EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE, NIVEL III CON ADITIVOS MEJORADORES DE ADHERENCIA Y ASFALTO MODIFICADO TIPO SBS

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1 EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE, NIVEL III CON ADITIVOS MEJORADORES DE ADHERENCIA Y ASFALTO MODIFICADO TIPO SBS Aldo Salazar, Horacio Delgado, Paul Garnica, Mayra Flores, Raúl Terán Resumen En la actualidad se presentan diferentes degradaciones prematuras en los pavimentos asfálticos, los cuales están asociados a un incremento en el nivel de tránsito (volumen e intensidad), por lo cual es importante utilizar materiales que proporcionen mejores desempeños a la mezcla asfáltica. En la actualidad una de las soluciones más utilizadas es el uso de polímeros, los cuales modifican el desempeño del ligante asfáltico. Por lo cual la correcta determinación de sus propiedades reologicas, módulo complejo, E* y ángulo de fase φ, son primordiales en el diseño de un pavimento asfáltico. Este trabajo presenta la evaluación de la influencia de un asfalto modificado tipo SBS mezclado con un promotor de adherencia evaluado a diferentes concentraciones en el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica. Este modificador se evaluó con y sin promotor de adherencia y fue comparado contra un asfalto convencional. La evaluación del desempeño fue realizada mediante el ensayo de módulo complejo, E*, bajo una solicitación sinusoidal en compresión a 6 diferentes temperaturas y frecuencias. Los resultados obtenidos permiten determinar una concentración óptima para el promotor de adherencia. Conjuntamente se determinó el aporte mecánico de este material con respecto a una mezcla modificada y convencional. Palabras claves Módulo complejo, ángulo de fase, mezclas asfálticas, aditivo promotor de adherencia. 1. Tipos de comportamiento de las mezclas asfálticas Como se ha mencionado, las mezclas asfálticas tienen un comportamiento complejo, considerando la amplitud de la deformación ( ε ) y el número de ciclos de carga aplicados (N) se pueden identificar cuatro clases de comportamientos principales [1]: Comportamiento viscoelástico lineal Fenómeno de fatiga Comportamiento fuertemente no lineal Deformación permanente La figura 1 presenta un esquema de los comportamientos descritos en los puntos anteriores. log No lineal Ruptura Deformabilidad Viscoelasticidad lineal (VEL) Influencia de la temperatura Deformación permanente (si ciclos de esfuerzos a partir de ) Fatiga log (N) Figura 1. Comportamiento tipo de una mezcla asfáltica a temperatura controlada, (ε) deformación (N) número de repeticiones de carga [1].

2 Las fronteras presentadas en la figura 1, para los diferentes comportamientos, son de magnitudes que pueden variar sensiblemente según el material, la temperatura y el tipo de solicitación. 2. Viscoelasticidad lineal El ensayo de módulo dinámico es realizado para determinar las propiedades viscoelásticas del material asfáltico (E* y φ). Este ensayo es realizado bajo varias hipótesis. Este punto describe los requerimientos que se deben cumplir para su correcta ejecución en el laboratorio. Por lo tanto la mezcla asfáltica debe estar constituida de 3 hipótesis: Medio continuo Isotropía Viscoelasticidad lineal y linealidad [3] 3. Medición de las propiedades viscoelásticas lineales Dos consideraciones se deben tomar en cuenta. La primera es el tipo de ensayo a utilizar y la segunda el tipo de señal de solicitación a aplicar. Para el caso del tipo de ensayo son los siguientes: Ensayos homogéneos Ensayes no homogéneos Para el caso del tipo de señal de solicitación a aplicar es la siguiente: Por medio de cargas sinusoidales solicitaciones sinusoidales a diferentes frecuencias. Las mediciones son realizadas en el rango de pequeñas deformaciones, para las cuales la mezcla asfáltica se comporta principalmente como un material viscoelástico lineal, la respuesta establecida para una solicitación sinusoidal es también sinusoidal []. 