4.0 Asfalto y Concreto 2011

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II Capítulo:

Caracterización de los materiales

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2.3 Materiales Bituminosos

Asfalto

• Es un material aglomerante decolor que varia de pardo oscuro anegro, de consistencia solida,semisólida o liquida, cuyosconstituyentes predominantes sonbetunes que se dan en la naturalezacomo tales o que se obtienen en ladestilación del petróleo. El asfaltoentra en proporciones variables enla constitución de la mayor parte delos crudos de petróleo.

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Propiedades

• Es un aglomerante resistente, muy adhesivo.

• Es altamente impermeable y duradero.

• Alta resistencia al envejecimiento

• Es una sustancia plástica que da flexibilidad controlable a las mezclas de áridos con los que se combina usualmente.

• Es altamente resistente a la mayor parte de los ácidos, álcalis y sales.

• Es una sustancia solida o semisólida a temperatura atmosférica normal.

• Puede licuarse fácilmente por aplicación de calor, por la acción de disolventes de volatilidad variable, o por emulsificacion.

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Proceso Típico de Refinación

Asfaltos refinados para pavimentación.

Materiales asfalticos líquidos

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Tipos de crudo

El petróleo crudo se destila para separar sus diversas fracciones y recuperar el asfalto.

Temperaturas de destilación de crudo de petróleo

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Asfaltos con Base en el Petróleo

• El Asfalto es un sub-producto de refinería, obtenido del procesamiento del petróleo crudo.

• Sus propiedades dependen de:

– Operaciones en la refinería

– Composición de la fuente del crudo

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Componentes del cemento asfalticoAsfáltenos

• Partículas sólidas bituminosas discretas.

• Alta Viscosidad.

• Proveen elasticidad, resistencia y cohesión.

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Maltenos• Se subdividen en resinas y aceites.

Resinas• Muy susceptibles a la Temperatura. (fluidas cuando se calientan, semi-sólidas o sólidas a temperatura ambiente, quebradizas cuando están frías)• Son los responsables de la viscoelasticidad.• En la oxidación se transformanen asfáltenos.

Aceites• Aumentan la fluidez.• Soluble en la mayor parte de solventes• En la oxidación se transforman en resinas

Estructura Coloidal del Asfalto

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Reología del Asfalto

• Estudio de los cambios en la forma y el flujo de la materia, abarcando, elasticidad, viscosidad y plasticidad.

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Reología del Asfalto

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Tipos de asfalto de pavimentación

Cemento Asfáltico

• Generalmente material producido en la refinería

• Cementos Asfálticos Soplados

Asfalto Diluido o Rebajado “Cutbacks”

• Cementos Asfálticos “rebajados” con solventes de petróleo (RC-MC-SC).

Asfalto Emulsificado

• Mezclas de cemento asfáltico, agua y un agente emulsificante.

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Productos Asfalticos Líquidos

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Cutbacks

Curado Rápido (RC) (Nafta o Gasolina)

• Alta volatilidad del solvente

• Riegos de Liga, Tratamientos Superficiales

Curado Medio (MC) (Kerosene)

• Moderada volatilidad

• Mezclas almacenables para bacheo

Curado Lento (SC) (Aceite de baja viscosidad)

• Baja volatilidad

• Imprimación, control de polvo

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Emulsiones Asfálticas

Es un sistema heterogeneo que normalmente contienedos fases inmiscibles (asfalto y agua) en donde el aguaforma la fase continua de la emulsión, y pequeños glóbulosde asfalto forman la fase discontinua. La emulsión deasfalto pueden ser de tipo aniónico (glóbulos cargadosnegativamente) o catiónico (glóbulos cargadospositivamente), dependiendo del agente emulsionante.

• Aniónicas: carga negativa, alkalina, buena para calizas (carga positiva)

• Catiónicas: carga positiva, acida, buena con gravas silíceas (carga negativa)

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Emulsiones Asfálticas

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Emulsiones Asfálticas

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Cemento asfáltico

El cemento asfáltico a emplear en los riegos deliga y en las mezclas asfálticas elaboradas encaliente serán clasificados:

• Por viscosidad absoluta

• Por penetración

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Pruebas para determinar las propiedades del cemento asfaltico

• Penetración

• Viscosidad

• Ductilidad

• Punto de Inflamación

• Solubilidad

• Índice de penetración

• Ensayo de película delgada

Penetración

Sirve para medir ladureza o consistencia del

asfalto.

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Penetración

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Tipos Usados en el Perú:

• CA PEN 40/50

• CA PEN 60/70

• CA PEN 85/100

• CA PEN 120/150

Viscosidad• Relación entre el esfuerzo

de corte aplicado y la tasade deformación cortante.

