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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.27 no.3 Santiago dic. 2012

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732012000300006 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 27 No3, Diciembre de 2012 www.ricuc.cl PAG. 198 - 210

Caracterización reológica avanzada de betunes tradicionales y modificados utilizados actualmente en Chile

Felipe Araya* , Álvaro González*, Rodrigo Delgadillo*, Carlos Wahr1*, Gabriel García*, Rogelio Zúñiga**

* Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso. CHILE

** Constructora Asfalcura S.A. CHILE

Dirección de Correspondencia


RESUMEN

El objetivo de esta investigación fue obtener una caracterización reológica y clasificación avanzada para un grupo de betunes asfálticos modificados y sin modificar utilizados actualmente en Chile. Estudiando seis betunes asfálticos, provenientes de tres empresas asfalteras del medio nacional. Cada empresa aportó con un betún tradicional y un betún modificado. Los tres betunes tradicionales clasificados como CA 24 y los tres modificados clasificados como 60-80 modificados con SBS. Se realizó la caracterización reológica utilizando un reómetro de corte dinámico y un reómetro de viga en flexión, para los betunes en estado original, envejecimiento primario (RTFOT) y envejecimiento secundario (PAV). Determinando para cada uno la clasificación por grado de desempeño, ensayo de fluencia y recuperación (creep and recovery), curvas maestras y diagramas de Black. Se realizó además una completa batería de ensayos tradicionales al total de los betunes asfálticos, para los tres niveles de envejecimiento mencionados. La caracterización reológica permitió determinar las propiedades fundamentales de los betunes a temperaturas altas, temperaturas intermedias y bajas temperaturas. Estas propiedades en conjunto con una adecuada zonificación climatológica de Chile, podrían ser utilizadas para confeccionar una especificación de betunes moderna para nuestro país.También se demostró que para que los ensayos tradicionales tengan alguna utilidad, deben ser realizados para las siguientes condiciones: altas temperaturas, temperaturas intermedias, bajas temperaturas, ligante original, ligante con envejecimiento primario (RTFOT) y ligante con envejecimiento secundario (PAV). Solamente cuando se realizan ensayos para todas las condiciones anteriores, es posible encontrar información y resultados que son comparables a los de Superpave.

Palabras Clave: Reología, betunes asfálticos, reómetro


1. Introducción

Las especificaciones de betunes asfálticos en Chile son de carácter empírico y consideran mediciones de un set incompleto de propiedades del material (Código MINVU 2008, Delgadillo et al. 2009, Manual de Carreteras 2010). Algunas de las propiedades relevantes del material que no son caracterizadas actualmente son el desempeño a bajas temperaturas, envejecimiento secundario del material y las propiedades mecánicas fundamentales como módulo dinámico y ángulo de fase (Delgadillo et al., 2005, Delgadillo et al., 2006).

En el marco del proyecto Fondef D09I1174 "Desarrollo de Materiales para Recapados Asfálticos Utilizados en la Rehabilitación de Pavimentos Deteriorados", la Universidad Técnica Federico Santa María implementó un avanzado laboratorio de caracterización de betunes y mezclas asfálticas. Dentro de estos equipos se cuenta un Reómetro de Corte Dinámico, el que fue utilizado, junto al reómetro de Viga de Flexión del Laboratorio Nacional de Vialidad, para la caracterización reológica avanzada de los betunes.

La caracterización de los betunes es una de las primeras etapas del proyecto. Los betunes que mostraron mejor desempeño en esta etapa, fueron seleccionados para ser utilizados en la segunda etapa de caracterización de mezclas asfálticas, actualmente en ejecución.

2. Clasificación por grado de desempeño (PG XX -YY) superpave

2.1 Condiciones de Ensayo

Los ensayos para la clasificación de todos los betunes según el grado de desempeño fueron realizados utilizando el Reómetro de Corte Dinámico (DSR), siguiendo el procedimiento descrito en la sección 8.302.22 del Manual de Carreteras junto con la norma ASTM D7175-08. Cada betún asfáltico se ensayo en estado original, envejecimiento primario (RTFOT) y envejecimiento secundario (PAV).

Para betunes en estado original y envejecimiento primario (RTFOT) las temperaturas de ensayo fueron de 46°C hasta 82°C. Para los betunes con envejecimiento secundario (PAV) las temperaturas disminuyen a medida que se desarrolla el ensayo, dicha temperatura va desde los 40°C hasta 4°C. La frecuencia de los ensayos fue de 10[rad/s] como establece la normativa Superpave.

El ensayo se detiene cuando se alcanza un valor mínimo del parámetro G*/sen (δ) y un valor máximo del parámetro G*sen (δ). G* es el Módulo complejo de corte y δ es el ángulo de fase.

• Betunes en estado original: G*/sen (δ) > 1 [KPa]

• Betunes envejecidos en RTFOT: G*/sen (δ) > 2,2 [KPa]

• Betunes envejecidos en PAV: G*sen (δ) < 5000 [KPa]

La clasificación por grado de desempeño a bajas temperaturas se realizó utilizando los resultados obtenidos del Reómetro de Viga en Flexión (BBR), ensayos realizados en el Laboratorio Nacional de Vialidad.

