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DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO DEL ASFALTO Y DEL TIPO DE MEZCLA ASFÁLTICA (CÓDIGO)

Una de las características de las mezclas asfálticas y propiedades fundamentales es el pleno conocimiento de su modulo de elasticidad dinámico a cortos tiempos de aplicación de carga (stiffness). Con la relación stiffness el método distingue dos tipos de mezclas; la s1, que son mezclas de alta rigidez con contenidos promedios de agregado, asfalto y de vacíos. Las mezclas del tipo S2 son mezclas de baja  rigidez, abiertas que tienen contenido de asfalto bajo y un alto contenido de vacíos.
En cuanto la fatiga, el método distingue dos tipos de mezclas; la F1 que tienen alta resistencia y la F2 que posee baja resistencia.

  1. Determinar el índice de penetración y la temperatura T800 de los diferentes  asfaltos empleados. Conocidas las diferentes penetraciones del asfalto y con la ayuda de la gráfica de Heukelon (figura 52) se determina su T800 y su índice de penetración.
Figura 12. Nomograma para calcular el índice de penetración y la temperatura T800
Fuente. Alfonso Montejo, ingeniería de pavimento para carreteras.
  1. Una vez ya conocido su índice de penetración de cada uno de los asfaltos, 0,2 colombiano y 0,35 venezolano y su  T800 (temperatura a una penetración a 800decimas mm) el cual dio, 49°C y 54°C respectivamente. Se determina el tiempo de aplicación de carga SHELL el cual es de 0,02sg que corresponde a una velocidad del vehículo de 50-60 Km/hora. 
  2. Se indaga sobre la diferencias de temperatura emplearse esto se halla; ΔT= T800- TMezcla, en Colombia se posee un clima tropical y con su factor de ponderación por año se determina el TMezclade 28,3°C. Establecido los 2 valores se calcula el ΔT que es igual a:
  3. ΔT= 49 - 28,3 = 20,7°C  (colombiano)
  4. ΔT= 54 – 28,3 = 25,7°C (venezolano)

Figura 13.Nomograma de Van Der Poel para determinar el modulo dinámico  (stiffness) del asfalto
Fuente: Alfonso Montejo, ingeniería de pavimento para carreteras.
  1. Con los datos determinados del ΔT se entra a la grafica de Van Der Poel (figura 53). partiendo desde la parte inferior con un tiempo de aplicación de carga de 0,02seg, uniendo ese punto con ΔT= 20,7° y 25,7°C respectivamente y prolongando hasta IP= 0,2 y 0,35 a partir de este punto se proyecta paralelamente a las curvas hasta alcanzarla parte superior donde se lee un stiffness del asfalto de:

MódulodeelasticidaddinámicadelasfaltoColombiano=5 X106N/m2
MódulodeelasticidaddinámicadelasfaltoVenezolano=7 X106N/m2

  1. Determinación del stiffness de la mezcla asfáltica. Se emplea la grafica de heukelom (figura 54), es necesario conocer además del stiffness del asfalto, la composición volumétrica de la mezcla asfáltica de acuerdo con el diseño en el laboratorio.

    Dosificación:

    Agregados          77%
    Asfalto              5%
    Aire                   18%
    Se entra a la grafica partiendo del stiffness de cada uno de los asfaltos, para el colombiano de 5x106N/m2y el venezolano de 7x106N/m2 y con el volumen de asfalto correspondiente para las 2 muestras de 5%, se traza la paralela hasta interceptar la línea del volumen del agregado de 77% se proyecta la línea y se obtiene el stiffnes de la mezcla de:
MódulodeelasticidaddinámicadelamezclaColombiana=7 X108N/m2

MódulodeelasticidaddinámicadelamezclaVenezolana=8  X108N/m2


Figura 14. Nomograma para el cálculo de modulo dinámico (stiffness) de la mezcla asfáltica
Fuente: Alfonso Montejo, ingeniería de pavimento para carreteras.

  1. Identificación del código de rigidez de la mezcla (tipo S1 o S2).
Por medio de la figura 55, se entra con el stiffness de los dos asfaltos, 5 X106N/m2 colombiano y 7X106N/m2venezolano y el stiffnes de la mezcla de los diferentes asfaltos 7 X108N/m2 colombiano y 8 X108N/m2 venezolano, se observa para determinar cuál de los puntos tiene mayor confluencia al acercase a la curva.

Se observa para los dos asfalto colombiano y venezolano que el punto de fluencia se halla más cerca de la curva S2, son mezclas de baja  rigidez, abiertas que tienen contenido de asfalto bajo y un alto contenido de vacíos. Por consiguiente este es el tipo de mezcla que hay que adoptar.

Figura 15. Relación entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del asfalto
Fuente: Alfonso Montejo, ingeniería de pavimento para carreteras.
  1. Determinación de la deformación máxima admisible especifica de tracción en la fibra interior de las capas asfálticas.

