EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MICROAGLOMERADO EN FRÍO CON FIBRA DE VIDRIO EN EL SIMULADOR DE VEHÍCULOS PESADOS

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1 EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MICROAGLOMERADO EN FRÍO CON FIBRA DE VIDRIO EN EL SIMULADOR DE VEHÍCULOS PESADOS Juan Aguilar Maldonado 1, Roberto Israel Hernández Domínguez 2 y Rafael Soto Espitia 3 1 Estudiante de la Maestría en Infraestructura del Transporte Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Ave Francisco J Mujica S/N, Col Felicitas del Río, 58040, Morelia, México jamgineer@gmailcom 2 Instituto Mexicano del Transporte, Km , Carretera Estatal No 431 "El Colorado- Galindo"/ Parque Tecnológico Sanfandila/ Mpio Pedro Escobedo, Querétaro 3 Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Ave Francisco J Mujica S/N, Col Felicitas del Río, 58040, Morelia RESUMEN Un ensayo acelerado de pavimentos (APT) proporciona un nivel de conocimiento razonable entre las cargas reales del pavimento en un tramo en operación y el mismo desempeño bajo condiciones de cargas controladas Así mismo, permite el monitoreo de la acumulación de daño en un periodo tiempo reducido Debido al aumento de cargas pesadas y tráfico durante las últimas décadas en las carreteras mexicanas, el interés por las capas de base tratadas con cemento (CTB) ha crecido significativamente Por lo tanto, este material de pavimento se ha convertido en tema de interés en el laboratorio y ahora en las pruebas de ensayos acelerados en pavimentos con el fin de conocer sus beneficios como soportar cargas pesadas y su susceptibilidad al agrietamiento y los principales otro tipo de deterioros El objeto de este trabajo se enfoca sobre un microaglomerado en frio reforzado con fibra de vidrio para proteger la base estabilizada con cemento del clima, por razones de desgaste y estéticas, pero el propósito principal de combinar un microaglomerado con una CTB es evitar el agrietamiento o al menos retrasar su aparición Este artículo describe el desempeño de una mezcla de asfalto en frío reforzada con fibra de vidrio sobre la CTB utilizando el Simulador de Vehículos Pesados (HVS) Los valores de IFI (Índice de Fricción Internacional) mostraron un decremento gradual debido a la macrotextura después de haber sido sometidos a más de 100,000 repeticiones de carga, no se encontraron deformaciones excesivas de forma longitudinal y transversal, ni el desarrollo del IRI (International Roughness Index) debido a la rigidez 1

2 Confiabilidad de la CTB, también se presenta un modelo de desempeño para la macrotextura y fricción, así como se discuten los atributos de protección contra el agrietamiento por reflexión de la fibra de vidrio, y se destacan los beneficios de la prueba acelerada en pavimentos para capas de rodadura Palabras Claves: Capa de rodadura, fibra de vidrio, APT INTRODUCCIÓN Se define como ensayo acelerado de pavimentos a aquel estudio donde se aplica una carga controlada en una rueda tipo, sobre un sistema de pavimento multicapas con el objetivo de determinar la respuesta y su comportamiento bajo una acumulación de daño acelerado y controlado en un periodo corto de tiempo Los ensayes acelerados en pavimentos a escala real, han demostrado ser una herramienta valiosa que llena el espacio que hay entre los modelos de comportamiento, pruebas de laboratorio y las pruebas de largo plazo en pavimentos en servicio (Fig 1) Se utilizan para comprender mejor el comportamiento de los pavimentos, tratamiento de materiales alternativos, evaluación de nuevos materiales y aditivos, nuevas técnicas de construcción, nuevos tipos de estructuras Además de que permite una rápida comparación entre las actuales y nuevas prácticas y la capacidad de validar y calibrar modelos con datos de calidad, con mínimo riesgo y relativamente bajo costo El Heavy Vehicle Simulator o HVS, es un equipo para realizar ensayes acelerados de pavimentos y México cuenta con uno de ellos, el modelo Mark VI Programas de monitoreo a largo plazo (10 30 años) Pruebas aceleradas (meses) Pruebas de laboratorio (semanas) Análisis de cómputo (días) Tiempo + Costo Fig 1 Relación Tiempo + costo vs Confiabilidad en ensayos en pavimentos El alcance en el área de investigación y desarrollo que puede realizarse con el equipo HVS es muy amplio, los estudios se rigen con el enfoque de entender el comportamiento de los pavimentos de cualquier tipo y para diferentes modos de 2