La clasificación para temperaturas intermedias se obtuvo en base al parámetro de falla G*sen (δ) para betunes con envejecimiento secundario (PAV).

La clasificación a altas temperaturas se obtuvo en base a los criterios de falla del parámetro G*/sen (δ) en betunes en estado original y con envejecimiento primario (RTFOT), considerando el caso más conservador entre ambos.

La Tabla 1 muestra la clasificación por grado de desempeño considerando el valor exacto con el cual se cumplen los criterios de falla y el valor aproximado que se especifica en la sección 8.301.8 del Manual de Carreteras. También muestra las temperaturas intermedias para betunes con envejecimiento secundario (PAV) y la temperatura esperada del pavimento, la cual se obtiene como la semisuma entre la mínima y la máxima temperatura más 4°C.

Tabla 1. Resultados clasificación por grado de desempeño

 

2.2 Comentarios Clasificación por Grado de Desempeño Superpave

Para betunes tradicionales se aprecia que los tres tienen la misma clasificación de acuerdo a las categorías definidas por el Manual de Carreteras. Sin embargo los resultados exactos de cumplimiento de las especificaciones indican que el betún II presenta una susceptibilidad térmica levemente menor, con una mayor rigidez a altas temperaturas y una mayor fluidez a bajas temperaturas. Las temperaturas de cumplimiento de las temperaturas intermedias son muy similares para los tres betunes.

En los betunes modificados se mantiene esta leve diferencia donde el betún II presenta menor susceptibilidad térmica. Respecto de las temperaturas intermedias, el betún II presenta una temperatura mucho más baja para el cumplimiento del parámetro comparado a los otros dos modificados, lo que podría ser un indicador de mejor desempeño ante agrietamiento a temperaturas intermedias para el betún II.

Al comparar betunes tradicionales y modificados se puede establecer que: es evidente el mayor rango de temperatura de los betunes modificados, en particular tienen una mayor temperatura alta de falla, indicando un mejor comportamiento al deterioro de ahuellamiento. Para bajas temperaturas los betunes modificados alcanzan menores temperaturas de falla. Los dos anteriores se traducen en susceptibilidades térmicas significativamente menores para los betunes modificados.

3. Curvas maestras

El módulo dinámico es una propiedad fundamental de los betunes asfálticos y de las mezclas asfálticas. Este último constituye uno de los datos de entrada más importantes en el diseño mecanicista de pavimentos flexibles mediante la utilización de modelos elásticos multicapas (Wahr et al., 2008, Wahr et al., 2009). Las fórmulas más modernas de estimación del módulo dinámico (Christensen et al., 2003, Bari et al., 2006) utilizan el módulo complejo del betún para estimar el módulo de la mezcla. Curvas maestras fueron desarrolladas para los distintos betunes, obtenidas a partir de ensayos de módulo complejo a diversas temperaturas y frecuencias.

3.1 Condiciones de Ensayo

Las curvas maestras fueron confeccionadas considerando el betún asfáltico en estado original, con envejecimiento primario (RTFOT) y con envejecimiento secundario o (PAV). Los barridos de frecuencias fueron realizados para temperaturas desde los 5 hasta los 55°C, en intervalos de 5°C. Por ende abarcando tanto altas como bajas temperaturas. Se consideró un rango de frecuencias que no implicara un riesgo para el DSR y que permitiera obtener resultados sin que el equipo se viera expuesto a errores de medición.

Una frecuencia muy baja (menores a 0,1 [rad/seg]) toma bastante tiempo en la obtención de los parámetros, por otro lado una alta frecuencia (por sobre los 100 [rad/seg]) provoca errores de medición, dado que la muestra de asfalto comienza a desintegrarse a bajas temperaturas. Por esta razón se utilizó frecuencias en el rango [0,1- 73] [rad/seg].

El comportamiento del módulo complejo de corte (G*) tiene mayores variaciones a frecuencias bajas y tiende a mantenerse a frecuencias altas, por esto cada barrido de frecuencias se realizó en una escala logarítmica, de manera de tomar una mayor cantidad de frecuencias bajas para las mediciones.

No hay requisitos del nivel de esfuerzos a aplicar durante los barridos de frecuencias del ensayo, salvo que deben encontrarse en el rango elástico y debe realizarse a deformación constante. Para estos barridos se consideró una temperatura de 5°C, frecuencia de 10 [rad/seg] y un rango de deformaciones variable desde 0,1% hasta 100%. Obteniendo que los betunes asfálticos tradicionales y modificados presentan un comportamiento lineal hasta niveles de deformaciones del 1%. Razón por la cual se consideró una deformación constante de 0,5% para los barridos de frecuencias.

3.2 Confección Curvas Maestras

Estas fueron confeccionadas a una temperatura de referencia de 20°C, los factores de corrimiento o (Shift-Factors) fueron determinados de forma manual para cada una de las temperaturas en el rango 5-55 [°C], cada 5°C.

