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Diseño Volumétrico de Mezclas Asfálticas Recicladas en caliente

utilizando la herramienta del Polígono de Vacíos

Ing. Orlando Fabrizio Ramos Villanueva

Introducción

La principal finalidad del diseño volumétrico de mezclasasfálticas es seleccionar el contenido de aglutinante asfáltico,en el cual, las propiedades volumétricas que tienen mayorimpacto en el comportamiento de la mezcla asfáltica esténequilibradas:

Propiedad volumétrica

Nombre análogo a geomateriales

Importancia

Vacíos de aire (Va)

Vacíos totales

Una baja proporción de vacíos de aire conduce a fallas pordeformación permanente. Una alta proporción de vacíos de aireconduce a fallas frágiles, sobreenvejecimiento, permeabilidadalta y daños debido a la humedad.

Vacíos en el agregado mineral (VAM)

PorosidadAsegura una adecuada película de espesor suficiente sobre las

partículas de agregado para que la mezcla sea durable.

Vacíos llenos de asfalto (VFA)

Grado de saturaciónDelimita el porcentaje máximo de VAM, así como de contenido

de asfalto. Bajo condiciones de tráfico pesado, ayuda a mitigarmezclas susceptibles a la formación de roderas.

(Garnica, Delgado, Gómez, Alonso, & Alarcón, 2004; Marín & Thenoux, 2014).

Introducción

Con el contenido “óptimo” de asfalto se busca que la mezclaasfáltica diseñada garantice un adecuado comportamientoante los principales deterioros:

(Marín & Thenoux, 2014; McGennis, Anderson, Kennedy, & Solaimanian, 1994).

Deformación permanente

Fisuración por FatigaFisuración por baja

temperatura

Introducción

• Importancia

La importancia de la herramienta conocida como “polígono devacíos”, radica en la reducción de especímenes y ensayosnecesarios para establecer el contenido óptimo de asfalto,con el cual se satisfagan todas las propiedades volumétricas.

Procedimiento Tradicional Polígono de Vacíos

Introducción

• Objetivos

Demostrar que el “polígonode vacíos” es unaherramienta eficiente quepuede ser integrada comoparte de la metodologíapropuesta por ProtocoloAMAAC, para el diseño demezclas asfálticas de altodesempeño de granulometríadensa y haciendo uso derecuperado de pavimentoasfáltico (RAP). Diseño de Mezclas Asfálticas Recicladas

en Caliente de Alto Desempeño

RAP

Polígono de Vacíos

Protocolo AMAAC

Introducción

Se diseñó una mezcla con 0% de RAP mediante elprocedimiento tradicional, y tres mezclas con 15%, 30% y 45%de RAP mediante el polígono de vacíos. Se analizaron lascaracterísticas físicas y reológicas de los agregados y asfalto delRAP. Un aditivo rejuvenecedor fue empleado para mitigar losefectos negativos del asfalto envejecido del RAP.

Antecedentes

• Respecto al RAP:

Para diseñar mezclas recicladas es necesario conocer lainteracción entre los aglutinantes vírgenes y envejecidos (RAP):Módulos de corte dinámico (G*) y ángulos de fase (δ) yviscosidades. Caracterizar por “PG”.

• Respecto al Polígono de Vacíos:

Es una herramienta analítica que forma parte de lametodología RAMCODES.

La construcción de este elemento se basa en la Gravedad BrutaCompacta (Gmb) que la mezcla debe tener para que secumplan las propiedades volumétricas Va, VMA y VFA.

Porcentaje de RAP

Acción por realizar

< 15 Sin cambio en la selección del grado PG del asfalto de aporte.

16 al 25 Reducir un grado PG al asfalto de aporte

> 25 Utilizar una carta de mezclado para definir el PG del asfalto de aporte

(Al-Qadi, Elseifi, & Carpenter, 2007; Copeland, 2011)

Antecedentes• Va 𝐺𝑚𝑏 =

(1−𝑉𝑎)𝑃𝑏𝐺𝑏+(1−𝑃𝑏)

𝐺𝑠𝑒

(1)

• VMA 𝐺𝑚𝑏 =(1−𝑉𝐴𝑀)

(1−𝑃𝑏)𝐺𝑠𝑏 (2)

• VFA 𝐺𝑚𝑏 =𝑉𝐹𝐴

𝑉𝐹𝐴(1−𝑃𝑏)

100𝐺𝑠𝑏−(1−𝑃𝑏)

𝐺𝑠𝑏+

100

𝐺𝑚𝑚

(3)

Todo polígono de vacíos se representa en un plano “Pb vsGmb”, donde en el eje de las abscisas se establecen loscontenidos de asfalto a utilizar, y en las ordenadas, se graficael correspondiente valor de gravedad bruta compacta de lamezcla.