3 transporte, bajo diferentes condiciones de carga y ambientales, en periodos de tiempo relativamente cortos con un alto grado de confiabilidad Desde la perfectiva de la estructura del pavimento, estos estudios pueden clasificarse en: Determinación de capas débiles en una sección de pavimento y su modo de falla Evaluación de la influencia ambiental en el desempeño Ya sea temperatura o humedad Pruebas comparativas modificando una sola variable en dos secciones de prueba idénticas Identificar y resaltar las deficiencias en prácticas constructivas actuales Evaluar nuevos materiales de construcción, aditivos y mejoradores de desempeño en materiales de pavimentación Revisar especificaciones y normas de construcción antes de una implementación a gran escala Calibrar y validar modelos de deterioro para el diseño estructural Comparar procedimientos constructivos Vincular pruebas de laboratorio con los resultados observados en campo Evaluar el impacto de nuevas ruedas, límites de carga, presiones de inflado, etc Evaluación de vida remanente en pavimentos en operación PROTOCOLOS DE PRUEBA En este trabajo se presenta el ensayo de la capa de una rodadura aplicada sobre una base estabilizada con cemento y zeolitas sintéticas y se realizó utilizando el Simulador de Vehículos Pesados (HVS) La aplicación de carga con el equipo HVS fue programada para comenzar 28 días después de la colocación del microaglomerado con una carga inicial de 20 kn en medio eje dual, con una presión en las llantas de 700 kpa La carga de las llantas se programó de manera unidireccional con una velocidad constante de 8 km/h durante todo el ensayo, así mismo se propuso un vagueo lateral (wander) distribuido de forma normal La aplicación de carga con desplazamiento lateral se hizo de la posición 7 a la 31, es decir, 30 cm a cada lado a partir del centro de la pista de prueba de acuerdo a la figura 2 Se realizaron mediciones cada ciclo de 4,000 aplicaciones de carga La carga aplicada que se inició con 20 kn fue gradualmente aumentando hasta una carga máxima de 80 kn, completando 100,000 aplicaciones de carga como puede observarse en la figura 3 3

4 Carga aplicada (kn) Frecuencia % 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Distancia del centro (cm) Figura 2 Distribución del centro de carga (desplazamiento lateral) ,000 40,000 60,000 80, ,000 Aplicaciones de carga Figura 3 Gráfica de aplicaciones de carga contra nivel de carga aplicada Cálculo de ejes equivalentes Para pasar de número de repeticiones con diferentes niveles de carga a cantidad de ejes equivalentes de carga se requiere de un factor de daño (Ecuación 1) El factor de daño utilizado para calcular los ejes equivalentes de 80 kn a partir de las otras cargas 4

5 ESAL's de 80 kn es de 42, de acuerdo a experiencias de otros investigadores que han utilizado el mismo equipo en ensayos acelerados de pavimentos (Harvey & Du Plessis, 1996) P LEF (ec1) 40kN Donde; LEF = Factor equivalente de carga P = Carga aplicada, en kn n = Factor de daño n Al finalizar el ensayo se completaron 100,000 aplicaciones de carga, dando como resultado la acumulación de 500,000 ejes equivalentes de carga, como se muestra en la figura 4 600, , , , , , ,000 40,000 60,000 80, , ,000 Aplicaciones de carga Figura 4 Ejes equivalentes acumuados ANÁLISIS DE RESULTADOS Deformación permanente superficial Una vez obtenido el perfil completo del tramo, se realizó un proceso de ajuste y tratamiento de los datos, se crearon gráficos de deformación permanente en sentido transversal de la superficie durante las diversas etapas del ensayo La figura 5 muestra el segmento del tramo de estudio donde se obtiene el perfil tridimensional y un ejemplo del mismo El tramo de estudio comprende 1460 m de largo por 160 m de ancho 5

6 Elevación (mm) Elevación (mm) Superficie del pavimento (100,000 ciclos) Distancia longitudinal (m) Figura 5 Perfil del tramo al finalizar el ensayo En la figura 6 se presentan secciones transversales promedio obtenidas a partir del perfil medido para diferentes niveles de repeticiones de carga, donde se puede observar que no se ha presentado deformación permanente significativa, debido principalmente a la rigidez de la base estabilizada con cemento sobre la que se aplicó la capa de rodadura, así como también por la acumulación de daño que se le aplicó hasta el término del ensayo Distancia transversal (m) 0 20,000 40,000 60,000 80, ,000 Figura 6 Deformación transversal promedio 6

