Estado del Arte en Caracterización de Asfalto y Mezclas Asfálticas. Luis Guillermo Loría Salazar, MSc, PhD PITRA-LanammeUCR

Transcripción

1 Estado del Arte en Caracterización de Asfalto y Mezclas Asfálticas Luis Guillermo Loría Salazar, MSc, PhD PITRA-LanammeUCR

2 Qué es el LanammeUCR? LanammeUCR es un laboratorio de la Universidad de Costa Rica dedicado a: Investigación aplicada Docencia Transferencia tecnológica Cooperación técnica Primer laboratorio del ramo ACREDITADO ISO en la región latinoamericana 80 ensayos acreditados

3 Áreas de Especialidad Ingeniería Sísmica y Gestión del Riesgo. Ingeniería de Suelos y Rocas (Geotecnia). Ingeniería Estructural. Ingeniería de Materiales de Construcción. Ingeniería Vial (Programa PITRA Ley 8114 y 8603). LEY 7099: LEY 8603: LEY 8114: Laboratorio nacional de referencia Garantizarla máxima Eficiencia de Inversión Pública en Reconstrucción y Conservación de la Red Vial Costarricense Fiscalización, investigación, transferencia de Tecnología, apoyo a municipios, evaluación de redes viales y puente especificación vial costarricense 1.0% Impuesto al combustible

4 LanammeUCR-Marco Legal DOS LEYES LEY 7099: Laboratorio nacional de referencia LEY 8114: Fiscalización, investigación, transferencia de tecnología, apoyo a municipios, evaluación de redes viales y puente especificación vial costarricense 1.0% Impuesto al combustible Primer laboratorio del ramo ACREDITADO ISO en la región latinomericana 80 ensayos acreditados

5 LanammeUCR-Capacidad Instalada 150 trabajadores Ingenieros civiles, topógrafos Ingenieros químicos Químicos Ingenieros mecánicos Administradores 3 Abogados Técnicos 1 geólogo 3 geógrafos 8000 m 2 edificios 50 estudiantes asistentes

6 Capital Humano 12 Ph D 12 M Sc Graduados de:

7 LanammeUCR-Potencial Científico -TOP 5 de Laboratorios de Carreteras en el Mundo- NANO MICRO MACRO ESCALA NATURAL

8 LanammeUCR-Resumen 50 proyectos de investigación 300 auditorias técnicas > 300 cursos de capacitación > km de pavimentos evaluados > participantes en TT Convenios con 35 municipios 10 Manual de especificaciones 2013: > 60 publicaciones científicas. > 30 asesorías al ministro

9 Introducción TECNOLOGIA VS ESTADO DEL ARTE Tecnología: es el conjunto de conocimientos técnicos. Aplicación práctica de la ciencia. Estado del arte: Investigación científica de punta.

10 Introducción TECNOLOGIA VS ESTADO DEL ARTE La aplicación de un ensayo no se hace por moda, sino para atender una necesidad específica Contribuye a buscar la solución de un problema o deterioro específico

11 Introducción DETERIORO? - Deformación permanente - Agrietamiento por fatiga - Agrietamiento por baja temperatura - Reflejo de grietas o su propagación - Durabilidad - Oxidación - Daño por humedad

12 Introducción DETERIORO?

13 - Clima - Temperatura - Humedad - Radiación UV Introducción

14 - Modos de ensayo - Tensión - Compresión - Corte Introducción - Uniaxial - Triaxial - Estáticos - Dinámicos - Tipo de señal

15 Introducción VARIAS ESCALAS? Se buscar modelar en laboratorio una situación (deterioro o fenómeno) lo más cercana a la realidad, para tomar decisiones específicas!

16 Ciclos de carga para falla (Nf) Ajuste de N f lab a N f campo El juste es típicamente de 8 a 20 veces Daño Estructural o Deterioro del Modelo Cambio Nivel de Esfuerzo, εt (x10-6)

17 Varias escalas de análisis NANO MICRO MACRO ESCALA NATURAL

18 Diseño Desempeño NO HAY SECRETOS NO HAY POMADAS MAGICAS PODEMOS EVALUAR LA REALIDAD

19 TODO SE DISEÑA Cuál es su necesidad específica NO hay recetas!

20 LIGANTES ASFALTICOS Analicemos un caso Se requiere un asfalto para cierta condición Hay varias alternativas de polímeros o reciclado

21 Se define una dosificación del material, pero Cómo usar estos materiales? Cómo incorporarlos? A qué temperaturas? Bajo que procesos? Cuál es el efecto de estos en el asfalto?

22 Para responder estas preguntas científicamente Modificantes Que tipo es? Características? Asegurar buen proceso de mezclado Asfalto Determinar la bondad del mezclado ensayos nano-métricos y químicos Efecto detrimentes? Mezcla Asfáltica Desempeño: Laboratorio y sitio

23 LIGANTES ASFALTICOS Análisis Termogravimétrico (TGA) Análisis espectroscópicos como Infrarrojo FTIR, RAMAN Microscopía de Fuerza Atómica AFM Calorimetría de Barrido Diferencial (DSC) Técnicas utilizadas Reología

24 Análisis Térmico (DSC-TGA) Verificación temperaturas de incorporación

25 Análisis Térmico (DSC-TGA) Pérdida de propiedades del modificante a temperaturas de producción de la mezcla asfáltica?