Antecedentes

Sánchez- Leal (2011), recomendó utilizar las siguientesespecificaciones:

La intersección de las líneas que se forman con estosrequisitos definirá al polígono de vacío, en el cual se cumplentodos los requisitos volumétricos de la mezcla asfáltica.

Porcentaje de vacíos: mínimo 3%, máximo 5%.

Porcentaje de vacíos en el agregado mineral: mínimo el especificado para el tamaño nominal del agregado, máximo 2% arriba del mínimo

Porcentaje de vacíos llenos de asfalto: por lo general el mínimo sería 65% y el máximo 75%.

Antecedentes

• Ejemplo de un Polígono de Vacíos

(Flores, 2016)

Metodología

Metodología

Resultados

• Características de los materiales.

Agregados y aglutinantes provenientes del RAP.

Abertura RAP fino RAP gruesoCaracterística Resultado

(pulg.) (mm) % Pasa % Pasa1 " 25 100 100 Contenido de asfalto en RAP

grueso3.4 %

3/4" 19 100 1001/2 " 12.5 100 99.3 Contenido de asfalto en RAP

fino6.8 %

3/8 " 9.5 100 77.4No. 4 4.75 100 31.3 Alta temperatura de falla

medido en DSR107.5 °C

No. 8 2.36 82.0 23.3No. 16 1.18 50.2 15.5 Baja temperatura de falla

medido en BBR0 °C

No. 30 0.6 33.6 9.1No. 50 0.3 26.2 6.7 Clasificación PG

correspondientePG106-10

No. 100 0.15 17.6 3.9

No. 200 0.075 8.2 2.2

Resultados

• Características de los materiales.

Agregados Vírgenes.

Abertura Arena Grava Característica Resultado Especif

(pulg.) (mm) % Pasa % Pasa Desgaste “Los Ángeles” 14 % 30 máx.

1 " 25 100 100 Desgaste Micro-Deval 9 % 18 máx.

3/4" 19 100 100 Part. planas/alargadas 1.3 % 10 máx.

1/2 " 12.5 100 96 Caras fracturadas (2 mín) 95 % 90 mín.

3/8 " 9.5 100 57 Densidad bruta grava 2.745 ---

No. 4 4.75 100 14 Absorción grava 0.9 ---

No. 8 2.36 85 1 Equivalente de Arena 64 % 50 mín.

No. 16 1.18 42 0 Angularidad 39 % 40 mín.

No. 30 0.6 30 0 Azul de metileno 13 ml/g 15 máx.

No. 50 0.3 23 0 Densidad bruta arena 2.651 ---No. 100 0.15 17 0 Absorción arena 2.0 ---No. 200 0.075 13 0

Resultados

• Características de los materiales.

Aglutinante asfáltico de base.

Parámetro o Prueba Resultado EspecificaciónAsfalto Modificado, condición original

Punto de inflamación Cleveland, °C < 300 230 mín.Densidad del asfalto 1.029 No aplicaViscosidad rotacional a 135°C, Pa-s 2 3Módulo de corte dinámico a 76°C (|G*|/sen δ), KPa 1.275 1.00 mín.

Después de RTFOPérdida en masa por calentamiento, % 0.35 1.00 máx.Módulo de corte dinámico a 76°C (|G*|/sen δ), KPa 3.198 2.20 mín.

Después de PAVRigidez del asfalto (G* sen δ) a 34°C, KPa 1127 5000 máx.Módulo de rigidez a flexión (S) a -6 °C, MPa 75.27 300 máx.Valor "m" a -6 °C, 0.3124 0.3 mín.

Resultados

• Características de los materiales.

Aglutinante asfáltico de base PG 76-16 Asfalto de Proyecto

Aglutinante asfáltico de RAP PG 106-10.