7 IRI (mm/m) Regularidad superficial La regularidad superficial se determinó mediante el parámetro Índice de Regularidad Internacional (IRI) Mediante las mediciones del perfil registradas con el perfilómetro láser incorporado, se procedió el IRI del tramo de ensayo a diferentes niveles de aplicación de carga En la figura 7 se presenta la evolución de la regularidad superficial conforme avanzaron las repeticiones de carga Donde se puede apreciar que no se presentan cambios significativos, es decir, no se desarrollaron alteraciones significativas del perfil longitudinal 530 Evolución IRI promedio ,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 90, ,000 Repeticiones de carga Figura 7 Irregularidad superficial (IRI) en función de repeticiones de carga Macrotextura La macrotextura se determinó con el parámetro MPD (Profundidad Media del Perfil) de acuerdo a la norma ASTM E , mediante las mediciones obtenidas con el perfilómetro laser externo transversal Los valores de macrotextura (MPD) obtenidos en diferentes etapas del ensayo se presentan en la Figura 8, en la cual se puede observar una disminución en la macrotextura relativamente grande en las primeras aplicaciones de carga, para después presentar una tendencia a disminuir muy baja Este comportamiento se debe principalmente al reacomodo de los agregados que conforman la mezcla asfáltica al inicio del ensayo al aplicar las primeras repeticiones de carga 7

8 MPD (mm) 300 Evolución macrotextura ,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 90, ,000 Repeticiones de carga a b c d e Figura 8 Evolución de la macrotextura en función de repeticiones de carga Fricción El parámetro de fricción se determinó con la prueba del Péndulo de Fricción Británico, de acuerdo a la norma ASTM E En la Figura 9 se graficaron los valores obtenidos de Péndulo británico (BPN, Número de Péndulo Británico) en función de las repeticiones de carga a lo largo del ensayo, donde se puede notar un comportamiento diferente a la evolución de la macrotextura, es decir, en el parámetro de fricción con el Péndulo británico no influye el reacomodo inicial que presentó el microaglomerado 8

9 Fricción (BPN) Evolución fricción ,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 90, ,000 Repeticiones de carga a b c Figura 9 Evolución de la fricción en función de las repeticiones de carga Índice de Fricción Internacional (IFI) El Índice de Fricción Internacional (IFI) consta de dos parámetros, la constante de velocidad (Sp) y la fricción idealizada a 60 km/h (F60), los cuales dependen de los equipos de medición Se presentan los coeficientes utilizados para el cálculo de los parámetros Sp y F60, propuestos en el experimento de la PIARC Sp a b Tx (Ecuación 2) Tabla 1 Coeficientes a y b para los equipos de macrotextura utilizados Equipo de medición MPD / Perfilómetro (Eq A5, ASTM E 1845) MTD / Círculo de arena (Eq A8, ASTM E 965) Constantes a b S 60 F(60) A B FR( S) e Sp (Ecuación 3) 9

10 Fricción Tabla 2 Coeficientes A y B para el equipo de fricción utilizado Equipo de medición Péndulo Británico (medición en MPD) Péndulo Británico (medición en MTD) Constantes A B En la figura 10 se presenta las gráficas del IFI en distintos niveles de repeticiones o ciclos de carga Para el cálculo del IFI se utilizaron los valores obtenidos de las mediciones de macrotextura medidas con MPD y los valores de las mediciones de fricción con el Péndulo Británico El parámetro del IFI se basa en un principio fundamental, en el cual expone que la fricción a basas velocidades depende exclusivamente de la microtextura del pavimento y la fricción a altas velocidades depende exclusivamente de la macrotextura Este principio podemos corroborarlo en la figura 10, en donde se puede notar que las curvas de 60,000; 72,000 y 100,000 aplicaciones de carga arrojan valores similares a altas velocidades, es decir, que presentan valores de macrotextura muy similares De igual manera tomando en cuenta estas curvas, se nota que a bajos valores de velocidad de deslizamiento si presentan variación en los valores de fricción Curva Fricción - Velocidad de deslizamiento (Sección central) Velocidad (km/h) 0 Ciclos (056,17652) 16,000 Ciclos (040,11018) 36,000 Ciclos (038,9312) 60,000 Ciclos (034,8630) 72,000 Ciclos (033,8128) 100,000 Ciclos (031,8804) 10

