BENEFICIOS DEL USO DE UN ASFALTO MODIFICADO EN MEZCLAS ASFÁLTICAS A TRAVÉS DE EL PARÁMETRO “Jnr” Y FATIGA

En los últimos años en México el uso de asfalto modificado ha tenido un incremento en la fabricación de mezclas asfálticas, uno de los principales objetivos ha sido desarrollar mezclas asfálticas que cuenten con un grado de desempeño superior a las fabricadas con asfalto convencional, además, que mejoren el comportamiento ante los principales mecanismos de falla de los pavimentos flexibles como son: fatiga y deformación permanente. Sin embargo, la práctica mexicana presentó algunos problemas en el uso de asfaltos con grados superiores (PG-64), esto debido al uso de malas prácticas como el envejecimiento acelerado en plantas de asfalto para la obtención y aprobación de lo especificado en el proyecto, asfaltos que resultan con un desempeño negativo en el corto plazo.

Rey Omar Adame Hernández1 *, Jorge Alarcón Ibarra 2, Israel Sandoval Navarro 3, Enrique Villa Huerta4, Ignacio Cremades Ibáñez

1 Lasfalto, Guadalajara, México

2 Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, México

3 Lasfalto, Guadalajara, México

4 Lasfalto, Guadalajara, México

5 Surfax, Guadalajara, México

 *omar.adame@lasfalto.com.mx


 

Introducción

En los últimos años en México el uso de asfalto modificado ha tenido un incremento en la fabricación de mezclas asfálticas, uno de los principales objetivos ha sido desarrollar mezclas asfálticas que cuenten con un grado de desempeño superior a las fabricadas con asfalto convencional, además, que mejoren el comportamiento ante los principales mecanismos de falla de los pavimentos flexibles como son: fatiga y deformación permanente. Sin embargo, la práctica mexicana presentó algunos problemas en el uso de asfaltos con grados superiores (PG-64), esto debido al uso de malas prácticas como el envejecimiento acelerado en plantas de asfalto para la obtención y aprobación de lo especificado en el proyecto, asfaltos que resultan con un desempeño negativo en el corto plazo.

Las metodologías existentes para la caracterización de asfaltos que se han empleado a través del tiempo han determinado diferentes parámetros en el asfalto, inicialmente pruebas empíricas como penetración, reblandecimiento, recuperaciones elásticas, ductilidad, entre otras. Posteriormente surgieron pruebas y equipos más sofisticados como los viscosímetros rotacionales y reómetros de corte dinámico, esto con el objeto de evaluar el comportamiento del asfalto mediante pruebas reológicas que simulan el desempeño de un asfalto en campo.

El parámetro desarrollado en Estados Unidos G*/sen δ, empleado actualmente en México para la caracterización de los asfaltos forma parte de la clasificación Grado PG desarrollada por la Administración Federal de Carreteras (FHWA) bajo el programa SHRP (Strategic Highway Research Program), ha evolucionado a “Jnr”, ya que se determinó que este parámetro evalúa de mejor manera la capacidad del asfalto de resistir la deformación permanente, además esta metodología simula el mecanismo de falla y proporciona una clasificación de los asfaltos por niveles de tráfico, así un asfalto será seleccionado dependiendo de las condiciones de tráfico y clima al que será sometido en campo.

La clasificación de asfaltos grado PG actualmente forma parte del protocolo AMAAC, metodología de diseño de mezclas asfálticas densas de alto desempeño, que en los últimos años ha ido tomando gran importancia. Además, se sabe que la metodología para clasificación de asfaltos por grado PG presenta una limitante que, asfaltos que cumplen con el grado PG pueden no presentar un buen desempeño en campo.

Para el caso de México es común ver licitaciones en las que se combinan dos tipos de especificación con la intención de garantizar el buen desempeño del asfalto y evitar el uso de “asfaltos endurecidos”, la especificación de grado PG N-CMT-4-05-004/08 y la especificación de asfalto tipo N-CMT-4-05-002/06, esta combinación de pruebas aumentan el costo de los análisis del asfaltos al tener que llevar a cabo la prueba de ambas especificaciones. El nuevo parámetro propuesto para este fin es “Jnr” (non recoverable creep compliance), que es la deformación no recuperable (deformación permanente) generada mediante la aplicación de una unidad de esfuerzo en una prueba creep.

El uso de la metodología Jnr en conjunto con la clasificación de grado PG reducirá el número de pruebas a realizar, ofreciendo la siguiente información adicional sobre el asfalto.