Para determinar la deformación máxima admisible se emplea la figura 56,  se entra en ella con el stiffness de la mezcla colombiana 7 X108N/m2 y el venezolano 8 X108N/m2. Con un volumen de asfalto del 5%, se prolonga la línea que los une hasta el marco del cuadro, de allí se traza una horizontal hasta hallar la recta que corresponde al tránsito expresado como N ( 5 X106 ejes equivalente de 8,2 toneladas). Se traza una vertical hasta hallar en la abscisa inferior la deformación horizontal por tracción que es respectivamente:
εT=3 X10-4asfaltoColombiano.

εT=2 X10-4asfaltovenezolano.

Figura 16.Nomograma de fatiga para determinación εFAT de la mezcla en función de Sm y Vb

Fuente: Alfonso Montejo, ingeniería de pavimento para carreteras.
Identificación del código de fatiga de la mezcla.
Con las figuras 57 y 58, en ambas graficas se busca el punto de confluencia entre el stiffness de las dos mezclas 7 X108N/m2 colombiano y 7 X108N/m2 venezolano y la deformación por tracción de cada uno, εT=3 X10-4asfaltoColombiano, εT=2 X10-4asfaltovenezolano.
En la figura 57, que corresponde al tipo F1, el punto de confluencia para el asfalto colombiano pertenece a N=5 X107 ejes equivalentes de 8,2 toneladas y para el venezolano pertenece aN=5 X108 ejes equivalentes.
En la figura 58, que corresponde al tipo F2, el punto de confluencia para el asfalto colombiano pertenece a N=5 X106 ejes equivalentes de 8,2 toneladas y para el venezolano pertenece a N=5 X107 ejes equivalentes.
Se adopta un F2 para los dos asfaltos tanto colombiano como venezolano ya que queda más cerca al dato del ejemplo de que es N=5 X106 ejes equivalente de 8,2 toneladas.

         Figura 17. Característica de fatiga F1               Figura 18. Característica de fatiga F2
Fuente: Alfonso Montejo, ingeniería de pavimento para carreteras.
Identificación del código total de la mezcla.
Teniendo en cuanta los resultados obtenidos en la sección 6 y 8, se concluye que las dos diferentes mezclas, colombiana y venezolana son de tipo S2-F2, mezclas de baja  rigidez, abiertas que tienen contenido de asfalto bajo, un alto contenido de vacíos y una baja resistencia. Al código hay que adicionarle el tipo de asfalto empleado con base en la penetración obtenida que es de 68.4 para el colombiano y 65.3 para el venezolano a 25°C, para el cual se adopta el valor 50 (solo existe la elección entre 50 o 100) ya que está más próximo y se obtiene un código de mezcla; S2-F2-50.
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Créditos
Tesis: Diseño de Pavimentos 
Universidad Piloto de Colombia
Por: Sami Pardo y Carlos Gracia.
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FÓRMULAS DE TRABAJO

Cántabro

En el análisis de los resultados obtenidos del ensayo de cántabro en condiciones secas y húmedas, se registraron comportamientos lineales y parabólicos, con algunas dispersiones poco significativas. Con base en los comportamientos de la mezcla para cada tipo de asfalto se determinaron unas fórmulas de trabajo, que representan la línea de tendencia de perdidas por desgaste de la Mezcla Drenante de acuerdo al porcentaje de asfalto y a las condiciones presentadas. La siguiente es la fórmula de trabajo que simula el comportamiento lineal de una Mezcla Drenante con asfalto Barrancabermeja 60-70, en condiciones secas.
P=0,1641CA2-7,9167CA+45,23   ;   R2=0,9911

P=Pérdidas por desgaste (%)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación .

Fórmula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Boscán A-20, en condiciones secas.

P=-0,2079CA2-1,4659CA+22,257   ;  R2=0,994

P=Pérdidas por desgaste (%)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación

A continuación la fórmula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Barrancabermeja 60-70, en condiciones húmedas.

P=-5,3916CA2+26,262CA+63,923   ;   R2=0,9236
P=Pérdidas por desgaste (%)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación

Fórmula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Boscán A-20, en condiciones húmedas.

P=-3,4983CA2+2,7318CA+132,08   ;   R2=0,9861

P=Pérdidas por desgaste (%)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación
P=Pérdidas por desgaste (%)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación

Fórmula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Boscán A-20, en condiciones húmedas.