3.2 Consideraciones para la realización del ensayo de Módulo complejo Como se ha definido con anterioridad que los diferentes componentes del módulo complejo varían con la frecuencia de solicitación (Hz) y la temperatura ( C), a partir de esta combinación se obtendrán diversos valores de E* y φ, con los cuales podremos caracterizar el comportamiento viscoelástico del material. Las frecuencias evaluadas van de 2 Hz hasta,1 Hz. Es importante mencionar que frecuencias superiores a 1 Hz presentan ciertas distorsiones en la señal y por consiguiente los valores obtenidos no son muy confiables. El rango clásico de temperaturas que se maneja es de -2 C a 4 C, para el caso el equipo del IMT las temperaturas variaron de -1 C a 4 C. Se debe tener precaución en los ensayos realizados a 4 C o más ya que existen problemas potenciales de pérdida de linealidad y fluencia de la probeta. Se recomienda tener por lo menos 3 puntos experimentales por tipo de mezcla asfáltica, generalmente una combinación de temperaturas y 6 frecuencias. La tabla 1 resume los valores utilizados para la evaluación de la mezcla asfáltica. 3.1 Descripción del ensayo El ensayo de módulo complejo es realizado mediante un ensayo que somete el material a

3 Módulo cpmlejo, E* (MPa) Tabla 1. Puntos experimentales evaluados* Temperaturas ( C) Frecuencias (Hz),1, Evaluación de 3 puntos experimentales por muestra Las señales sinusoidales generadas para cada punto experimental presentan ciertas distorsiones debidas a los parámetros de respuesta de la prensa (medidores de deformación). Para poder tener una determinación confiable de los valores de módulo complejo y para el ángulo de fase es necesario realizar un tratamiento a estas señales sinusoidales. 4. Análisis del módulo complejo en mezclas asfálticas Principales representaciones Los resultados de ensayo fueron obtenidos de la evaluación de tres mezclas asfálticas, una mezcla convencional, una modificada y una modificada con tres concentraciones distintas con un aditivo promotor de adherencia. El ensayo de módulo complejo fue realizado en modo de tensión compresión a esfuerzo controlado (ensayo homogéneo). Se evaluaron diferentes temperaturas (-1 C a 4 C) y 6 frecuencias (,1 Hz a 2 Hz), ver tabla 1. Los diferentes componentes del módulo complejo varían con la temperatura y la frecuencia de la solicitación. Los resultados experimentales E*, φ, E1 y E2 son generalmente presentados mediante las siguientes representaciones clásicas. Curvas isotérmicas Estas curvas son obtenidas trazando la curva del módulo complejo E* o ángulo de fase φ, en función de la frecuencia para cada una de las temperaturas de ensayo T ( C), en el caso del módulo esta gráfica es en escala bilogarítmica. La pendiente de las curvas isotérmicas permite estimar la susceptibilidad cinética del material asfáltico (variación del módulo con la velocidad de solicitación). La figura 3 presenta las curvas isotérmicas de una mezcla asfáltica modificada con aditivo promotor de adherencia. -1 C 4 C 21 C 37 C 4 C Frecuencia f (Hz) Figura 3. Curvas isotérmicas del módulo complejo Curva en el plano Cole-Cole (o plano complejo) Esta representación traza en las abscisas la parte real del módulo complejo E1 y la parte imaginaria E2 en la ordenada. Esta curva puede ser utilizada para calibrar un modelo de comportamiento reológico. Debido a que el material obedece el principio de equivalencia frecuencia temperatura, los puntos experimentales permiten definir una curva única y característica del material evaluado. La figura presenta el plano Cole-Cole de una mezcla asfáltica modificada con aditivo promotor de adherencia.

