Sistema de selección de Asfaltos para uso vial
Especificación de Asfaltos y Asfaltos Modificados para rangos de temperaturas especificas

Las nuevas especificaciones para asfaltos y asfaltos modificados desarrolladas por el Programa Estratégico de lnvestigaciones en Caminos SHRP de los EEUU permiten establecer un sistema de clasificación y selección del ligante en función de las condiciones climaticas del lugar.  Dichas condiciones expresadas en rangos de temperaturas de diseño del pavimento permiten calcular las propiedades de flujo y deformación de los ligantes para unas condiciones de carga y temperatura adecuadas al proyecto en cuestión. Dichas especificaciones relacionan las propiedades físicas de los asfaltos con principios ingenieriles de manera que por primera vez se esta en condiciones de relacionar caracteristicas reológicas del ligante con el comportamiento del mismo en servicio, propiedad esta de suma trascendencia a fin de prever la durabilidad del asfalto.

Las especificaciones tradicionales basadas en ensayos de base empirica (penetración, ductilidad, punto de ablandamiento, viscosidad capilar, etc.) se basan en ensayos realizados a una sola y determinada temperatura cuyo resultado es comparado con un rango determinado por una especificación.  Los resultados de los ensayos se comparan con criterios especificados, lo cual tiene como principal desventaja la necesidad de requerir experiencia previa de camino para poder relacionar el ensayo con el comportamien­to en servicio.  Ello no solo no es posible en muchos casos sino que además pue­de conducir a serios errores cuando se extrapolan resultados de una región a otra.

En las especificaciones SHRP para ligantes el valor del parámetro es siempre constante pero medido a distintas tempe­raturas.  Con ello se logra que se establezca un valor critico constante de la propiedad a analizar variando la temperatura del ensayo para la cual el valor es alcanzado.  Se especifican así diferentes ligantes para diferentes climas a fin de alcanzar un comportamiento adecuado en todos los climas.

Los ensayos que se realizan en cumplimiento con las nuevas especificaciones SHRP contenidas en el Superpave se basan en medir propiedades fundamentales de los asfaltos, esto es aquellas que pueden relacionar tensiones deformaciones en el material. Los modulos complejo y Stiffness del asfalto son medidos (no estimados) a las temperaturas de ensayo. Asimismo la deformación a baja temperatura y la viscosidad rotacional a alta temperatura son parte del conjunto de ensayos utilizados.

Con la información de viscosidad rotacional, módulo complejo, módulo stiffness y deformación a la rotura medi­das a temperaturas criticas de servicio se tiene un espectro de caracteristicas del ligante que permiten confiar en ensayos realizados bajo condiciones que simulan tres etapas criticas por las que pasa el asfalto en servicio, deformaciones permanentes, fatiga y fisuración térmica.

Las temperaturas de diseño del sistema de clasificación de asfaltos Superpave han sido elegidas en función de los tres mecanismos de falla más importantes ya mencionados.  Así se comprobó que las temperaturas más criticas en el rango de altas temperaturas son aquellas máximas temperaturas que se producen en el año durante 7 días corridos.  En el caso de las bajas temperaturas se considera como critica la menor temperatura alcanzada durante el año.  En relación con los fenómenos de fatiga se calculan los parámetros a temperaturas intermedias.

Las temperaturas mencionadas son las del aire y se computan para un pro­medio no menor de 20 años de datos acumulados en las estaciones meteorológicas.  Mediante un algoritmo se traducen en temperaturas del pavimento a 20 mm de la superficie, con lo cual se esta en condiciones de determinar las propiedades de los asfaltos a dichas temperaturas y para el transito estimado. 

Los grados asfálticos contenidos en la especificación Superpave indican las temperaturas superiores e inferiores que los mismos resisten adecuadamente afín de maximizar la resistencia a deformaciones permanente, fisuras por fatiga y fisuramiento térmico.  Ellos pueden sintetizarse en el siguiente cuadro:

Como puede verse, para cada temperatura alta existen varias temperaturas bajas que conforman a un grado asfáltico determinado.  Así por ejemplo un PG 46 puede ser PG 46-34 ó PG 46-40 ó PG 46-46 que significa que resiste hasta los 7 días corridos de 46ºC de temperatura promedio del periodo considerado (mayor que 20 años) y hasta una temperatura mínima de –34ºC, ó –40ºC, ó –46ºC.

