EVALUACIÓN DE MÉTODOS NUEVOS Y EXISTENTES PARA PAVIMENTOS ASFÁLTICOS RECICLADOS Y LAS PROPIEDADES DEL DISEÑO DE MEZCLA Luis Guillermo Loria S., MSc, PhD. Coordinador General, PITRA-LanammeUCR @lgloria27 dapibus in, viverra quis, feugiat a, tellus ¿Qué es el LanammeUCR? LanammeUCR es un laboratorio de la Universidad de Costa Rica dedicado a: • • • • Investigación aplicada Docencia Transferencia tecnológica Cooperación técnica 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). 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 17025 – 2002 en la región latinomericana •80 ensayos acreditados LanammeUCR-Capacidad Instalada • 150 trabajadores 8000 m2 edificios • Ingenieros civiles, topógrafos • Ingenieros químicos • Químicos • Ingenieros mecánicos • Administradores • 3 Abogados • Técnicos •1 geólogo – 3 geógrafos • 50 estudiantes asistentes Capital Humano 12 Ph D 12 M Sc Graduados de: LanammeUCR-Potencial Científico -TOP 5 de Laboratorios de Carreteras en el Mundo- NANO MACRO MICRO ESCALA NATURAL El PaveLab LanammeUCR-Resumen • 50 proyectos de investigación • 300 auditorias técnicas • > 300 cursos de capacitación • > 80 000 km de pavimentos evaluados • > 3 000 participantes en TT • Convenios con 35 municipios • 10 Manual de especificaciones • > 50 asesorías - MOPT 2013: > 60 publicaciones científicas. ¿Que es el RAP? Pavimento Asfáltico Reciclado • Mezcla asfáltica en caliente que ha sido rechazada en la planta de producción. • Material recuperado en sitio. ¿Que es el RAP? Elementos que aporta: • Agregado mineral • Granulometría • Ligante asfáltico ¿Por qué usar RAP? Pavimentos Verdes • ↓ explotación de ríos y canteras • ↑ eficiencia de producción en las plantas de producción – ↓ calor – ↓ consumo de combustible – ↓ emisiones • Reducción de costos (↓ $$$) Preocupaciones respecto al uso del RAP Diseño: • ¿El material reciclado y el ligante están bien mezclados? • Variaciones en el origen y la granulometría • Como evaluar las propiedades de: – RAP-mezcla – RAP-agregados – RAP-ligante • ¿Pruebas de laboratorio apropiadas? Preocupaciones respecto al uso del RAP Desempeño •¿Que tan duradero es? • Que tan rígida es la mezcla? •¿ Deformación permanente, grietas de fatiga, grietas térmicas…? El desafío… Diseño de mezclas con altos contenidos de material reciclado (RAP)! No hay cambios importantes hasta el 15% RAP • Lineamientos para el RAP en contenidos entre 15% to 25% • > 25.0% ? •Hasta 50.0%? Objetivos de investigación • Desarrollar un sistema para: – Evaluar las propiedades del agregado reciclado; – Evaluar las propiedades del ligante reciclado, – Determinar las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica reciclada 17 Sistema para evaluar las propiedaes del agregado reciclado A. Impacto de las técnicas de extracción actuales sobre las propiedades de los agregados reciclados – Extracción de agregados desde RAP simulado: • Centrifugado (Tricloroetileno) • Reflujo (Tricloroetileno) • Horno de ignición 18 Desarrollo de un sistema para evaluar las propiedades de los agregados extraídos del RAP • Fuentes de Agregados: – Nevada: Riolita (UNR) – California: Granodiorita (UNR) – Alabama: Piedra Caliza Dura (NCAT) – Florida: Piedra Caliza Blanda (NCAT) Desarrollo de un sistema para evaluar las propiedades de los agregados extraídos del RAP • Diseño de Mezcla SP: Granulometría Intermedia. • Muestras sueltas sujetas a STOA (4 hrs a 135°C-275F) seguido de LTOA (5 días a 85°C-185F). • Extraer agregados a partir de muestras sueltas envejecidas. • Medir las propiedades físicas de los agregaos extraídos. Desarrollo de un sistema para evaluar las propiedades de los agregados extraídos del RAP • Resumen del diseño de mezcla Grado de desempeño Contenido de Asfalto óptimo (% TWM) Fuente Ubicación Mineralogía NMAS (mm) ESALs de diseño (Millones) Calera Calera, AL P. Caliza Dura 12.5 3 PG67-22 5.3 Brooksville Brooksville, FL