4 Módulo complejo, E* (MPa) Parte viscosa, (MPa) Parte elástica, (MPa) Figura. Curva en el plano Cole-Cole Curvas en el espacio de Black -1 C 4 C 21 C 37 C 4 C Esta representación traza el logaritmo de la norma del módulo complejo E* (ordenada) en función del ángulo de fase (abscisa) correspondiente. Los valores del ángulo de fase son graficados en orden creciente de derecha a izquierda. Al igual que en la gráfica de Cole-Cole, cuando en material cumple con el principio de equivalencia-temperatura se define una curva única que es característica del material. La gráfica de Black es utilizada para representar las zonas con valores de módulo bajo y en particular la disminución del ángulo de fase para las temperaturas altas. La figura 6 presenta la gráfica de Black de una mezcla asfáltica modificada con promotor de adherencia.. Principio de equivalencia tiempotemperatura El módulo es una función de dos variables independientes: la frecuencia o pulsación (ω) y la temperatura (T). La propiedad de equivalencia tiempo-temperatura implica que se puede representar el modulo utilizando una sola variable reducida para describir la variación del módulo con la frecuencia y la temperatura, ω*f (T). Los materiales que cumplen este principio son llamados Termoreológicamente simples. Utilizando esta propiedad de equivalencia es posible construir una curva única [log( E* ), log(fr) = log(2π/ω)] para una temperatura de referencia T R seleccionada arbitrariamente. Para construir esta curva, es necesario trasladar, paralelamente al eje de las abscisas, cada isoterma T con relación a la isoterma de referencia T R, hasta tener una superposición de los puntos de todas las isotermas. El valor del coeficiente de traslación de cada isoterma T en relación a T R es log (a T ), donde a T es una función de la temperatura que verifica las propiedades siguientes: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Angulo de fase ( ) -1 C 4 C 21 C 37 C 4 C La curva que se obtiene se llama Curva Maestra (master curve). Esta curva es característica del material y permite determinar valores de modulo en frecuencias que no pueden ser obtenidas en experimentalmente. Figura 6. Curva en el espacio de Black

5 Módulo complejo, E* (MPa) Ángulo de fase, φ Módulo complejo E* (MPa) Figura 7. Curva maestra del módulo complejo, T ref = 21 C, probeta con asfalto modificado y aditivo promotor de adherencia C 4 C 21 C 37 C 4 C 1 1E- 1E-3 1E-1 1E+1 1E+3 1E+. Figura 8. Curva maestra del ángulo de fase, T ref = 21 C, probeta con asfalto modificado. 6. Análisis de resultados -1 C 4 C 21 C 37 C. 1E- 1E-3 1E-1 1E+1 1E+3 1E+ Para el estudio se tomó la temperatura de 21 C como la temperatura de referencia. Para analizar los resultados de las gráficas (curva maestra), se dividieron en 3 zonas, frecuencias bajas, frecuencias intermedias y frecuencias altas, a continuación se presentan los rangos de estas frecuencias: Frecuencias bajas <,1 Hz Frecuencias intermedias,1 a 1 Hz Frecuencias altas > 1 Hz Se dividieron de esta forma debido a que en las frecuencias intermedias es el rango de trabajo en que se encuentran la mayoría de las mezclas asfálticas y en este rango es donde se miden las propiedades a la fatiga de la mezcla asfáltica. Por otro lado las frecuencias altas (bajas temperaturas), dan un indicador de la susceptibilidad de la mezcla a la fisuración térmica. Y el rango de bajas frecuencias (altas temperaturas) es un indicador a la deformación permanente. La tabla 2 muestra los valores del a T calculados para construir las curvas maestras del módulo complejo y ángulo de fase. Tabla 2. Valores de a T calculados Temp A.O E-4 9E-4 E-4 1,2E-3 7,6E-4 Además se le designo la siguiente nomenclatura a las mezclas asfálticas realizadas en el proyecto: AC-2 A.O. AC-2+SBS AC-2+SBS+,3% Aditivo 1 AC-2+SBS+,% Aditivo 2 AC-2+SBS+,7% Aditivo Curva maestra del módulo complejo Influencia del modificador sobre el asfalto convencional Bajas Intermedias Altas A.O. 1 1E- 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+ 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+ 1E+6 Figura 9. Curva maestra del módulo complejo, E* con A.O. y