26 Análisis de Incorporación (AFM) MICROSCOPIO DE FUERZA ATOMICA (a) Bolsas de polietileno (b) Caucho de llanta (c) Búmper de carro (d) Estereofón

27 Análisis de Incorporación ESPECTRO RAMAN Nano Tubo de Carbono Polietileno Nano Sílice

28 Análisis de Incorporación (FTIR) INFRAROJO Mayor cambio (hidrocarburos y aminas aromáticas)

29 Análisis de Incorporación (FTIR) TGA + INFRAROJO Gases tóxicos cuáles? Cloropirifos

30 Análisis Reológico (básico) G*/sinδ 1 kpa, Asfalto Original Temperatura 64 C 70 C 76 C 82 C True PG AC-30 1,78 0,89 0, ,0 Bolsa de polietileno 3,11 1,53 0, ,9 Búmper de carro ,92 1,47 0,78 79,6 Estereofón 3,63 1,79 0, ,2 Caucho de llanta ,45 1,28 0,70 78,4 SBR 3,00 1,52 0, ,9 SBS 3,60 2,04 1, ,0 G*/sinδ 2,2 kpa, Asfalto envejecido con RTFO Temperatura 64 C 70 C 76 C 82 C True PG AC-30 5,97 2,94 1, ,4 Bolsa de polietileno 11,31 5,55 2,77 1,35 77,8 Búmper de carro ,88 1,50 78,4 Estereofón ,65 2,33 1,20 76,5 Caucho de llanta ,51 1,34 77,2 SBR 9,23 4,87 2,60 1,19 76,8 SBS 13,84 8,13 4,89 2,17 82,4 G* sinδ 5 MPa, Asfalto envejecido con RTFO+PAV Temperatura Temp. Intermedia ( C) MPa AC ,14 Bolsa de polietileno 22 4,14 Búmper de carro 25 4,44 Estereofón 25 4,15 Caucho de llanta 22 4,34 SBR 13 4,20 SBS 22 4,89 PG alta temperatura 1+ grado PG temp. intermedia igual ó 1+ grado

31 Análisis Reológico (Básico) Creep Repetido Menores deformaciones e p Creep Repetido Resistencia a la deformación

32 Análisis Reológico (Básico) MSCR Modificante Resultado J NR@3,2KPa (J NR@3,2KPa- J NR@0,1KPa ) /J NR@0,1KPa AC ,344 0,22 Bolsa polietileno Tráfico Estándar 3,180 0,26 Búmper de carro Tráfico Alto 1,476 0,25 Estereofón Tráfico Alto 1,952 0,24 Caucho de llanta Tráfico Alto 1,831 0,32 SBR Tráfico Estándar 3,284 0,37 SBS Tráfico Alto 1,575 0,26 Traffic Conditions J NR@3,2KPa (J NR@3,2KPa- J NR@0,1KPa ) /J NR@0,1KPa Tráfico Estándar (< 1x10 7 ESALs) < 4 < 0,75 Tráfico Alto (1x10 7 3x10 7 ESALs) < 2 < 0,75 Tráfico Muy Alto (> 3x10 7 ESALs) < 1 < 0,75 Aplicaciones de alto tránsito J NR ( t) e ( t) tiempo MSCR tiempo

33 Análisis Reológico (Básico) Fatiga Mayor tiempo para micro-fisuración Fatiga Resistencia al agrietamiento

34 Curvas Maestras de asfalto

35 Modelo-CAM G* curva Master-Master a la temperatura y deformación de referencia CAM

36 Daño por humedad, adhesión y cohesión GONIOMETRO

37 Dispensador de disolvente Fuente de luz Cámara CCD

38 Qué se mide con un goniómetro?

39 Ángulo de contacto estático Ángulo de contacto dinámico Ángulo de avance Ángulo de retroceso Forma de la gota

40 Además Energía superficial, trabajo de adhesión, tensión superfacial e interfacial. Estas propiedades de los materiales son importantes en la investigación del daño por humedad en mezclas asfálticas.

41 Balanza de tensión

42 Anillo de Nouy Cámara térmica Controlador de altura

43 Entre las aplicaciones más importantes de este equipo están las mediciones de tensión superficial, energía interfacial y concentración micelar crítica (CMC) de surfactantes.