Retornando al cuadro de grados asfalticos puede también observarse que los intervalos de temperaturas en el ran­go de las altas van en incrementos de 6ºC. Ello responde a un cuidadoso estudio realizado por el SHRP en función de las distintas regiones climáticas de los EE.UU. y el Canadá.  Se quiso obtener tantos grados como regiones pero al mismo tiempo no incrementar tanto los grados tal que pudiera resultar su fabricación económicamente no conveniente.

Finalmente, la selección del grado de ligante asfáltico en el sistema de clasificación Superpave se realiza de tres maneras: por área geografica a través del uso de mapas de temperaturas especialmente diseñados, por temperaturas del aire que luego se convierten en tempera­turas del pavimento o bien por tempera­turas del pavimento de diseño determinadas por el proyectista.  Existe una corrección por tipo de tránsito contemplada dentro del sistema Superpave con lo cual el asfalto es seleccionado según el clima y el tránsito de la región.

El sistema de clasificación y selección de ligantes asfalticos Superpave se espera que sea usado en forma rutinaria en todo EE.UU. para 1997. Algunos estados ya han reemplazado el viejo sistema basado en viscosidades por el nuevo desa­rrollado por el SHRP, tal es el caso del estado de Michigan cuyo Departamento de Transporte editará sus especificaciones para caminos reemplazando la tradicional especificación de asfaltos por la nueva creada por SHRP.  A manera de ejemplo se cita que han encontrado que el asfalto 85-100 cumple con un grado PG 58-28 del Superpave.

1. DISEÑO DE MEZCLAS SUPERPAVE

El sistema SUPERPAVE presenta 3 diferentes niveles de diseño de mezcla, en todos los cuales se incluye el diseño volumetrico, los niveles son:
-En el nivel 1, basta con aplicar especificaciones granulometricas y controles de tipo volumetrico.
-En el nivel 2, se realizan pruebas basadas en el comportamiento mecanico de las mezclas, para permitir la optimizacion del diseño de la mezcla para que resista a la deformacion permanente y al agrietamiento por fatiga y/o bajas temperaturas. Las pruebas que se ejecutan en este nivel, se enfocan principalmente en proveer una estimacion de la cantidad de deformación permanente y agrietamiento que puede ocurrir durante la vida del pavimento.
-En el nivel 3, se emplean pruebas adicionales que permiten una estimacion mas precisa de la deformacion permanente, el agrietamiento por fatiga y baja temperatura.
Para seleccionar el nivel a emplearse en el diseño de mezcla, el trafico de diseño es el factor que determina el procedimiento de evaluacion de las caracteristicas mecanicas a seguir para el estudio de la mezcla. Así, en términos de ESAL los criterios para definir el nivel de diseno son:
. Nivel 1, para los traficos mas ligeros ( Menor o igual a 10 6 ESAL) 
. Nivel 2, para traficos medios ( Entre 10 6 y 10 7 ESAL ) 
. Nivel 3, para traficos pesados ( Mayor o igual a 10 7 ESAL)
Siendo ESAL = Equivalent Single Axle Load, eje equivalente simple de 80 KN ( 18,000 lb)

Estadisticamente los niveles 1 y 2 son los mayoritarios en el caso de las carreteras peruanas. Cada uno de los niveles superiores implica la realización de la evaluación correspondiente a los niveles inferiores. De esta forma en todos los niveles existe una parte comun que comprende: 
- Selección del tipo de asfalto segun las especificaciones. 
- Comprobación de la calidad de los aridos elegidos
- Definición de la granulometria..
- Analisis de la sensibilidad del agua.

En el caso del Nivel 2 se completa esta primera información con ensayos relativos a:
- Formación de ahuellamiento por deformación plastica
- Fisuración por fatiga
- Fisuración de origen termico. 

En el nivel 3 se amplian los analisis del Nivel 2 realizandolos a varias temperatura y tambien mediante otros ensayos complementarios.