  • La capacidad elástica real.
  • La deformación total acumulada después de ciclos repetidos.
  • La dependencia del comportamiento a diferentes niveles de esfuerzo.
  • La memoria elástica.
  • La deformación permanente generada por unidad de esfuerzo.

Metodología

En este trabajo se evalúan dos agregados, estos de diferente origen y por lo tanto diferentes características, con los que se fabricaron mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño protocolo AMAAC, usando: (1) asfalto convencional, (2) asfalto endurecido y (3) un asfalto modificado, los asfaltos se caracterizaron, con pruebas empíricas, en base al grado de desempeño (PG), la prueba de MSCR (Multi Stress Creep Recovery) y el parámetro Jnr. Las mezclas asfálticas compactadas se sometieron a la prueba de fatiga en 4 puntos y se determinó el número de repeticiones de carga que soportan, finalmente, se hizo un análisis costo beneficio sobre el uso de los diferentes tipos de asfalto vs número de repeticiones de carga.

Caracterización del asfalto

Se utilizaron tres diferentes asfaltos que se clasifican con grados PG 64-16 y 76-16 según la clasificación SUPERPAVE:

  1. Ekbé procedente de la Refinería de Salamanca Guanajuato (PG 64-16).
  2. Ekbé endurecido con ácido Polifosfórico (PPA=ácido polifosfórico) (PG- 76-16).
  3. Ekbé modificado con terpolímero RET y ácido polifosfórico como catalizador (PG-76-16).

Para esto, se realizó un análisis empírico además de su determinación de grado PG a todas las muestras de asfalto, las cuales se incluyen en la tabla 1.

Tabla 1. Análisis empírico a los diferentes asfaltos y la determinación del grado de desempeño. 
Prueba Ekbé Ekbé + PPA Ekbé modificado con polímero RET +PPA
Penetración a 25° C (1/10 mm) 51 45 43
Penetración a 4° C (1/100 mm) 28 25 26
Reblandecimiento (°C) 50 58 63
Rec. Elástica por torsión 25° C (%) 6 12 53
Resiliencia a 25 ° C (%) 2 20 22
Viscosidad rotacional 135° C (cP) 462 903 1,900
Pérdida de masa por calentamiento (%) 1.67 1.57 1.45
Penetración a 25° C (1/10 mm) 15 15 20
Penetración a 4° C (1/100 mm) 20 14 10
Recuperación elástica por ductilómetro 25° C (%) 4 8 63
Viscosidad rotacional 135° C (cP) 962 2,288 5,171
Punto de inflamación Cleveland °C 260 297 384
Viscosidad rotacional a 135° C SC4-27 12 rpm (cP) 462 903 1,900
Análisis al asfalto original
Módulo reológico de corte dinámico a 76°C [G*/sen δ] (KPa) 1.513 (64° C) 1.302 (76°C) 1.619 (76°C)
Ángulo de fase (δ) a 76 °C (°) 84.23 (64° C) 78.50 (76°C) 63.76 (76°C)
Análisis del residuo de la película de la prueba de envejecimiento a presión PAV ASTM D 6521
Módulo reológico de corte dinámico a 34° C [G*sen δ] (KPa) 3,625 (28°C) 1,958 1,691
Rigidez en creep a -6°C, 60s S (t), (MPa) 96.195 95.81 140.65
Valor m(t) a -6°C, 60s,  0.335 0.330 0.307
Grado PG 64-16 PG 76-16 PG 76-16

Los resultados del análisis empírico demuestran las diferencias existentes entre los diferentes asfaltos analizados, principalmente en las recuperaciones elásticas por torsión y ductilómetro. El asfalto modificado con polímero RET presenta una recuperación elástica alta con el Ekbé 64-16 y asfalto endurecido. Se determinó el grado de desempeño empleando el método SHRP-SUPERPAVE de acuerdo a la metodología AASHTO TP-5. La caracterización por grado PG demuestra las diferencias que existen entre asfaltos modificados con distintos polímeros, aun entre un mismo grado de desempeño, además una de las diferencias más importantes es el ángulo de fase. El asfalto modificado con polímero RET presenta el ángulo de fase más bajo, es decir, presenta un comportamiento más elástico que los demás asfaltos y mayor resistencia a la deformación. Posteriormente se realizó la prueba bajo la especificación para Jnr para dos niveles de esfuerzo (100 y 3200 Pa), así como su deformación máxima acumulada, determinando su valor de Jnr y por lo tanto el nivel de tráfico que será capaz de resistir la mezcla.