44 Otras maneras de medir Medición de sólidos Anillo de Nouy

45 MORTEROS o MASTIC ASFALTICO DMA Análisis de Daño Mecánico

46 DMA Modos de Deformación Tensión Flexión en 3 puntos

47 DMA Modos de Deformación Cortante Voladizo Simple o Dual

48 DMA Modos de Operación Multi frecuencia-esfuerzo/deformación Multi Esfuerzo/Deformación Flujo plástico Creep Control de fuerza y deformación Isodeformación

49 DMA Geometría de los especímenes

50 DMA Resultados Módulo de almacenamiento Módulo de pérdida Cumplimiento Módulo Complejo de cortante Viscosidad Compleja/Dinámica Esfuerzo de fluencia Módulo de Relajación Fuerza Estática/Dinámica Temperatura Tiempo Esfuerzo Tensión Frecuencia Desplazamiento Rigidez Ejemplo de ensayo de barrido de frecuencia y rampa de temperatura

51 MEZCLAS ASFALTICAS

52 Curva Maestra de Módulo Dinámico Propiedad de diseño Evalúa: Fatiga Deformación permanente Agrietamiento a baja temperatura Daño por humedad

53 M[odulo Dinamico E* at 70 F, ksi Curva Maestra de Módulo Dinámico El modulo (dinámico), E*, depende de la temperatura y de la frecuencia (tiempo) de carga 10, C E* Vida a Fatiga 1, psi E* Vida a Fatiga psi T Def. perman E-07 1.E-05 1.E-03 1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05 1.E+07 V baja, menor modulo 10 km/hr Frecuencia, Hz 60 km/hr V alta, mayor modulo T Fatiga A mayor deformación unitaria menor vida de fatiga(es decir número de repeticiones de carga que resiste un pavimento antes de la fractura).

54 E* at 70 F, ksi Curva Maestra de Módulo Dinámico 10,000 1, E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 Frequency, Hz F (0F-T) F (1F-T) F (3F-T) Determinando el daño por humedad

55 Modulus at 70 F, ksi Curva Maestra de Módulo Dinámico 10,000 1, E-07 1.E-05 1.E-03 1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05 1.E+07 Frequency, Hz L-0-0 L-15-0 L L Comparación de Propiedades Mecánicas en Mezcla Reciclada

56 Resistencia al agrietamiento térmico Preparación muestras TSRST Caída de temp. a 10 C/hr Altura Const.

57 Deformación Permanente Ensayo triaxial repetido o creep uniaxial

58 Fatiga Viga de 4-puntos

59 Reflejo de Grietas Grieta, dos fases: Iniciación, Miner Progragación, Paris

60 Daño por Humedad MIST Evaluador de Daño por Humedad Inducido- Aplica presión y temperatura para simular de manera acelerada el daño por humedad

61 Ensayos Acelerados a Escala Natural

62 Introducción Situación del monitoreo a largo plazo de estructuras de pavimento en Costa Rica Posibilidades de ensayos a escala natural

63 Introducción Escogencia de un sistema de Ensayo Acelerado de Pavimentos (APT) mediante un Simulador de Vehículos Pesados (HVS) Conceptualización Inicial

64 Introducción

65 Introducción Desarrollo del PaveLab en LanammeUCR Importancia Instalaciones necesarias Implicaciones en el recurso humano Desarrollo del proceso de implementación

66 Implementación del PaveLab

67 Implementación del PaveLab

68 Conformación del Pavelab

69 Instrumentación Transductor PAST Transductor SOPT Deflectómetro profundidad múltiple MDD Medidor de actividad en grietas Deflectómetro de superficie Perfilómetro Laser 3D

70 Diseño de fosa Análisis de profundidad necesaria para disipar esfuerzos Análisis mediante Elemento Finito (EverStressFE)

71 Investigación Actual Cuatro tramos experimentales, dos pistas con una replica. Comparación estructural de espesores de mezcla asfáltica con tipos de bases (granular vs. Estabilizado) Propiedades\Tramo AC1 AC2 AC3 AC4 H1, cm - (MA) H2, cm - (Base) H3, cm - (SB) C, MPa E2, MPa E3, MPa E4, MPa

72 Thickness, cm Thickness, in Investigación Actual Test Section AC1 AC2 AC3 AC4 HMA HMA HMA HMA CTB GB GB CTB SB SB SB SB

73 Investigación Actual

74 Investigación Actual

75 Investigación Actual

76 Vertical Stress, kpa Investigación Actual kn kn Distance, m

77 Investigación Actual Ejes Equivalentes (Millones) Aplicación de carga - Repeticiones de carga contra Ejes Equivalentes Número de repeticiones (Millones)

78 Conclusiones La implementación del APT se enmarca dentro del objetivo de mejorar la calidad de vida y competitividad del país. Evaluación desde la nanoescala a la escala natural El APT es fundamental en el desarrollo de nuevas especificaciones técnicas.

79 Conclusiones El APT es clave en el desarrollo de una Guía Empírica-Mecanista de diseño de pavimentos. Generación de modelos de deterioro. Evaluación de materiales locales. Investigación en nuevas técnicas, tendencias o procedimientos.

80 Conclusiones En desarrollo ensayos UV Cada material debe ser analizado con todo detalle En la medida que los recursos lo permitan, no se debe desdeñar el diseño de materiales Hay un diseño para cada tipo de material y necesidad

81 Muchas Gracias!