11 Análisis estadístico de los resultados Para el análisis estadístico de los datos, así como para obtener los modelos de regresión lineal, se utilizó el software estadístico Minitab Se propusieron diferentes modelos tanto de regresión lineal simple y de regresión lineal múltiple para macrotextura y fricción El software, además de proporcionarnos la ecuación de regresión lineal y el valor del R 2, también nos muestra la prueba de hipótesis realizada a los coeficientes de la ecuación de regresión lineal La ecuación de regresión lineal es de la forma Y x x Ecuación n n Donde Y = La variable respuesta x1-xn = Las variables predictoras o regresores β0 = constante (ordenada al origen) β1-βn = Coeficientes de las variables predictoras Para la validación del modelo de regresión se tomaron las siguientes consideraciones: el coeficiente de determinación (R 2 ) el cual nos indica la linealidad del modelo lo consideraremos de 7 o mayor Los signos de los coeficientes de las variables predictoras deben ser lógicos con el deterioro que se está planteando de la capa de rodadura Los factores de inflación de la varianza (VIF), que nos indican correlación y existencia de multicolinealidad entre las variables predictoras, deben ser menor o igual a 5 Aplicar la prueba de hipótesis para cada uno de los coeficientes de los regresores para determinar que sean significativos y que realmente aportan al modelo Aplicar la prueba de normalidad a los residuos del modelo mediante la prueba Anderson-Darling, la cual el software automáticamente la calcula Modelos de regresión lineal Como se mencionó anteriormente, se analizaron diferentes propuestas de modelos de análisis de regresión lineal y diferentes combinaciones de las tres variables consideradas: Número de ciclos Ejes equivalentes Temperatura 11

12 El modelo de fricción quedó en función de los Ejes Equivalentes y la Temperatura, siendo el de mejor correlación una regresión lineal múltiple, Ecuación 4: ln BPN ESALS Temperatura Ecuación 4 Para el modelo de macrotextura el mejor coeficiente de correlación se encontró en una regresión lineal simple quedando en función del número de ciclos, Ecuación 5: Conclusiones MPD = Ciclos Ecuación 5 El HVS es la herramienta ideal para entender mejor el comportamiento del pavimento dentro de un periodo corto de tiempo, además es un equipo muy efectivo en predecir el desempeño de cualquier combinación de capas de un pavimento, bajo las condiciones de tránsito que recibiría en su vida de diseño, con un alto grado de confiabilidad Con la utilización del HVS, se acorta sustancialmente el tiempo para implementar cualquier idea relacionada con nuevas tecnologías, materiales, especificaciones, diseño, calibración de modelos, o cualquier idea innovadora en tecnología de pavimentos, tanto para las infraestructuras carreteras como aeroportuarias y marítimas Si bien los costos de operar este equipo no son baratos, el impacto que puede aportar al mejoramiento de la infraestructura vial del país es enorme Se deberá sensibilizar en la relación beneficio costo, para sacar el mayor provecho de esta tecnología en México, la infraestructura nacional se lo merece Referencias ASTM E (2005) Standard practice for calculating pavement macrotexture mean profile depth ASTM International, Annual Book of ASTM Standards ASTM E (2003) Standard Practice for Computing International Roughness Index of Roads from Longitudinal Profile Measurements ASTM International, Annual Book of ASTM Standards ASTM E (2001) Test Method for Measuring Pavement Macrotexture Depth Using a Volumetric Technique ASTM International, Annual Book of ASTM Standards Bonilla, L A (2000) Propuesta para optimizar las estrategias de conservación de las carpetas asfálticas de las carreteras 12

13 Fuentes, L G (2009) Investigation of the Factors Influencing Skid Resistance and the International Friction Index Tampa, Florida García Conde, A (2013) Análisis de distribuciones estadísticas alternativas a las tradicionales para la optimización de los caudales de cálculo empleados en los estudios hidrológicos Harvey, J, & Du Plessis, L (1996) Initial CAL/APT program: site information, test pavements construction, pavement materials characterizations, initial CAL/HVS test results, and performance estimates Sævarsdóttir, Þ (2014) Performance Modelling of Flexible Pavements Tested in a Heavy Vehicle Simulator Reykjavik Wambold, J, Antle, C, Henry, J, & Rado, Z (1995) International PIARC Experiment to Compare and Harmonize Texture and Skid Resistance Measurements 13