada 32 %
10
Deformación
No recuperada
0
20
40
60
80
100
Tiempo (seg)
El Asfalto Modificado con polímero tipo SB, SBS presenta recuperaciones elásticas en creep
regulares, esto denota una medianamente aceptable resistencia ante la deformación
permanente además de que la diferencia notable entre la recuperación de los dos niveles de
esfuerzo, refleja una estructura regularmente estable que se ve afectada de manera
importante por el incremento en el esfuerzo aplicado.
36
Sandoval / Cremades
Creep-Recovery Asfalto Oxidado con Acido Polifosforico RTFO
100 Pa
3200 Pa
Asfalto Oxidado con
Acido Polifosforico
Deformación recuperada 0 %
1000
Deformación
No recuperada
% Strain
100
Deformación recuperada 26 %
10
Deformación
No recuperada
0
20
40
60
80
100
Tiempo (seg)
El Asfalto Modificado Oxidado con Acido Polifosforico presenta recuperaciones elásticas en
creep bajas, esto denota poca resistencia ante la deformación permanente además de que la
diferencia notable entre la recuperación de los dos niveles de esfuerzo, refleja una estructura
regularmente estable que se ve afectada de manera importante por el incremento en el
esfuerzo aplicado.
37
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Creep-Recovery Asfalto modificado con polímero tipo E.V.A. RTFO
100 Pa
3200 Pa
Asfalto Modificado con
polimero tipo E.V.A.
Deformación recuperada 0 %
1000
Deformación
% Strain
No recuperada
100
Deformación recuperada 27 %
10
Deformación
No recuperada
0
20
40
60
80
100
Tiempo (seg)
El Asfalto Modificado con polímero tipo E.V.A. presenta recuperaciones elásticas en creep
bajas, esto denota poca resistencia ante la deformación permanente además de que la
diferencia notable entre la recuperación elástica de los dos niveles de esfuerzo, refleja una
estructura poco estable que se ve afectada de manera importante por el incremento en el
esfuerzo aplicado.
En la tabla siguiente se presenta un comparativo entre los resultados de los diferentes
asfaltos, Recuperación Elástica en creep repetido, a 100 y 3200 Pa, la diferencia entre las
recuperaciones elásticas de estos dos niveles de esfuerzo y la deformación máxima
acumulada.
38
Sandoval / Cremades
Los asfaltos AC-20 Salamanca virgen y el modificado con polímero tipo EVA presentan las
deformaciones acumuladas mas altas entre los asfaltos empleados para este estudio, la
deformación alcanzada al final de cada ciclo es alta además de que la recuperación elástica
en cada ciclo es baja lo que provoca una acumulación alta de deformaciones permanentes.
Tipo de Asfalto
Valores
recomendables
AC-20 Salamanca
virgen
R.E.T. + Acido
Polifosforico
SB, SBS + Agente
Reticulante
Oxidado con Acido
Polifosforico
E.V.A.
SUPERPAVE,
G*/senδ>2.2kPa
PG
Tf (°C)
δ (°)
---
---
----
Temp.
de
Prueba
% εr
% εr
a 100
Pa
a 3200 Pa
(100Pa3200Pa)
----
----
15
mínimo
70
máximo
----
Rdif
% Def.
máxima
acumulada
70
71.32 80.83
70
2
0 (-6)
8
13683
76
81.9
58.82
76
75
68
7
1339
76
77.51 67.81
76
32
11
21
8886
76
79.00 71.65
76
26
0 (-3)
29
9608
76
80.06 75.17
76
27
0 (-3)
30
18260
% εr :
Porcentaje de recuperación elástica en Creep Repetido.
Rdif :
Diferencia entre % εr a 100 Pa y % εr a 3200 Pa.
% Def. máxima acumulada : Deformación alcanzada al final de los 20 ciclos Creep-Recovery.