P. Caliza Blanda 9.5 3 PG67-22 6.0 Lockwood Sparks, NV Riolita 12.5 6 PG64-22 5.9 Handley Ranch Gonzalez, CA Granodiorita 19.0 3 PG64-22 4.9 Desarrollo de un sistema para evaluar las propiedades de los agregados extraídos del RAP • Contenidos promedio de ligante extraído Fuente Piedra Caliza Dura Piedra Caliza Blanda Riolita Granodiorita Contenido de Centrífuga Asfalto promedio Rep. Prom. σ (% TWM) Reflujo Rep. Prom. Horno de Ignición σ Rep. Prom. σ 5.30 13 4.87 0.28 15 4.98 0.24 14 5.13 0.25 6.00 12 5.43 0.22 12 5.62 0.18 14 5.80 0.17 5.85 4.89 4 4 5.65 4.61 0.02 0.05 4 4 5.76 4.70 0.07 0.20 3 3 5.79 4.82 0.01 0.01 Desarrollo de un sistema para evaluar las propiedades de los agregados extraídos del RAP • Propiedades medidas: – – – – – – – – – – – Granulometría: AASHTO T27, T30 Gravedades Específicas: AASHTO T84, T85 Absorción: AASHTO T84, T85 Contenido de vacíos en AF: AASHTO T304 Caras fracturadas en AG: ASTM D5821 Finos Plásticos: AASHTO T176 Abrasión: AASHTO T96 Durabilidad: AASHTO T104 Índice de Durabilidad: AASHTO T210 Valor de Limpieza: CT 227 AIMS Agregado Grueso Gravedad Específica Bruta (Gsb) Método de Extracción Mecánica Virgen Centrífuga Reflujo Ignición Prom. σ 2.73 2.739 2.728 2.725 2.683 0.003 0.007 0.008 0.002 0.004 En tratamiento < 1s Dif. Máx. (0.009) Yes 0.006 Yes 0.013 Yes 0.015 Yes 0.003 Yes 0.007 NS NS Comparado con Sep.Meca < d3s <d2sProm Dif. Máx. (0.030) (0.035) Yes Yes Yes 0.004 Yes Yes 0.007 Yes Yes 0.010 Yes No 0.052 NS SL P. Caliza Dura Alabama Sistema para evaluar las propiedaes del agregado reciclado Propiedad del agregado Centrífuga Pasando la malla #4 Cercano al estimado 100% del tiempo Pasando la malla #200 Gravedades bruta y específicas combinadas Caras fracturadas del agregado gueso Cercano al estimado 50% del tiempo and 25% del tiempo subestimado o sobrestimado Sobre estimado 50% del tiempo y subestimado 50% del tiempo. La subestimación es probable que sea causada por la mezcla Cercano al estimado 100% del tiempo Reflujo Cercano al estimado 50% del tiempo and 25% del tiempo subestimado o sobrestimado Cercano al estimado 50% del tiempo and 25% del tiempo subestimado o sobrestimado Horno de ignición Cercano al estimado 75% del tiempo and 25% del tiempo sobrestimado Sobrestimado el 50% del tiempo y subestimado 50% del tiempo Cercano al estimado 100% del tiempo Sobreestimado el 50% del tiempo y subestimado 50% del tiempo. La subestimación es probable que sea causada por la mezcla Cercano al estimado 100% del tiempo Sobre estimado 25% del tiempo y subestimado 75% del tiempo. El diseño será conservador el 75% del tiempo. Sobre estimado 25% del tiempo y subestimado 75% del tiempo. El diseño será conservador el 75% del tiempo. Sobre estimado el 100% del tiempo. El impacto es encubierto por la mezcla Vacíos del agregado fino sin compactar Sobre estimado 25% del tiempo y subestimado 75% del tiempo. El diseño será conservador el 75% del tiempo. Equivalente de arena del agregado fino Cercano al estimado 50% del tiempo y Cercano al estimado 50% del tiempo y Cercano al estimado 50% del tiempo y sobrestimado 50% del tiempo. El diseño sobrestimado 50% del tiempo. El diseño sobrestimado 50% del tiempo. El diseño no será conservador 50% del tiempo no será conservador 50% del tiempo no será conservador 50% del tiempo Cercano al estimado 75% del tiempo y Cercano al estimado 75% del tiempo y Cercano al estimado 75% del tiempo y Abración por máquina subestimado 25% del tiempo. El diseño sobrestimado 25% del tiempo. El diseño sobrestimado 25% del tiempo. El diseño de Los Ángeneles no será conservador 25% del tiempo. será conservador. 