P=-3,4983CA2+2,7318CA+132,08   ;   R2=0,9861

P=Pérdidas por desgaste (%)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación
Tracción Indirecta
El análisis de los resultados obtenidos del ensayo de Tracción Indirecta en condiciones secas y húmedas, registro tendencias de acuerdo a los porcentajes y a las condiciones a las cuales fueron sometidas las briquetas. De esta manera se determinaron unas formulas de trabajo que modelan linealmente la resistencia de la Mezcla Drenante, de acuerdo al tipo de asfalto, el porcentaje y las condiciones a las cuales fueron sometidas.
La siguiente es la fórmula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Barrancabermeja 60-70, en condiciones secas.

R=-0,979CA2+10,327CA-24,377   ;   R2=0,9351
R=Resistencia (Kg/cm²)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación

Formula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Boscán A-20, en condiciones secas.
R=0,5046CA²-6,0482CA+20,96   ;   R2=0,9699

R=Resistencia (Kg/cm²)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación
A continuación la formula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Barrancabermeja 60-70, en condiciones húmedas.

R=-0,7816CA2+8,4351CA-20,437   ;   R2=0,9226

R=Resistencia (Kg/cm²)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación
Fórmula de trabajo que simula el comportamiento de una Mezcla Drenante con asfalto Boscán A-20, en condiciones húmedas.

R=-0,0157CA2-0,1494CA+3,0744   ;   R2=0,9993

R=Resistencia (Kg/cm²)
CA=Cemento Asfáltico (%)
R²=Confiabilidad de la ecuación

Próximo capitulo: DETERMINACIÓN DEL MODULO DINÁMICO DEL ASFALTO Y DEL TIPO DE MEZCLA ASFÁLTICA (CÓDIGO)

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Créditos
Tesis: Diseño de Pavimentos 
Universidad Piloto de Colombia
Por: Sami Pardo y Carlos Gracia.
FUENTE
El porcentaje de vacíos para el diseño de la mezcla drenante se determinó con base a la gravedad específica de Bulk y gravedad específica máxima teórica como lo indica la norma. Se realizaron 3 briquetas para cada porcentaje para Bulk, y se relacionó con el ensayo Rice para mezclas asfálticas sin compactar, los resultados se resumen en las siguientes tablas:

Tabla 12. Gravedad Específica de Bulk para el CA 60-70 y el CA A-20.

GRAVEDAD ESPECÍFICA DE BULK
Tipo de asfalto
PORCENTAJE DE ASFALTO
4.5
5.0
5.5
6.0
Barrancabermeja 60-70
2,53
2,53
2,54
2,55
Boscán A-20
2,52
2,53
2,53
2,54
Fuente: Presentación propia de los autores.
Tabla 13. Gravedad Específica Máxima Teórica para el CA 60-70 y el CA A-20.
GRAVEDAD ESPECÍFICA MÁXIMA TEÓRICA
Tipo de asfalto
Briquetas
PORCENTAJE DE ASFALTO
4.5
5.0
5.5
6.0
Barrancabermeja 60-70
1
2,07
2,09
2,13
2,14
2
2,03
2,08
2,11
2,16
3
2,04
2,06
2,15
2,17
Boscán A-20
1
2,06
2,11
2,11
2,14
2
2,06
2,10
2,12
2,15
3
2,07
2,11
2,09
2,13

Fuente: Presentación propia de los autores.
Con base en estos resultados, y en la norma INV 736-07 (Porcentaje de vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas densas y abiertas), que relaciona ambos datos se calculó el porcentaje de vacíos de cada briqueta, los resultados fueron los siguientes.
Gráfico 34.Diagrama de dispersión porcentaje de vacíos por briqueta del CA 60-70.
Fuente: Presentación propia de los autores.
En general presenta poca dispersión entre los datos, tiene un comportamiento descendente conforme aumenta la dosificación de asfalto.
Gráfico 35.Diagrama de dispersión porcentaje de vacíos por briqueta del CA A-20.
Fuente: Presentación propia de los autores.
Las briquetas presentaron comportamientos similares, sin mucha dispersión y una tendencia lineal descendente al aumentar el porcentaje de asfalto.
Gráfico 36.Diagrama de dispersión porcentaje de vacíos por briqueta del CA A-20.
Fuente: Presentación propia de los autores.
El porcentaje de vacíos evidentemente para ambas diseños de mezcla presenta un carácter descendente, el aumento en la dosificación de asfalto ocupa los vacíos con aire de la mezcla conforme mas cantidad se le adicione; el asfalto colombiano 60-70, presentó mayor porosidad para los porcentajes de 4.5% y 5.5%, con cerca del 1% mayor con respecto al venezolano A-20; contrario fue el comportamiento en 5.5% y 6.0%, donde el asfalto Boscán presento levemente porcentajes mayores de vacíos. Dentro de los rangos de clasificación de mezclas asfálticas, el diseño de mezcla drenante cumple con los vacíos, estando entre los rangos de 18% y 20%.