En la siguiente grafica se presenta el comparativo de las pruebas de Creep-Recovery para
todos los asfaltos analizados en este estudio, la deformación alcanzada es la acumulada al
final de los 20 ciclos, los primeros 10 a 100Pa y los 10 siguientes a 3200 Pa la temperatura de
prueba fue de 76 °C.
Se establece un valor mínimo a la recuperación elástica a 3200 Pa porque algunos asfaltos
modificados con plastómeros podrían presentar buena elasticidad a 100 Pa pero al aumentar
el nivel de esfuerzo a 3200 se da una caída importante en este comportamiento, por lo que a
este esfuerzo es mas fácil encontrar diferencias.
El máximo en la diferencia entre 100 y 3200 Pa se establece porque se pretende garantizar la
estabilidad de la estructura de asfalto al recibir una carga. La estabilidad puede estimarse
basándose en la linealidad de su comportamiento elástico al variar el esfuerzo.
39
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
GRADO PG
Deformación total acumulada
20000
18260
18000
Asfalto modificado con E.V.A.
16000
13683
14000
AC-20 Salamanca
% Strain
12000
9608
10000
Asfalto Oxidado con Acido Polifosforico
8886
8000
6000
Asfalto modificado (comercial)
4000
2000
con polimero tipo SB, SBS
1339
Asfalto modificado con R.E.T.
0
-2000
0
50
100
150
200
Tiempo global (seg)
El mejor desempeño lo presento el asfalto modificado con R.E.T. y acido polifosforico,
presentando la menor acumulación de deformación permanente, gracias a su alta capacidad
de recuperar las deformaciones causadas al aplicarle un esfuerzo. Este comportamiento se
comprueba a lo largo de los diferentes análisis realizados SUPERPAVE (en el cual presento
PG76-XX), SUPERPAVE refinado (en el cual alcanzo PG 88-XX), Viscosidad a Corte Cero (en
el cual alcanzo PG 94-XX) y Creep Repetido, en todos los anteriores presento el mejor
desempeño ante la deformación permanente.
El asfalto modificado con polímero tipo SB, SBS y el oxidado con Acido Polifosforico
presentan un desempeño similar, situación que de igual forma se presentó en los análisis
reológicos antes mencionados, en los métodos SUPERPAVE , SUPERPAVE refinado y
Viscosidad a Corte Cero, ambos mantuvieron el PG 76 con cercana temperatura de falla.
El desempeño mas bajo lo presento el asfalto modificado con polímero tipo E.V.A. el cual
mediante el método SUPERPAVE presento un PG76-XX y aunque en los métodos
SUPERPAVE refinado y Viscosidad a Corte Cero mantuvo el grado 76-XX, en las pruebas de
Creep Repetido acumulo la mayor cantidad de deformación permanente. Esto puede
40
Sandoval / Cremades
explicarse por varias razones, el tener un ángulo de fase alto de aproximadamente 75°, lo
convierte en un asfalto con una alta capacidad de disipar energía lo que explica que ofrezca
poca resistencia al flujo, siendo un asfalto fácil de deformar. Además la pobre capacidad
elástica reflejada tanto por el ángulo de fase como por las recuperaciones elásticas por torsión
(de 20%) y por ductilometro (de 44%) en cierta medida explican su poca capacidad para
recuperar las deformaciones causadas al aplicarle un esfuerzo.
El hecho de que el asfalto modificado con polímero tipo SB, SBS presentara un
comportamiento similar al del asfalto oxidado, aunque presentara los valores mas altos de
Recuperaciones elásticas por torsión de 60% y por ductilometro de 83%, en el análisis
empírico, se puede explicar de la siguiente forma:
El comportamiento de los materiales viscoelasticos es altamente dependiente de la
temperatura y del esfuerzo aplicado. Aunque a temperaturas relativamente bajas como 25°C,
a la cual se llevan acabo las pruebas de recuperación elástica (por torsión y ductilometro)
domina la componente elástica, al subir la temperatura de trabajo el dominio va pasando a la
componente viscosa, lo que provoca que el asfalto modificado de ser un asfalto con una alta
capacidad elástica se convierta en un asfalto con capacidad alta de disipar energía, lo que lo
hace fácil de deformar y poco capaz de recuperar las deformaciones. Por otro lado al aplicar
esfuerzos grandes la estructura no es capaz de resistir dichos esfuerzos y cede ante el corte
provocando deformaciones importantes.