2. EQUIPOS Y ENSAYOS DE LABORATORIO

Para simular las condiciones de envejecimiento en un pavimento real los asfaltos son envejecidos en laboratorio empleando el horno de pelicula delgada rotativa (RTFO) que simula el endurecimiento por oxidacion que ocurre durante el proceso de mezclado en caliente y la colocacion y un equipo de envejecimiento a presión (PAV) se utiliza en el laboratorio para simular el severo envejecimiento que sufre el asfalto despues de varios años de servicio en un pavimento. La medicion de las propiedades fisicas del asfalto son realizadas antes y despues de ser someter las muestras a este proceso utilizando los siguientes dispositivos:
- Reometro de corte dinamico (DSR = Dynamic Shear Rheometer) que se emplea para caracterizar las propiedades visco-elasticas del asfalto. Mide el modulo complejo en corte (G*) y el angulo de fase (delta), sometiendo a la muestra de asfalto a tensiones de corte oscilante.
- Viscosimetro rotacional (RV = Rotational Viscometer) caracteriza el módulo de rigidez del asfalto a 135 °C, temperatura a la cual actua casi enteramente como un fluido. Consiste en un cilindro coaxial rotacional, que mide la viscosidad por medio del torque requerido para rotar un eje, sumergido en una muestra de asfalto caliente, a una velocidad constante.
- El reómetro de flexión (BBR = Bending Beam Rheometer) se usa para caracterizar las propiedades del modulo de rigidez del asfalto a bajas temperaturas, que es cuando el asfalto se comporta como un solido elastico.
El ensayo consiste en someter a una probeta en forma de viga a una carga constante midiendo la deformacion en el centro de la viga durante el tiempo que dura el ensayo. La carga simula las acciones termicas que gradualmente se forman en el pavimento cuando descienden las temperaturas determinando la temperatura minima a la cual el asfalto puede ser utilizado.

- Ensayo de traccion directa (DDT = Direct Tension Test) mide la deformacion especifica de falla en traccion sobre una muestra en forma de viga de 50.8 x 50.8 x 254 mm que es estirada a bajas temperaturas hasta que se corta. 
Este ensayo permite conocer la máxima resistencia del asfalto al fisuramiento para una baja temperatura. El SUPERPAVE emplea modelos de prediccion del comportamiento cuyos datos de entrada son los resultados de dos procedimientos de ensayo: El ensayo de corte Superpave (SST = Superpave Shear Tester) y el Ensayo de Traccion Indirecta (IDT =Indirect Tensile Tester).

Otro aspecto interesante del Sistema SUPERPAVE, es el proceso de compactacion de la mezcla en laboratorio utilizando el Compactador Giratorio SUPERPAVE, que se usa para diseñar mezclas asfalticas que no sean muy facilmente compactables y que no se densifiquen a un peligroso bajo contenido de vacios ante la accion del transito. Antes de ser compactada por el Compactador Giratorio SUPERPAVE, la mezcla suelta es envejecida en horno a 135°C durante 4 horas para simular el
envejecimiento a corto plazo durante el proceso de mezclado en caliente. 