6 Módulo complejo, E* (MPa) Ángulo de Fase, φ En la figura 9 se aprecia notablemente el incremento del valor del módulo de la mezcla asfáltica al adicionarle el modificador. a frecuencias bajas el valor del módulo se incrementa un 1%, a frecuencias intermedias es mas variable ya que va de un 38% a un 6%, a frecuencias el valor del módulo se incrementa un 18% Influencia del aditivo mejorador de adherencia sobre el modificador La figura 1 presenta la curva maestra del módulo complejo de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (1, 2 y 3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero () con claridad cuál de las mezclas tiene un mejor desempeño, para poder discriminar correctamente la influencia del aditivo es necesario realizar análisis adicionales (Curva maestra del ángulo de fase, Curva en el plano Cole-Cole y Curva en el espacio de Black). 6.2 Curva maestra del ángulo de fase Influencia del modificador sobre el asfalto convencional La Figura 11 presenta la curva maestra del ángulo de fase para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero () 3 3 Bajas Intermedias Altas Bajas Intermedias Altas A.O. Figura 1. Curva maestra del módulo complejo, E* con y aditivos de adherencia E- 1.E-4 1.E-3 1.E-2 1.E-1 1.E+ 1.E+1 1.E+2 1.E+3 1.E+4 1.E+ 1.E+6 a frecuencias bajas el valor del módulo es ligeramente superior para el 1 y 2 respecto al, para el 3 no hay un aporte significativo, a frecuencias intermedias no se observa ningún aporte, a frecuencias altas el valor del módulo se incrementa ligeramente para el 1 y 2 respecto al y el 3 obtiene módulos inferiores que el Esta representación (Curva maestra del módulo complejo) no permite determinar 1E- 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+ 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+ Figura 11. Curva maestra del ángulo de fase, φ con A.O. y a frecuencias bajas, los valores de φ son similares, a frecuencias intermedias, el A.O. presenta un valor φ máx. superior y para el los valores de φ se reducen mejorando la componente elástica de la mezcla, a frecuencias altas, no se observa un aporte significativo en los ángulos de fase. Influencia del aditivo mejorador de adherencia sobre el modificador

7 Parte viscosa (MPa) Ángulo de Fase, φ La Figura 12 presenta la curva maestra del ángulo de fase de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (1, 2 y 3), comparados con la mezcla asfáltica, modificada (). Figura 12. Curva maestra del ángulo de fase, E* con y aditivos de adherencia Bajas Intermedias Altas 1.E- 1.E-4 1.E-3 1.E-2 1.E-1 1.E+ 1.E+1 1.E+2 1.E+3 1.E+4 1.E+ a frecuencias altas, no hay diferencias significativas en el ángulo de fase para las mezclas 1 y 2 a frecuencias intermedias y bajas. Los aditivos 1 y 2 reducen sus valores respecto al A.M (1: frecuencias inferiores a 1Hz y 2: frecuencias inferiores a.hz). El 1 presentó las mayores reducciones de ángulo de fase, esto puede representar un aumento de la componente elástica de mezcla asfáltica, el efecto de esta reducción puede representar un aumento en el desempeño del pavimento. el 3 presenta los mayores valores del ángulo de fase en todas las frecuencias evaluadas, lo que significa una disminución de sus propiedades mecánicas. Comparando estas 2 representaciones (curva maestra del módulo complejo y curva maestra del ángulo de fase), se puede observar una mejora en el comportamiento mecánico para las formulaciones 1 y 2, para sus condiciones iníciales (propiedades viscoelásticas lineales). 6.3 Curva en el plano Cole-Cole En esta representación nos permite evaluar el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica a bajas temperaturas combinando los 2 efectos (E* y φ), analizando los resultados del ensayo en un plano complejo. Influencia del modificador La Figura 13 presenta el plano Cole-Cole para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero () A.O Parte elástica (MPa) Figura 13. Plano Cole-Cole con A.O. y Los puntos experimentales permiten definir una curva única con su ecuación de regresión en el cual se pudo observar un incremento del 16% en la parte elástica, por lo que la mezcla asfáltica tendrá mejor comportamiento a bajas temperaturas. Influencia del aditivo mejorador de adherencia sobre el modificador La Figura 14 presenta la curva maestra del ángulo de fase de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (1, 2 y 3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero ().