Enseguida se presentan los resultados obtenidos para las muestras de asfalto modificado
antes mencionadas, a las temperaturas de falla de cada uno de ellos (Temperatura a la cual
G*
= 2.2kPa ), esto para estimar su desempeño bajo las mismas condiciones ya que se
senδ
presentan algunas diferencias en este parámetro.
Tipo de Asfalto Modificado
PG
Tf (°C)
δ
G*/sen δ
G*/senδ=2.2kPa
(°)
(kPa)
AC-20 Salamanca virgen
70
71.32
80.83
2.56
R.E.T. + Acido Polifosforico
76
81.9
58.82
3.57
SB, SBS + Agente Reticulante
76
77.51
67.81
2.56
Oxidado con Acido Polifosforico
76
79.00
71.65
2.98
E.V.A.
76
80.06
75.17
3.49
Los valores de G*/senδ y δ, son a 76°C para los asfaltos modificados y a 70°C par a el AC-20 Salamanca
41
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
Deformación total acumulada
Temperatura de falla
30000
30212
Asfalto modificado con E.V.A.
Tf= 80.06°C
25000
AC-20 Salamanca
% Strain
20000
Tf= 71.32°C
15657
Asfalto Oxidado con Acido Polifosforico
15000
Tf= 79°C
12738
Asfalto modificado (comercial)
10000
10515
con polimero tipo SB, SBS
Tf= 77.55°C
5000
Asfalto modificado con R.E.T.
Tf= 81.9°C
3083
0
0
50
100
150
200
Tiempo global (seg)
En las pruebas a la temperatura de falla los asfaltos mantienen el comportamiento que se
presento en las pruebas a la temperatura de PG, aunque obviamente con deformaciones
mayores ya que se trabaja a mayor temperatura. El asfalto modificado con R.E.T. y Acido
polifosforico presento el mejor comportamiento, seguido por el asfalto modificado con el
polímero tipo SB, SBS y Agente reticulante enseguida el oxidado con Acido polifosforico, el
AC-20 virgen y el modificado con plastómero EVA.
42
Sandoval / Cremades
En el Laboratorio de mezclas asfálticas de SURFAX se prepararon pastillas con los asfaltos
empleados en este trabajo. Se emplearon las mismas condiciones y características en la
fabricación de las mezclas y las pastillas, material, granulometría, grado de compactación,
solo varían los asfaltos y lógicamente las temperaturas de mezclado y compactación
dependen del tipo de asfalto.
A cada uno de los tipos de mezcla (tipo de asfalto) se le causaron deformaciones con una
maquina de pista a 60°C.
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Mezcla Asfaltica,
200
AC-20 Salamanca Virgen
180
Mezcla Asfaltica,
Deformación (1/1000 plg)
160
Asfalto Oxidado
140
Mezcla Asfaltica, Asfalto
120
modificado con polimero E.V.A.
100
Mezcla Asfaltica Asfalto,
80
modificado con polimero S.B.S.
60
Mezcla Asfaltica, Asfalto
40
modificado con R.E.T.
20
0
-20
0
500
1000
1500
2000
2500
N. de Ciclos
En los resultados de la maquina de pista se observa que el asfalto modificado con Terpolimero
Elastomerico Reactivo (R.E.T.) presenta la menor deformación permanente, dato que
concuerda con los resultados de los métodos reológicos antes descritos, seguido por el asfalto
modificado con el polímero tipo SB o SBS, el modificado con polímero tipo E.V.A., el asfalto
oxidado y el asfalto virgen.