• Oposición de un fluido a lasdeformacionestangenciales.

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Viscosidad

• Comportamiento reológicocuando el asfalto se encuentra en estado liquido.

• Indica la Consistencia del Asfalto

• Determina la resistencia al desplazamiento en el rango de temperaturas usadas durante los usos de aplicación.

Viscosidad Absoluta

• Tubo en forma de U, con marcas & rellenado con asfalto

• Colocado en un baño a 60 °C

• Se usa el vacío para hacer pasar el asfalto a través del tubo

• Se toma el tiempo para pasar las marcas

• Viscosidad en Poises

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Viscosidad Cinemática

• Tubo con marcas & relleno con asfalto

• Colocado en un baño a 135 °C

• La gravedad mueve el asfalto a través del tubo

• Se toma el tiempo para pasar las marcas

• Visc. en mm2/ s (centistokes)

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Viscosidad Saybolt Furol

Ductilidad

• Es la facilidad para alcanzar cierta elongación sin ruptura.

• Es la medida en centímetros de la longitud final que alcanza el asfalto por estiramiento hasta su ruptura.

• Se elonga a una velocidad de 5 cm/mín a 25 °C.

• Una alta ductilidad indica mayor susceptibilidad térmica.

• los asfaltos con las ductilidades mas bajas, tienen una gran tendencia a producir pavimentos con agrietamiento excesivo.

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Punto de inflamación

Punto de inflamación

(copa abierta de Cleveland)

• Es la Temperatura masbaja a la cual los vaporesdel asfalto puedeninflamarse al entrar encontacto con una “llama“.

Solubilidad

• Determina el contenido de Bitumen (Ligante) en el Asfalto.

• Mide la pureza de un cemento asfaltico.

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Índice de penetración

• Expresa la sensibilidad del Asfalto ante una variación de temperatura.

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Ensayo de película delgada

Ensayo de

Película delgada

• Se emplea para prever el endurecimiento que puede esperarse se produzca en el cemento asfaltico durante las operaciones de mezclado en las plantas de mezcla en caliente.

• Esta tendencia al endurecimiento se mide por ensayos de penetración realizados antes y después del tratamiento en estufa.

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Especificaciones cemento asfáltico

Especificaciones cemento asfáltico

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3.3Mezclas asfálticas

Diseño de Mezclas de Concreto Asfáltico

• Objetivo: desarrollar una mezcla económica deagregados y asfalto que cumpla con losrequerimientos de diseño.

• Métodos de diseño de mezcla:

– Marshall

– Hveem

– Superpave (nuevo)

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Características y Comportamiento de la Mezcla

• Densidad de la mezcla

• Vacíos de aire, o simplemente vacíos

• Vacíos en el agregado mineral

• Contenido de asfalto

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Propiedades consideradas en el diseño de mezclas

• Estabilidad

• Durabilidad

• Impermeabilidad

• Trabajabilidad

• Flexibilidad

• Resistencia a la fatiga

• Resistencia al deslizamiento

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Modulo de resilencia en mezclas asfálticas

Métodos basados en Ensayos de Laboratorio

1. Ensayo uniaxial de tensión

2. Ensayo de compresión uniaxial

3. Ensayo de flexión (viga o cantilever)

4. Ensayo de tensión indirecta diametral

5. Ensayo de compresión triaxial

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Modulo de resilencia en mezclas asfálticas

Métodos Empíricos-Predictivos

Estabilidad en kg y flujo en mm.

Estabilidad en lb y flujo en pulgadas

Modulo dinámico en mezclas asfálticas

• Describe la relación esfuerzo-deformación de materiales visco elásticos.

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Modulo dinámico en mezclas asfálticas(cálculo indirecto AAHSTO 2008)

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Modulo de dinámico en mezclas asfálticas(cálculo indirecto Instituto del Asfalto)

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Diferencias entre el módulo resilente y el módulo dinámico

CARACTERISTICA COMPRESION TRACCION INDIRECTAMODULO DINAMICO

COMPLEJOMODULO DINAMICO DE RIGIDEZ

ESPECIMEN4" de diámetro 8" de

altura

4" de diámetro y 2.5"

de espesor (Tamaño

de la muestra Marshall)

cilíndricasviga de 15" de largo

ancho y espesor 3"

TEMPERATURA

DE ENSAYO

ECUACION

MODULO

RESILENTE

CARGA LA QUE

SE CALCULA EL

MR20 psi 40-60 lb 200 repeticiones

TIPO DE CARGA sinusoidal o haversine haversine

DURACION DE LA

CARGA0.1 s 0.1 s 30-40 s 0.1 s

DURACION

REPOSO0.9 3 s sin reposo 0.4 s

MODULO RESILENTE

41, 77 Y 104 ºF

haversine

MODULO DINAMICO

r

d

RM

t

PM R

2734.0

3

22

4

43

hb

aLaPEs rte

Elog

*

1

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Modulo de rigidez del asfalto (nomograma de Shell)