8 Módulo complejo E* (MPa) Parte viscosa (MPa) representar una reducción de sus propiedades a la fatiga Figura 14. Plano Cole-Cole con y aditivos de adherencia Parte elástica (MPa) Comparando el aditivo mejorador de adherencia a distintas concentraciones respecto al se observa que el aditivo con cualquier concentración añadida al modificador presenta un mejor comportamiento a temperaturas bajas. Pero el 1 y 2 presentan mejores comportamientos en la parte elástica al incrementar su valor un 18% para 1 y 1% para Angulo de fase ( ) Figura 1. Espacio de Black con A.O. y Influencia del aditivo mejorador de adherencia sobre el modificador La Figura 16 presenta el espacio de Black de la mezcla asfáltica con el aditivo mejorador de adherencia (1, 2 y 3), comparados con la mezcla asfáltica con polímero (). 1 A.O. 6.4 Curva en el espacio de Black En esta gráfica se representan las zonas con valores de módulo bajo y en particularmente la disminución del ángulo de fase para temperaturas altas. Influencia del modificador La Figura 1 presenta el espacio de Black para la mezcla asfáltica de referencia (A.O.) y la mezcla asfáltica con polímero (). Los puntos muestrales evaluados forman una curva única donde se puede apreciar que la adición de modificador le da un efecto visual de contracción con respecto a la curva del A.O. Esto significa que la incorporación del modificado, rigidiza a la mezcla asfáltica, lo que puede representar una mejora de la componente elástica. Ya que la mezcla es más rígida, por ende es menos susceptible a la deformación permanente, pero también puede Al adicionar los aditivos de adherencia al la curva del 3 tiende a expenderse por lo que sus ángulos de fase tienden a ser más mayores y los valores del E* tienden a reducirse, esto mismo sucede en la representación de la curva maestra del ángulo de fase. Pero en el caso del 1 y 2 sucede lo contrario con 3. La curva de las dos primeras mezclas asfálticas tienden a contraerse más que la curva del y esto hace que la mezcla sea aun más rígida.

9 Módulo complejo E* (MPa) 1 3 Figura 16. Espacio de Black con y aditivos de adherencia 7. Conclusiones Generales: Angulo de fase ( ) Material asfáltico viscoelástico, depende temperatura, velocidad y tiempo de carga. Comportamiento en el módulo y ángulo de fase: Cuando aumenta la frecuencia aumenta el valor del módulo Cuando aumenta la temperatura disminuye el valor del módulo Cuando aumenta la frecuencia disminuye el ángulo de fase Cuando aumenta la temperatura aumenta el valor del ángulo de fase El tratamiento de las señales y el buen control de la temperatura forman una parte primordial en la correcta determinación de los valores de E* y φ. Se deberán tener suficientes puntos muestrales durante el ensayo (frecuenciastemperaturas), para asegurar la curva maestra y así poder estimar los valores de E* y φ en frecuencias que no pueden ser obtenidas en laboratorio. Es necesario analizar los resultados bajo diferentes representaciones (curva maestra del módulo, curva maestra del ángulo de fase, plano Cole-Cole y espacio de black) para determinar con certeza que mezcla asfáltica es la que presenta el mejor comportamiento, ya que con una sola representación es imposible definir qué tipo de mezcla es la más adecuada. Curva maestra del módulo dinámico y curva maestra del ángulo de fase Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional (A.O.), mejoro el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica al obtener mayores valores en el módulo dinámico así como una reducción de los ángulos de fase. Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se encontró que la mezcla asfáltica mejoró su comportamiento mecánico. Presentando un aumento en los valores de módulo dinámico a frecuencias bajas (susceptibilidad a la deformación permanente) y reduciendo los valores del ángulo de fase (Incremento de la componente elástica de la mezcla). La mezcla con aditivo y modificador SBS, presenta una mejora en el comportamiento mecánico para las frecuencias intermedias y bajas. Las tres mezclas con aditivos presentan una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla en comparación con la mezcla de referencia. En donde, la mezcla 3 es la que presenta los más bajos valores de E* de las tres. Las mezclas 1 y 2 presentaron los mejores comportamientos de las diferentes mezclas evaluadas. Comparando los aditivos mejoradores de adherencia en sus distintas concentraciones, se encontró que a mayor porcentaje de aditivo la mezcla asfáltica tiende a disminuir sus valores del módulo dinámico y aumentar sus

10 valores del ángulo de fase. Siendo la mezcla A.M1. la que presenta los mejores resultados en el ensayo de módulo complejo (Parámetros E* y φ). Curva en el espacio de Black La mezcla que se le añadió el modificador redujo sus ángulo de fase y aumento el valor módulo haciendo una curva más rígida que la curva con A.O. Esto podría representar una mejora en el desempeño a la deformación permanente, pero también una reducción en sus propiedades a la fatiga. Las tres mezclas con aditivos presentan una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla en comparación con la mezcla de referencia. En donde, la mezcla 3 es la que presenta una curva más abierta, ya que muestra valores más altos en el ángulo de fase y una reducción en los valores del módulo en temperaturas altas Comparando los aditivos mejoradores de adherencia en sus distintas concentraciones, se encontró que a mayor porcentaje de aditivo la mezcla asfáltica tiende a disminuir sus valores del módulo dinámico y aumentar sus valores del ángulo de fase. Siendo la mezcla 1 la que presenta los mejores resultados a temperaturas altas. Plano Cole-Cole Al añadir el modificador tipo SBS al asfalto convencional, mejoro el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica a temperaturas bajas ya que obtuvo un incremento en la parte elástica. Al combinar el aditivo mejorador de adherencia con el asfalto modificado, se encontró que la mezcla asfáltica mejoró su comportamiento mecánico. Presentando mejor aporte en la parte elástica con cualquier concentración añadida de aditivo. De las mezclas a las cuales se les añadió el aditivo, la mezcla 3 es la que presenta el menor incremento en la parte elástica. Las Mezclas 1 y 2 presentaron los mejores comportamientos de las diferentes mezclas evaluadas. 8. Conclusiones [1] H. Delgado, Lo complejo del Módulo Complejo: aspectos experimentales. Revista Asfáltica, Vol 34, pp 42-46, 213 [2] H. Delgado, L. Arnaud, Experimentación y modelización del comportamiento reológico de una mezcla asfáltica, VII Congreso Mexicano del Asfalto, 211. [3] Di Benedetto H., Corte J.-F., «Matériaux routiers bitumineux 2 : constitution et propriétés thermomécaniques des mélanges», Hermes, Lavoisier, 24. [4] P Garnica, J.A Gómez, H. Delgado, Algunos aspectos de la densificación de mezclas asfálticas con el compactador giratorio. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 228, 23 [] H. Delgado, L. Arnaud, Investigation of the fatigue properties of asphalt mixtures reinforced with natural fibers. th International conference: bituminous mixtures and pavements, Tesalónica, Grecia, Junio 211. [6] H. Delgado, Comportement à la Fatigue d Enrobés Bitumineux Renforcés de Fibres de chanvre, Tesis de doctorado, Escuela Nacional de Trabajos Públicos del Estado, Lyon Francia, 212.