Este comportamiento es dependiente de la temperatura y seguramente si se realizan pruebas
a temperaturas mas altas, las mezclas presentaran comportamientos distintos, debido a la
dependencia del comportamiento de los asfaltos ante la temperatura.
43
Análisis de asfaltos mediante Creep Repetido
CONCLUSIONES.
1- Se establecieron los métodos de prueba para los métodos SUPERPAVE refinado,
Viscosidad a Corte Cero y Recuperación Elástica en Creep Repetido.
2- El método Creep-Recovery ofrece información muy importante sobre el comportamiento
del asfalto al recibir cargas repetidas y niveles de esfuerzo diferentes. Además permite
evaluar la capacidad elástica real del asfalto, al dejarlo recuperar las deformaciones
libremente sin la participación del Reómetro durante el periodo de recuperación.
3- Se encontró una buena correlación entre los tres métodos antes mencionados, fue
posible fundamentar las diferencias encontradas contra el método SUPERPAVE.
4- Los métodos SUPERPAVE refinado y Viscosidad a Corte Cero arrojan resultados
numéricos muy similares en cuanto a Grados de Desempeño PG y Temperaturas de
falla.
5- Los resultados obtenidos en los métodos SUPERPAVE refinado y Viscosidad a Corte
Cero son comparables con los resultados obtenidos en la prueba de recuperación
elástica en Creep Repetido. El asfalto modificado con Terpolimero Elastomerico
Reactivo (R.E.T.) y Acido Polifosforico presento el mejor desempeño en todos los
métodos. El asfalto modificado con polímero tipo SB, SBS y el asfalto oxidado con
Acido Polifosforico, presentaron comportamiento similar en todos los métodos.
6- Existe correlación entre los resultados obtenidos mediante el Reómetro de Corte
dinámico y las deformaciones permanentes obtenidas en las pruebas de la maquina de
pista.
7- En el método Creep Repetido el comportamiento de los asfaltos modificados se
mantiene a las dos temperaturas probadas, PG y Temperatura de falla.
44
Sandoval / Cremades
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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of Asphalt”. Journal Of Transportation Engineering, Vol. 127, 357-362. (2001).
2.Shenoy A. “Model-fitting the Master Curves of the Dynamic Shear
Rheometer Data to Extract a Rut-Controlling Term for Asphalt Pavements”
Journal of Testing and Evaluation, Vol. 30, No. 2, March 2002.
3.Cremades I.,Sandoval I., “Caracterización de Asfaltos Mexicanos Mediante
Pruebas Empíricas y Estudios Reológicos. III Congreso Mexicano del asfalto, Agosto 2003.
4.Rowe, D’Angelo and Sharrock, “Use of the Zero Shear Viscosity as a Parameter for the High
Temperatura Binder Specification Parameter”, 2nd International Symposium on Binder
Rheology and Pavement Performance, September 2002.
5.C. Binard, D. Anderson, L. Lapalu, J.P. Planche, Zero Shear Viscosity of modified and
unmodified binders.
6. J. D’Angelo, R. Dongre, G. Reinke, “Evaluation of Repeated Creep and Recovery Test
Metod as an alternative to SHRP+ requirements for polymer Modified Asphalt Binders.
7.Sandoval I., Cremades I., “Determinación del grado de desempeño del asfalto usando como
parámetro de especificación la viscosidad a corte cero”, IV Congreso Mexicano del Asfalto,
Agosto 2005.
8.J. D’ Angelo, R. Kluttz, R. Dongre. K. Stephens, L. Zanzotto., “Revision of the Superpave
High Temperature Binder Specification: The Multiple Stress Recovery Test”.
9. D’Angelo, J., Dongre, R., “Development of a High Temperature Performance Based Binder
Specification in the United States”.
10. J. de Visscher, H. Soenen, A. Vanelstraete, P.redelius,” A comparision of the Zero Shear
Viscosity from Oscillation tests and the Repeated Creep test”.
Agradecemos a la empresa productora de asfaltos modificados por proporcionarnos
una muestra de su asfalto modificado.
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