25 será conservador. Desarrollo de un sistema para Evaluar las Propiedades del RAP Efecto de la gravedad específica del agregado reciclado en el VMA Gravedad específica del agregado reciclado(Gsb) Método A Método B Método C Medir SG del agregado extraído del RAP Asuma Pba para el agregado reciclado Usar Gse en lugar de Gsb del agregado del RAP Medir el % de materiales finos Medir Gmm de la mezcla de RAP Medir el contenido de ligante del RAP y Gmm Efecto de la gravedad específica del agregado del RAP en el VMA • RESUMEN Centrífuga Desarrollo de un sistema para Evaluar las Propiedades del RAP Efecto de la gravedad específica del agregado reciclado en el VMA Resumen general Métodos para estimar la gravedad específica del agregado del RAP Método Ae Método B f, g Porcentaje de RAP Método de Extracción Centrífuga Reflujo < 25% 25% - 50% < 10% 10% - 20% < 25% 25% - 50% < 10% 10% - 20% Horno de ignición < 10% 10% - 25% < 15% 15% - 25% Error esperado en VMA ± 0.2% ± 0.4% ± 0.2% ± 0.4% e Usando las gravedades específicas de las fracciones fina y gruesa del agregado del RAP, extraída junto con el material fino medido en porcentaje (es decir, que pasa tamiz No. 4) en el RAP. f Suponiendo que la absorción de asfalto junto con la gravedad específica máxima teórica medida para el RAP. g Supone la absorción de asfalto del agregado del RAP ± 25% del valor real. Desarrollo de un sistema para evaluar las propiedades del ligante reciclado Desarrollo de un sistema para Evaluar las Propiedades del ligante del RAP Metodologías estudiadas 1. Gráficos de mezclado (AASHTO T 323) 2. Pruebas de ligantes asfálticos recuperados (¿Solución?) 3. Método de mortero (UWM) 4. Retrocálculo de las propiedades RAP-ligante desde las propiedades de la mezcla. • • Modelo Hirsch. Modelo Huet-sayegh. Manitoba RAP Sections (PTH8) Tipos de mezclas Ligante Mezcla de campo, compactada en laboratorio Mezcla de laboratorio, compactada en laboratorio 0% RAP sin cambios de grado Pen 150-200 F-0%-150 L-0%-150 15% RAP sin cambios de grado Pen 150-200 F-15%-150 L-15%-150 50% RAP sin cambios de grado Pen 150-200 F-50%-150 L-50%-150 50% RAP cambios de grado Pen 200-300 F-50%-200 L-50%-200 Mezcla Modelo-CAM G*g Módulo dinámico a Cortante (G*) R me 1 R G*e f`c fc Frecuencia Ángulo de fase • Ge*= G*(f →0), módulo complejo en equilibrio, • Ge*=0 para ligantes y Ge*>0 para mezclas en cortante. • Gg*= G*(f →∞), módulo complejo vitrio (glass complex modulus) • fc = Parámetro de localización de la frecuencia • f¨= Frecuencia reducida, en función de ambos temperatura y deformación; y • k, me = Parámetros de forma sin dimensiones. Modelo-CAM F-0%-150 •Solvente : TE •LanammeUCR •Go de WRI •Ajustadas mediante hojas de cálculo en excel. • Desarrollado para 1.0% de deformación. • Solo para temperaturas altas e intermedias. G* Frecuencias de barrido @ varios niveles de temperatura y deformación G* curva Master-Master a la temperatura y deformación de referencia CAM MODELO HIRSCH (HM) |E* | = Módulo Dinámico para la mezcla asfáltica, en psi |G*|binder = Módulo complejo a cortante para el ligante, en psi Pc = Factor de contacto (volumen de contacto del agregado) VMA = Vacíos del agregado mineral, porcentaje. VFA = Vacíos llenos de asfalto, porcentaje. MODELO HIRSCH (HM) Curva Maestra G* • E* MC tiene que ser desplazado. • HM retrocalcula el G*. Limitaciones de las predicciones par algunas frecuencias F-0%150 Metodología Si no dispone de E* Preparar mezclas con RAP a varios RAP % Preparar morteros Preparar mezclas con RAP a varios RAP % Determinar E* MC ExtraerRecuperar ligante con TE TEMPERATURAS CRÍTICAS •Usa los gráficos de mezclado • Modelo CAS si se necesita más información Si dispone de E* TEMPERATURAS CRÍTICAS Modelos analíticos: HUET-Sayegh Hirsh TEMPERATURAS CRÍTICAS Tramos de prueba en Manitoba Resultados de Laboratorio Tramos con RAP en Manitoba (PTH8) Carril con tránsito pesado 3 km 3 km 3 km 1 - 3 km capa HMA/50% RAP 4ta capa con cambio en PG HMA/15% RAP 4ta capa HMA/No RAP 4ta capa HMA/50% RAP 3ra capa HMA/50% RAP 3ra capa con cambio en PG HMA/15% RAP 3ra capa HMA/No RAP 3ra capa HMA/50% RAP 4ta Nuevo: HMA/50% RAP 2da