Los resultados de Jnr tienen una correlación directa con la deformación acumulada, por lo que menor valor de Jnr, menor es la deformación acumulada (Sandoval et al, 2007). El asfalto modificado con polímero RET resulta con los valores más bajos de Jnr y al incrementar el esfuerzo de 100 a 3200 no hay un efecto negativo en este parámetro, es decir, este asfalto tiene una gran capacidad de almacenar energía para recuperar las deformaciones y una estructura muy estable. Por otra parte, el asfalto endurecido tiene un buen comportamiento para Jnr y un aumento regular con el esfuerzo mayor (3200 Pa), aunque la respuesta elástica tiene una caída importante.

El nivel de tráfico para el cual el asfalto está preparado para desempeñarse de forma correcta se realizó para los tres asfaltos en estudio, los niveles de tráfico se establecen mediante el valor de Jnr que van para un tráfico estándar “S” con un valor de 2 a 4, apto para un tránsito menor a 3 millones de ejes equivalentes de 8,2 ton.

Valores de 1 a 2 para un nivel de tráfico pesado “H”, y un tránsito de 3 a 10 millones de ejes equivalentes.

Un nivel muy pesado “V” entre 0.5 y 1 para un tránsito de 10 a 30 millones de ejes equivalentes.

y finalmente para niveles Extremos “E” valores de jnr menores a 0.5 y asfaltos que serán capaces de soportar intensidades de tráfico mayores a 30 millones de ejes equivalentes.

Como se observa en la Tabla 2, al modificar un asfalto convencional las propiedades que se pueden llegar a alcanzar a favor de una mejor calidad del mismo son muchas. Sin embargo, la prueba de desempeño del asfalto Grado PG resulta limitada para diferenciar algunos asfaltos modificados y su capacidad de almacenar energía para recuperar las deformaciones, el parámetro Jnr nos arroja información importante y más precisa de la capacidad de desempeño de cada asfalto bajo la acción del tráfico. En la tabla 2 es evidente la diferencia que existe entre dos asfaltos clasificados mediante PG con la misma nomenclatura de 72 -16 (para este caso), pero con una capacidad de desempeño de más de 30 millones de ejes equivalentes para un asfalto modificado con polímero RET, mientras que para el asfalto endurecido apenas una capacidad de 3 a 10 millones de ejes equivalentes.

Tabla 2. Respuesta elástica en creep repetido, a 100 y 3200 Pa, Valores de Jnr y niveles de tráfico para los que el asfalto será capaz de soportar.
Tipo de asfalto Temp. De prueba % εr a 100 Pa % εr a 3200 Pa Rdif (100Pa-3200 Pa) Jnr 3200 Grado Intensidad de tráfico (ESAl´s)
Ekbé 64 9 8 1 1.001 PG 64-16 H >3< 10 millones
Ekbé  + PPA 76 37 7 30 1.053 PG 76- 16 H >3 < 10 millones
Ekbé modificado con polímero RET + PPA 76 75 72 3 0.237 PG 76-16 E >30 millones

3.2 caracterización del agregado y diseño de las mezclas

Respecto a los agregados, se analizaron dos agregados representativos para México, Andesita y el Basalto, los cuales fueron tomados de dos bancos de materiales ubicados en la Ciudad de Morelia Michoacán y Tonalá Jalisco, respectivamente. La caracterización básica correspondiente al primer nivel del Protocolo AMAAC se realizó con la intensión de conocer las propiedades básicas de los agregados, los resultados se presentan en la tabla 3.

Tabla 3. Caracterización del agregado
Prueba Resultados Normativa Prueba Resultados Normativa
Basalto Andesita Basalto Andesita
Grava Arena
Partículas alargadas 1.60% 5.62% 15% máx. Equivalente de arena 70 46 50 min.
Partículas lajeadas 0.34% 1.77% 15% máx. Densidad 2.6 2.53 N/A
Densidad 2.66 2.62 N/A Absorción 2.04 3.39 N/A
Desgaste de los Ángeles 10% 17% Azul de metileno 11 ml/g 36 ml/g 15 ml/g máx.
Absorción 1.28 2.37 N/A Angularidad 40.72 36 40 min.