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Modulo de rigidez del asfalto

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Fatiga de mezcla asfáltica en función del tipo de agregado y la temperatura de la prueba

100

1000

10000

100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Cycles to failure

Un

it s

tra

in,

inc

h/i

nc

h (

x1

0-6

)

Crushed granite 85-

100, 75 oF

Uncrushed gravel 85-100,

40 oF Crushed granite

85-100, 40oF

Uncrushed gravel 85-

100 68oF

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2.4 Concreto hidráulico

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Materiales

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Agregado fino

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Agregado grueso

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Agua

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Concreto

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Clases de concreto

Propiedades del concreto en estado fresco

Consistencia

Peso unitario

Contenido de aire

Temperatura de la mezcla

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Revenimiento o slump

Asentamiento recomendado para diversos tipos de obras. (ACI-211.1-91)

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Contenido de aire

60

Quemaduras

61

Cuidado

El contacto con el concreto fresco, mortero, cemento, o mezclas de cemento pueden causar la irritación de piel, graves quemaduras químicas o daño serio en los ojos.

La exposición frecuente puede ser relacionado con irritación y/o dermatitis alérgica de la piel .

Cuando se trabaje con estos materiales usar guantes impermeables, camisa larga , pantalones largos y protección adecuada para los ojos.

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Estructura de Hid ratación de la pasta vs Relació n Agua/Cemento

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9

Relación Agua/Cem ento

Po

rce

nta

je

Ceme nto Hidratado Cemento sin hidra ta r Poros capilar es Agua de hidratación Agua Sobrante

Propiedades del concreto en estado endurecido

Resistencia a la Compresión

Resistencia a la Flexión

Módulo Elástico

Relación de Poisson

Resistencia a la abrasión

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Resistencia a la Compresión

• Ensayo mucho mas fácil de realizar.

• Correlación con el modulo de rotura.

• Menos propenso a variaciones durante el ensayo.

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Muestra con diamantina (extracción de núcleos por barrenacion)

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Modulo de rotura (ruptura)

• La resistencia a la tracción del concreto se determina por métodos indirectos (flexión y compresión diagonal), los cuales producen valores de resistencia mayores que la resistencia a la tracción real bajo carga uniaxial.

• En la prueba de flexión el esfuerzo a la tensión máximo se alcanza en la fibra del fondo de la viga de prueba (módulo de rotura) el cual se emplea en el diseño de pavimentos

Resistencia a la tensión

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Resistencia a la tensión

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Ensayo de compresión diagonal

dL

PSMR c

2'

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Muestra para ensayo de modulo de rotura

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Modulo de Rotura del Concreto

Se aplica carga en el tercio central de una viga de 6x6x30” y cuando el tamaño máximo es menor a 1” la viga es de 4x4x20”, la prueba ASTM C78 se efectua en una viga de 6x6x20”

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Cálculo del módulo de rotura

• Módulo de rotura del concreto a los 28 días ensayo de viga cargada en el tercio

3'

db

lPSMR c

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Modulo de rotura a partir del ensayo de Compresión simple

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Elasticidad del concreto

• El concreto se comporta de manera no elástica-no lineal, y presenta deformación permanente despues del retiro de la carga.

• El módulo de Young se puede determinar únicamente para la parte inicial de la curva de carga.

• Cuando no esta presente una porción recta de la curva se puede medir el módulo tangente inicial.

• Para efectos prácticos se considera la deformación por la aplicación del esfuerzo de diseño se considera elástica y el subsecuente incremento como flujo plástico (módulo secante) se mide por lo general con esfuerzos que van de 15 a 50% de la resistencia de corto plazo.

Elasticidad del concreto

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Módulo de elasticidad

Módulo de elasticidad

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Resistencia a la abrasión mecánica

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Resistencia a la fatiga del concreto

• Cuando el concreto falla bajo cierto número de cargas repetidas todas ellas menores que la resistencia estática a la compresión.

• Nf: numero de ciclos para la falla.

Resistencia a la fatiga del concreto

• La Asociación de Cemento Portland recomienda el uso de las siguientes ecuaciones de fatiga:

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Fatiga en pavimentos de concreto

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Fatiga en pavimentos de concreto

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08

Load application to failure

Str

ess/

stre

ngth

Kesler Samples did not fail (Kesler)Raithby & Galloway BallingerSamples did not fail (Ballinger) Best fit line

PCA

Zero maintenance

design

Figure 6-4.5 Summary of PCC fatigue data with three fatigue models (after 1)