capa Nuevo: HMA/50% RAP 1ra capa Tramos con RAP en Manitoba (PTH8) Tipos de mezcla Mezcla Asfalto Mezcla de Mezcla de Lab campo compactada compactada en en Lab Lab 0% RAP sin cambio en PG Pen 150-200 F-0%-150 L-0%-150 15% RAP sin cambio en PG Pen 150-200 F-15%-150 L-15%-150 50% RAP sin cambio en PG Pen 150-200 F-50%-150 L-50%-150 50% RAP cambio en PG Pen 200-300 F-50%-200 L-50%-200 Resistencia al daño por humedad Preparación de muestras TS sin condicionar Asfalto Mezcla suelta Agregados y RAP Mezcla de campo Envej. Corto plazo: 4 hrs a 275F Muestra Compactada TS condicionados 0 F-T Ciclo Condicionamiento 70-80% saturación Congelamiento a 0F por 16 hrs 1 & 3 F-T ciclos Descong. at 25C por 2 hrs Descong. a 60C por 24 hrs Resistencia al daño por humedad TS & TSR Condicionados Vacíos de aire de 6.5 a 7.5 % Saturación al vacío(70 – 80 %) Envolver y congelar por 16 hrs Baño a 60oC por 24 hrs Dejar en agua a 25oC por 2 hrs Sin condicionar Resistencia al daño por humedad TS & TSR • Razón de deformación: 2” / min @ 25oC Promedio de muestras sin cond. TS, Tsuncond Promedio condicionados TS, Tscond Max 10% COV Max 10% COV TSR = TScond TSuncond x 100 Resistencia al daño por humedad TSR vs. F-T Ciclos Resistencia al daño por humedad Muestras falladas por TS Resistencia al daño por humedad Preparación muestras E* E* sin condicionar Asfalto Mezcla suelta Agregados y RAP Mezcla de campo Envej. Corto plazo: 4 hrs a 275F Muestra Compactada E* condicionado 0 F-T Ciclo Condicionamiento 1 & 3 F-T ciclos 70-80% saturación Descong. A 25C por 2 hrs Congelamiento a 0F por 16 hrs Descong. a 60C por 24 hrs Resistencia al daño por humedad Curva Maestra • Mustras preparadas con compactador giratorio. • 6” diam. 7” altura. • Muestra de ensayo 4” diam. 6” altura. • Vacíos = 7±0.5%. Resistencia al daño por humedad Curva Maestra Stress • |E*| curva maestra: – Combinación de modulos a diferentes frecuencias y temperaturas. = 0sin(ωt) 0 Time Strain time shift = / = 0sin(ωt-) 0 Time |E*| = σ0/ε0 Resistencia al daño por humedad Curvas Maestras – Muestras de campo 10,000 E* at 70F, ksi 1,000 100 10 1 1.E-04 1.E-03 F-0-150 (0F-T) 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 Frequency, Hz F-0-150 (1F-T) 1.E+02 1.E+03 F-0-150 (3F-T) 1.E+04 Resistencia al daño por humedad E* Resultados a77F 677 |E*| at 77F and 10 Hz, ksi 700 600 546 534 487 500 406 400 335 300 225 222 487 470 478 397 314 280 248 215 250 306 276 241 335 335 295 279 200 100 F-0%-150 F-15%-150 F-50%-150 F-50%-200 L-0%-150 Mixture Type 0 F-T 1 F-T 3 F-T L-15%-150 L-50%-150 L-50%-200 Resistencia al daño por humedad E* Fotografías – 0% RAP, Pen 150-200 3 F-T Campo Laboratorio vvv Resistencia al daño por humedad E* Fotografías – 0% RAP, Pen 150-200 Laboratorio 3 F-T Resistencia al agrietamiento térmico Preparación muestras TSRST Asfalto Mezcla Agregados y RAP Mezcla de campo Envej. Corto plazo: 4 hrs a 275F TSRST Sin Condicionar Muestra comp. Envej. Largo Plazo: 5 días a 185F Muestra comp. Resistencia al agrietamiento térmico Preparación muestras TSRST Carga Aplicada para mantener la viga de 2”2”10” con altura constante • Temperatura de fractura: temperatura a la cual la mezcla se agrieta debido a esfuerzos térmicos. • Esfuerzo de fractura: magnitud del esfuerzo causado por Construction Variability contracción térmico de la mezcla. 500 450 Altura 400 Const. 350 Stress (psi) Caída de temp. a 10C/hr 300 250 200 150 100 50 0 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Temperature (oC) LM32-1 LM32-2 LM32-3 5 Resistencia al agrietamiento térmico Preparación muestras TSRST • Esfuerzos de fractura en TSRST = indicación de espaciamiento de las grietas transversales en el campo. Resistencia al agrietamiento térmico Resultados TSRST – Temperatura de fractura 0 F-T 3 F-T http://www.lanamme.ucr.ac.cr/ [email protected] @lgloria27
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