RELACIÓN DE ENSAYOS

En el análisis de la investigación es importante contrastar también los resultados obtenidos en el ensayo realizado, respecto a otras características de diseño, ya sea la del agregado pétreo, del cemento asfáltico o de la misma mezcla, que condicionan e direccionan los resultados de otros valores ensayados. A continuación los diagramas.
Gráfico 37.Diagrama de relación % Vacíos vs Perdidas por desgaste en Cántabro Seco.
Fuente: Presentación propia de los autores.
La gráfica muestra dos líneas suavizadas de comportamiento ascendente; el asfalto Barrancabermeja 60-70 marca los límites superiores e inferiores del diagrama, debido a que tiene mayores diferencias entre desgaste mínimo y el máximo de la mezcla. El asfalto Boscán A-20 tiene valores de perdidas más cercanos entre sí, y presenta perdidas menores a porcentajes más altos de vacíos entre 16.5% y 18.5%.
Gráfico 38.Diagrama de relación % Vacíos vs Perdidas por desgaste en Cántabro Húmedo.
Fuente: Presentación propia de los autores.
Las dos curvas presentan un comportamiento ascendente, una de forma relativamente lineal, y la otra de forma asintótica en direcciones opuestas. En general se observa una relación directa entre los vacíos y las pérdidas por desgaste,con valores menores a medida que se disminuye el porcentaje de vacíos; ambos asfaltos manejan límites superiores e inferiores similares, con la diferencia que el 60-70 tiene menos desgaste con porcentajes de vacíos inferiores a 16.5%, y el A-20 presenta menores pérdidas para valores superiores al mismo valor.
Para reducir la porosidad en una mezcla asfáltica drenante es necesario reducir el porcentaje de finos, pero esto disminuye también la cohesión y la resistencia a la disgregación por el tráfico. Desde este punto de vista el diseño de las mezclas drenantes plantea un equilibrio entre su porosidad y su resistencia al desgaste, porque como bien se evidencia el porcentaje de vacíos es directamente proporcional a la resistencia al desgaste, teniendo como parámetro además para su puesta en obra, que este porcentaje es aumenta si prepara en planta que si se realiza en laboratorio, usando la misma energía de compactación. Los vacíos en una mezcla asfáltica influyen notoriamente en sus características mecánicas, por lo cual su aumento puede producir además la disminución de su módulo de rigidez, en especial a temperaturas altas de trabajo.
Gráfico 39.Diagrama de relación de Deformación vs Porcentaje de Asfalto para briquetas acondicionadas en seco.
Fuente: Presentación propia de los autores.
Gráfico 40.Diagrama de relación de Deformación vs Porcentaje de Asfalto para briquetas acondicionadas en húmedo.
Fuente: Presentación propia de los autores.
El primer diagrama muestra un aumento en la deformación a medida a medida que se aumenta el porcentaje de asfalto, desde ésta medida se puede afirmar que la mezcla asfáltica drenante pierde estabilidad y consistencia a medida con dosificaciones de asfalto altas. El comportamiento del asfalto Barrancabermeja 60-70 fue gradual, en comparación con el Boscán A-20, que presentó aproximadamente tres pendientes en toda la curva, con un valor muy bajo de deformación en 4.5% de 3 mm y dos valores muy similares para 5% y 5.5% de 4,45 mm y 4,54 mm respectivamente; evidentemente tuvo mejor comportamiento el venezolano con menores deformaciones en todos los porcentajes.
En la condición húmeda el comportamiento fue similar al seco, dos curvas ascendentes que muestran mayores deformaciones con el aumento de asfalto en la mezcla. El asfalto Boscán se comportó mejor al Barrancabermeja en todos los porcentajes, acercándose apenas en el 6% donde se obtuvo valores de 6,92 mm y 6,55 mm, para el CA 60-70 y el CA A-20 respectivamente.
En el siguiente diagrama se relacionan las deformaciones totales tanto en seco como en húmedo.
Gráfico 41.Diagrama de relación de Deformación vs Porcentaje de Asfalto.
Fuente: Presentación propia de los autores.
Los porcentajes que más denotan susceptibilidad a las condiciones de agua y temperatura son los 4.5 y 6 para el Boscán, por el contrario los porcentajes de 5 y 5.5 presentan menos vulnerabilidad a estas condiciones para los dos cementos asfálticos. Es importante el hecho que aun acondicionadas en húmeda el promedio de briquetas elaboradas con el asfalto Boscán A-20, tienen menos deformación que las acondicionadas en seco con asfalto Barrancabermeja 60-70, excepto un el ultimo porcentaje, que de deja ver una mayor resistencia a la deformación en situaciones adversas y normales al asfalto venezolano.
Continuaremos con las formulas de trabajo en el siguiente articulo.
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Tesis: Diseño de Pavimentos 
Universidad Piloto de Colombia
Por: Sami Pardo y Carlos Gracia.
Año 2012