3. FORMULACION DE MEZCLAS ASFALTICAS CON EL METODO SUPERPAVE

Nivel 1
El primer Paso es la selección del tipo de asfafto a emplearse que se realiza en funcion a los criterios de temperatura superior a inferior de diseno del sistema SUPERPAVE para asfaltos, apoyandose en el concepto de que un asfalto para tener un comportamiento satisfactorio durante el proceso constructivo y a to largo de su vida de servicio, debe cumplir con una serie de propiedades fisicas a temperaturas extremas de servicio. Los requerimientos para el asfalto son siempre los mismos para todos los grados PG (Performance Grade - Grado de Performance), mientras que cambian las temperaturas a las que cada requisito debe obtenerse. Estas temperaturas corresponden con las maximas y minimas presentes en el sitio de la obra. Adicionalmente, SUPERPAVE presenta especificaciones comunes a todos los grados PG, con la finalidad de garantizar el bombeo en planta y propiedades seguras de trabajo. Estas especificaciones son: punto de inflamacion, viscosidad maxima a alta temperatura y pérdida de masa en el RTFO. 
Para determinar las temperaturas maximas y minimas en el sitio de obra y definir el grado PG requerido, SUPERPAVE propone disponer de una base de datos de temperatura del aire lo suficientemente amplia (minimo 20 años de registros) en el sitio del proyecto y definir para cada aiio los siete dias continuos de mayor temperatura del aire. La temperatura minima del aire es el promedio de la menor temperatura durante los años de registro.
Sin embargo, las nuevas especificaciones estan basadas en las temperaturas del pavimento y no en las del aire. La temperatura maxima de diseño esta definida a una profundidad de 20 mm por debajo de la superficie del pavimento y la minima en su superficie.
Con la información metereológica, el proyectista elige unicamente el grado de riesgo: 50% ó 98%. Tambien se tiene en cuenta la velocidad del trafico mediante el aumento de un grado, por la parte de las temperaturas superiores, en las especificaciones del asfalto, esto es 6°C de la temperatura superior de diseno, para los traficos lentos.

• Por otro lado, los aridos a emplear deben reunir una serie de requisitos, unos obligatorios y otros opcionales. Entre los opcionales se encuentran:
• Angularidad de los elementos petreos gruesos: caras de fractura para los elementos retenidos por el tamiz de 4.75 mm.
• Angularidad de los elementos finos: ensayo de contenido de huecos de una muestra no compactada del material. 
• Forma de las particulas: lajas y agujas
• Calidad de los finos: equivalente de arena.
• Resistencia al desgaste Los Angeles.
• Presencia de materiales extranos o perjudiciales : arcilla, materia organica, etc.
• Resistencia a los agentes climaticos: resistencia a los sulfatos.

El sistema SUPERPAVE especifica limites solamente para las cuatro primeras caracteristicas anteriores (Tablas 2 y 3). Los limites se establecen en funci6n del trafico y de la profundidad a la que va a estar ubicada la mezcla dentro de la estructura del pavimento.

La curva granulometrica se debe situar dentro de un huso definido unicamente mediante cuatro puntos: tamano maximo (pasa 100%), tamano maximo normal ( primer tamiz que retiene, con un maximo del 10%), finos (pasa por el tamiz 2,36 mm) y polvo mineral (pasa por el tamiz 75 um). El sistema SUPERPAVE establece cinco usos granulometricos correspond ientes a tamaños maximos nominales de 37,5 mm, 25 mm, 19 mm, 12,5 mm y 9,5 mm.

Nivel 2
En el nivel 2 se realizan ensayos para verificar la idoneidad de la mezcla en relación con los aspectos en servicio. En particular, se examina el comportamiento frente a las deformaciones permanentes, la fatiga y la fisuración térmica.
En este nivel, el proyectista define los niveles de deterioro admisibles: porcentaje de superficie fisurada por fatiga, profundidad de huella y numero de fisuras por retracci6n termica. Se sugieren como valores aceptables los de 10 mm de profundidad de huella y 10% de superficie fisurada por fatiga.
En función de los datos metereológicos, el metodo determina las denominadas temperaturas efectivas, una media para la resistencia a la fatiga y otra alta para la resistencia a la deformación plastica. El SUPERPAVE estima la resistencia a la fatiga mediante procedimientos empiricos basados en los resultados de los ensayos de cizallamiento a altura constante o de tracción directa.

Nivel 3
En este nivel se mantiene el esquema de trabajo del nivel 2, pero la caracterizacibn del diseno es mas completa y precisa: tomando varios intervalos de temperaturas dentro de un mismo año y utilizando los metodos teoricos de calculo de profundidad de ahuellamiento, introduciendo otros ensayos (carga uniaxial y carga isotropa) para un mejor conocimiento de las deformaciones permanentes.
Asimismo, esta previsto, aunque con carficter optativo, la validación de los resultados con otros ensayos: deformacion en pista, fatiga sobre probeta prismática en flexión, retraccion termica impedida, entre otros.

Para mayor información envíe un mail a info@e-asfalto.com

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