Con el objetivo de contar con el menor número de variables entre los dos agregados y que las condiciones de comparación de propiedades como mezcla fueran lo más parecidas posibles se adoptó una granulometría para ambos agregados la cual se muestra en la curva granulométrica de la figura 1.

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Figura 1. Curva granulométrica adoptada para el proyecto, en la que se representa, en el eje de las ordenadas el número de malla y en las abscisas el porcentaje de material retenido, además de los límites granulométricos

El diseño de la mezcla asfáltica densa se realizó de acuerdo a los parámetros establecidos por el Protocolo “Diseño de mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño” PA-MA-001/2011 y cuenta con las características descritas en la tabla 4. La intención con la que se diseñaron las mezclas es tener la menor cantidad de variables entre ellas, por lo tanto, el porcentaje de asfalto efectivo es igual entre mezclas.

Tabla 4. Características principales de la mezcla compactada
Característica volumétrica Material
Basalto Guadalajara Andesita Morelia
Porcentaje de vacíos de la mezcla (%) 4.60% 3.85%
Porcentaje de asfalto efectivo (%) 6.15 6.15
Contenido óptimo de asfalto (%) 6.2 6.2

Prueba a fatiga de mezclas asfálticas

La fatiga es uno de los criterios de deterioro considerados para el diseño de pavimentos asfálticos y es posible evaluarla a través de ensayos de laboratorio. Para este trabajo se analizó la prueba a fatiga en cuatro puntos a diferentes niveles de deformación, con el objetivo de evaluar el efecto de los diferentes asfaltos y agregados en esta prueba.

La prueba a fatiga se realizó bajo deformación controlada (µ-strain o micro-deformaciones) las cuales son: 750, 650 y 550 µ-strain, para una frecuencia de 10 Hertz (Hz), y a una temperatura constante de 20°C con 120 minutos previos de acondicionamiento (muestras por triplicado para cada micro deformación y variable).  el criterio de falla usado fue el “criterio clásico” en el que la probeta se considera en ruptura si su módulo llega a la mitad de su valor inicial medido en el ciclo cincuenta de carga bajo las mismas condiciones de ensayo (misma temperatura y frecuencia). La vida útil Nf es entonces el numero de ciclos correspondientes a un módulo de rigidez igual a la mitad de su módulo inicial.

En la tabla 5 se presentan los resultados de las pruebas de fatiga, dichas pruebas fueron realizadas en laboratorio de Lasfalto S. de R. L.

Tabla 5. Número de repeticiones de carga para cada tipo de mezcla y micro-deformación.
Tipo de Mezcla Número de repeticiones de carga
750     µ-strain 650     µ-strain 550     µ-strain
Asfalto convencional + andesita 42,584 67,394 157,406
Asfalto convencional + PPA + andesita 85,402 221,697 297,774
Asfalto convencional modificado con polímero RET + PPA + andesita 180,337 297,127 618,975
Asfalto convencional + basalto 58,816 91,500 219,707
Asfalto convencional + PPA + basalto 94,176 190,363 311,754
Asfalto convencional modificado con polímero RET +PPA+ basalto 262,492 327,883 739,637

Inicialmente, por parte de los agregados, la importancia de usar un material que cumpla con todas las recomendaciones de una normativa o especificación, para este caso hablamos de las recomendaciones protocolo AMAAC para agregados pétreos. Las mezclas que fueron fabricadas con andesita comparadas con las fabricadas con basalto presentan un número de repeticiones de carga muy inferior, con respecto a las condiciones de prueba, el número de repeticiones de carga con un asfalto convencional esta alrededor de las cuarenta mil repeticiones, lo que significa que aun teniendo un agregado de mala calidad el uso de asfalto modificado aumenta el desempeño de la mezcla (más de 4 veces el número de repeticiones inicial).

Sin embargo, si en la mezcla se emplea un asfalto modificado con terpolímero RET y un basalto (material que cumple con todas las recomendaciones para agregados), el número de repeticiones aumenta hasta más de doscientos sesenta mil repeticiones, seis veces mas que la mezcla con andesita y asfalto convencional y 4.5 veces más que la mezcla con basalto y asfalto convencional.

De igual manera para las microdeformaciones inferiores la tendencia es muy similar, el uso de asfalto modificado aumenta notoriamente el número de repeticiones de carga.  Además, es importante mencionar la importancia de tener agregados y asfaltos que cumplan con todos los estándares establecidos para la fabricación de mezclas ya que el número de repeticiones de carga se puede llegar a elevar hasta 6 veces usando un asfalto modificado en comparación de un asfalto convencional, de acuerdo con este trabajo.