Asfalto de aporte para mezcla con 15%RAP PG 70-22 Asfalto de aporte para mezcla con 30%RAP PG 58-22

Asfalto de aporte para mezcla con 45%RAP PG 46-22

Resultados

• Granulometrías de diseño y combinación de propiedades.

Resultados

• Granulometrías de diseño y combinación de propiedades.

Resumen de propiedades combinadas de los agregados en las mezclas diseñadas.

%RAP en mezcla 0 15 30 45

%RAP Fino 0 5 8 15

%RAP Grueso 0 10 22 30

% Agregado Grueso 60 50 40 35

% Agregado Fino 40 35 30 20

Gmm RAP combinado --- 2.451 2.500 2.451

Contenido de Asfalto en RAP fino --- 6.8 6.8 6.8

Contenido de Asfalto en RAP grueso --- 3.4 3.4 3.4

Gse/Gsb agregados de RAP --- 2.623 2.672 2.623

Gsb combinado 2.707 2.693 2.694 2.670

Contenido de Asfalto combinado 0.0 0.7 1.3 2.0

Resultados

• Diseño volumétrico de las mezclas.

La mezcla con 0% de RAP se diseñó mediante el método tradicional de Superpave o Protocolo AMAAC.

El contenido de asfalto inicial o de prueba se definió conforme a AASHTO R35, para lo cual se fabricaron 2 especímenes compactos y 2 para determinar su densidad para ese contenido de asfalto.

En la etapa de diseño, cinco contenidos de asfalto fueron propuestos, para lo cual, se fabricaron 10 probetas compactas, y 2 muestras para medir la Gravedad teórica máxima (Gmm) para un contenido de asfalto intermedio.

Resultados

• Diseño volumétrico de las mezclas.

Mezcla con 0% de RAP. Resumen de propiedades volumétricas para distintoscontenidos de asfalto.

Contenido de asfalto probado, % 5.4 5.9 6.4 6.9 7.4Especificación

Gravedad teórica Máxima (Gmm) 2.541 2.521 2.502 2.481 2.464 N.A.

Gravedad bruta compacta (Gmb) 2.333 2.329 2.351 2.399 2.403 N.A.

%Gmm @Ndis, % 91.8 92.4 94.0 96.7 97.5 96

Vacíos de aire (Va), % 8.2 7.6 6.0 3.3 2.5 4

VAM, % 18.5 19.0 18.7 17.5 17.8 14 mín.

VFA, % 55.7 59.9 67.7 81.0 86.0 65 – 75

Proporción de polvo 1.17 1.05 0.96 0.88 0.81 0.6 – 1.2

%Gmm@Nini, % 83.9 83.4 86.5 88.4 89.1 ≤ 89

Resultados

• Diseño volumétrico de las mezclas.

Mezcla con 0% de RAP. Gráficos de diseño para determinar el contenido óptimo de asfalto en la mezcla con 0% de RAP.

Resultados

• Diseño volumétrico de las mezclas.

Las mezclas con 15%, 30% y 45% de RAP se diseñaron utilizando el Polígono de Vacíos.

Inicialmente se elaboraron 2 muestras con un contenido de asfalto de prueba, el cual se utilizó para determinar la Gravedad Teórica Máxima (Gmm).

En una hoja de cálculo, se determinaron los polígonos de vacíos para cada una de las mezclas asfálticas con RAP.

El siguiente paso consistió en fabricar 2 especímenes compactos y 2 especímenes para medir la Gravedad Teórica Máxima (Gmm), para el contenido de asfalto que indicó el polígono de vacíos.

Resultados

• Diseño volumétrico de las mezclas.

Polígonos de vacíos para las mezclas asfálticas recicladas.

Resultados

• Diseño volumétrico de las mezclas.

Resumen de propiedades volumétricas para las mezclas asfálticas recicladas.

Mezcla ensayada 15% RAP 30% RAP 45% RAP

EspecificaciónContenido de asfalto de aporte, % 5.1 4.0 3.1

Contenido de asfalto total, % 5.8 5.3 5.1

Gravedad Teórica Máxima, Gmm 2.509 2.522 2.527 N.A.

Gravedad Bruta Compacta, Gmb 2.406 2.424 2.425 N.A.

%Gmm @Ndis 95.9% 96.1% 96.0% 96 %

Vacíos de aire, Va 4.1% 3.9 % 4.0 % 4.0 %

Vacíos en el agregado mineral, VMA 15.9 % 14.8 % 13.8 % 14 % mín.

Vacíos llenos de asfalto, VFA 73.9 % 73.8 % 70.8 % 65 – 75 %

Proporción de polvo, DP 0.91 0.96 0.88 0.6 – 1.2

%Gmm@Nini 86.4 % 86.8 % 86.7 % ≤ 89 %

%Gmm@Nmax 96.7 % 96.3 % 96.8 % ≤ 98 %

Resultados

• Diseño volumétrico de las mezclas.

Para todas las mezclas recicladas se cumplieron todas laspropiedades volumétricas; para la mezcla con 45% de RAPse presenta un VAM ligeramente menor al especificado, sinembargo, éste se considera aceptable. Los contenidosóptimos de asfalto de aporte y total son los siguientes:

• 5.1% de asfalto de aporte (5.8% total), para la mezcla con 15 % deRAP.

• 4.0% de asfalto de aporte (5.3% total), para la mezcla con 30 % deRAP.

• 3.1% de asfalto de aporte (5.1% total), para la mezcla con 45 % deRAP.

Discusión

• A continuación se muestra una relación de la cantidad deespecímenes fabricados con la finalidad de definir elcontenido óptimo de asfalto para cada mezcla diseñada.

Metodología Convencional/Tradicional Polígono de vacíos

Especímenes para: GmbGmm

Sub-total

GmbGmm

Sub-total

Contenido de asfalto inicial

2 2 4 0 2 2

Determinar contenido óptimo de asfalto

10 2 12 2 2 4

Total 12 4 16 2 4 6

Conclusiones

• El Polígono de vacíos demostró ser una herramientaeficiente, ya que redujo la cantidad de especímenesnecesarios para establecer la fórmula de trabajo (contenidoóptimo de asfalto), así como el tiempo necesario para laejecución de los ensayos y del diseño en general del ordende 60%.

• La variación en el RAP puede crear controversia en ladefinición del contenido óptimo de asfalto mediante elpolígono de vacíos (centroide), sin embargo, sigue siendouna herramienta eficaz.

• El Polígono de vacíos puede incorporarse al diseño demezclas asfálticas recicladas de alto desempeño (AMAAC,Superpave, etc.).

Agradecimientos

Referencias• Al-Qadi, I. L., Elseifi, M., & Carpenter, S. H. (2007). Reclaimed asphalt pavement—a literature review.

FHWA-ICT-07-001. Recuperado a partir de https://www.ideals.illinois.edu/handle/2142/46007

• Copeland, A. (2011). Reclaimed asphalt pavement in asphalt mixtures: state of the practice (No. FHWA-HRT-11-021) (p. 55). McLean Virginia: Federal Highway Administration. Recuperado a partir de https://trid.trb.org/view.aspx?id=1104401

• Garnica, P., Delgado, H., Gómez, J. A., Alonso, S., & Alarcón, H. A. (2004). Aspectos del diseño volumétrico de mezclas asfálticas (Publicación Técnica No. 246). Sanfandila, Querétaro: Instituto Mexicano del Transporte.

• Garnica, P., Flores, M., Gómez, J. A., & Delgado, H. (2005). Caracterización Geomecánica de Mezclas Asfálticas (Publicación Técnica No. 267). Sanfandila, Querétaro: Instituto Mexicano del Transporte.

• Marín, C. R., & Thenoux, G. A. (2014, abril). Validation of the Polygon-Of-Voids Tool for Asphalt Mixtures with RAP. Revista de la Construcción - Pontificia Universidad Católica de Chile, 13, 56-63.

• McGennis, R. B., Anderson, R. M., Kennedy, T. W., & Solaimanian, M. (1994). Background of SUPERPAVE Asphalt Mixture Design and Analysis (Final Report No. FHWA-SA-95-003). Lexington, Ky: Asphalt Institute.

• Sánchez-Leal, F. J., Anguas, P. G., Larreal, M., & López Valdés, D. B. (2011). Polyvoids: Analytical Tool for Superpave HMA Design. Journal of Materials in Civil Engineering, 23(8), 1129-1137. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000275

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