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Figura 2. Imagen en la que se grafica numero de repeticiones vs nivel de esfuerzo (micro-strains), y en la que es posible ver el efecto de los esfuerzos en una mezcla, además es posible ver la influencia del aumento en el numero de repeticiones cuando se usa un asfalto modificado con terpolímero RET.

Análisis de costos de las secciones de pavimentos adoptadas.

El objetivo de este apartado es conocer el impacto económico de cada una de las capas dentro de la estructura del pavimento, en especial el costo del agregado y asfalto en la capa de rodadura debido a que es probable que algunas inversiones pequeñas resulten en grandes beneficios.

Para este análisis se toma en cuenta el costo de fabricación de mezcla asfáltica con diferentes agregados y diferentes tipos de asfaltos. A continuación, se observa el costo para cada tipo de mezcla, en la cual se toma en cuenta el costo de los materiales como son:  agregados, asfalto, polímero, ácido polifosfórico, y se asume un costo de producción para cada tipo de mezcla.

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Figura 3. Costo por tonelada de mezcla asfáltica, análisis en el que se consultaron costos de los materiales y se asumieron costos de producción basados en el mercado actual, por lo que los costos son aproximados y no representan un costo fijo de algún proveedor de mezcla asfáltica.

De acuerdo a este análisis en el que se indica que haciendo una inversión de aproximadamente el 12% del valor inicial de la mezcla se obtiene  una mezcla con asfalto modificado con un desempeño superior, de acuerdo a este análisis, cuando se modifica un asfalto con terpolímero RET el valor de jnr y grado PG que alcanza es un 76-16 E, es decir, que es capaz de soportar un tráfico de mas de 30 millones de ejes equivalentes. Por otra parte, también es evidente que, aunque la andesita en este caso es un material que no cumple con los parámetros del protocolo AMAAC el uso del asfalto modificado incrementa su desempeño de esta mezcla que la compone este tipo de agregado.

CONCLUSIONES

El parámetro “Jnr” presento una tendencia en los resultados muy similar a los obtenidos en las leyes de fatiga. A pesar de ser una prueba propia del asfalto, el panorama que nos ofrece a partir de sus resultados es de mucha utilidad para poder tener una idea clara de lo que el asfalto puede llegar a soportar.

El uso de agregados de buena y mala calidad es de vital importancia, de acuerdo con este estudio el usar un material de buena calidad puede ser hasta 4 veces mejor en vida a fatiga que un agregado de mala calidad. También es evidente que el uso de asfaltos modificados incrementa la vida a fatiga de las mezclas más de 3 veces, objetivo que no se lograría si se combina con un asfalto convencional.

Los parámetros de Jnr y fatiga en 4 puntos presentaron una misma tendencia en cuanto a resultados, en los que se ponen de manifiesto los efectos del uso de agregados y asfaltos de diferente calidad.

REFERENCIAS

[1] Huang, Y. Pavement Analysis and Design (2a ed.). University of Kentucky: prentice Hall.

[2] McGennis, R. Shuler, S. Bahia, H. (1994). Antecedentes de los métodos de ensayo de ligantes asfalticos de SUPERPAVE (1a ed.). Lexington KY: Asphalt Institute.

[3] McGennis, R. Anderson, M. Kennedy, T. Solaimanian, M. (1994). Antecedentes del diseño y análisis de mezclas asfálticas de SUPERPAVE (1a ed.). Lexington KY: Asphalt Institute.

[4] 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.

[5] Sandoval I. Cremades I., “Caracterización de asfaltos mediante creep repetido multiesfuerzo en reómetro de corte dinámico”. V Congreso Mexicano del Asfalto, Agosto 2007.

[6] American association of state highway and transportation officials (AASHTO). T350 “Standard method of test for multiple stress creep recovery (MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer (DSR)”, Washington DC, USA, 2014.

[7] Federal Highway Administration (FHWA‐HIF‐11‐038). “The multiple stress creep recovery (MSCR) procedure”, Office of pavement technology, Abril 2011.

[8] M. Flores, H. Alamila, P. anguas, E. Garcia. Determinacion de la resistencia a la fatiga en mezclas asfálticas. Instituto Mexicano del Transporte.

[9] Recomendación, Diseño de mezclas de granulometría densa de alto desempeño. PA-MA-001/2008 (AMAAC, 2008)

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