La Figura 1 muestra las curvas maestras obtenidas para cada uno de los seis betunes asfálticos en su estado original, en escala logarítmica. Los gráficos de envejecimiento primario (RTFOT) y secundario (PAV) no se muestran por limitaciones de espacio, pero pueden ser encontradas en el trabajo original (González, 2012).

Figura 1. Curva maestra betunes en estado original con G* en escala logarítmica

3.3 Comentarios Curvas Maestras

Los betunes tradicionales I y III presentan un comportamiento similar entre sí, en particular cuando poseen envejecimiento secundario (PAV), además se tiene para el betún III la mayor susceptibilidad térmica. El betún II posee valores altos de G* en gran parte del rango de frecuencias analizado, en especial para frecuencias menores a 100[rad/seg].

Los betunes asfálticos modificados I y III tienen un comportamiento similar, obteniéndose valores de G* muy parecidos en todas las temperaturas analizadas.

El betún modificado II destaca por ser el menos susceptible térmicamente de todos los betunes ensayados, característica deseable para un asfalto.

El envejecimiento de los betunes provoca un aumento en la rigidez de los betunes asfálticos, lo cual se aprecia en el aumento del módulo complejo de corte G*. Diferencia notoria al comparar los valores de G* con envejecimiento secundario (PAV) con los betunes en estado original. El efecto del envejecimiento primario es menos notorio y en el caso de los betunes tradicionales y el betún modificado III, prácticamente despreciables.

4. Diagramas de black

Los diagramas de Black son gráficos del ángulo de fase versus el módulo complejo. Son herramientas útiles para identificar tipos de betunes y tipos de modificadores. Además, permiten detectar posibles errores en las mediciones.

4.1 Condiciones de ensayo

Las condiciones son las mismas que las utilizadas para la confección de las Curvas Maestras, debido a que ambos parámetros se obtienen del mismo barrido de frecuencias. Los diagramas de Black fueron confeccionadas considerando el betún asfáltico en estado original, con envejecimiento primario (RTFOT) y con envejecimiento secundario (PAV).

Las temperaturas abarcadas en los barridos de frecuencias fueron desde 5 hasta 55°C, midiendo cada 5°C. Cada barrido de frecuencias consideró una frecuencia inicial de 0,1 [rad/ seg] y una frecuencia final de 73 [rad/seg]. Al igual que con las Curvas Maestras no hay limitaciones para los esfuerzos aplicados. Sin embargo, este ensayo debe realizarse a deformación constante, que se estableció igual a 0,5%.

4.2 Comentarios Diagramas de Black

El Diagrama de Black cumplió satisfactoriamente su objetivo, ya que fue un medio efectivo para la determinación de errores de medición (Marastenou et al., 2001, Airey et al., 2002) y permitió mostrar los efectos de los aditivos poliméricos de los betunes modificados.

La mayor fuente de error en las mediciones se produjo como consecuencia del cambio de geometría del reómetro del ensayo (platos paralelos de 8 y 25 mm), lo que queda de manifiesto al observar los Diagramas de Black del betún Modificado 60-80 de la empresa 2 en estado original. En éste se aprecia que las mediciones realizadas con el plato de 8 mm se encuentran desplazadas verticalmente respecto a las mediciones realizadas con el plato paralelo de 25 mm. Un ejemplo de ello se aprecia en la Figura 2, en que al cambiar las geometrías de ensayo, se genera una separación vertical señalada en el Diagrama de Black.

En la Figura 3 se observa que los betunes tradicionales generan curvas suaves, mientras que los betunes modificados producen curvas con un tramo irregular, situación que se atribuye a la presencia de polímero modificador en dichos betunes.

Figura 2. Diagrama de Black betún asfáltico modificado II, estado original

Figura 3. Diagrama de Black todos los betunes, en estado original.

5. Fluencia y recuperación

5.1 Condiciones de Ensayo

Se utilizó el Reómetro de Corte Dinámico (DSR), donde se realizaron cinco mediciones por cada betún dicho procedimiento se desarrollo acorde a la norma ASTM D7405-10a. Los ensayos se realizaron en los betunes con envejecimiento primario (RTFOT). Este ensayo se realizo a una temperatura de 64°C, la cual se considera representativa de las altas temperaturas.

Según la norma ASTM D7405-10a el ensayo consta de veinte intervalos, cada uno con un ciclo de carga y otro de descanso, los primeros diez intervalos se realizan aplicando un esfuerzo de 100[Pa] en cada ciclo de carga y en los segundos diez intervalos se aplica un esfuerzo de 3200[Pa] durante los ciclos de carga.

La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos para el ensayo de fluencia y recuperación (creep and recovery). Las columnas cuatro y cinco muestran los resultados de flexibilidad en fluencia (creep compliance) no recuperable para los betunes.

Tabla 2. Resumen resultados ensayo flexibilidad y recuperación

En la Figura 4 se muestra el comportamiento de los betunes tradicionales y modificados.

Figura 4. Resultados de Fluencia y Recuperación (Creep and Recovery) betunes tradicionales y modificados.

5.2 Comentarios Fluencia y Recuperación

Entre los betunes tradicionales no existen grandes diferencias, siendo el betún II el que presenta levemente mejor desempeño. Entre los betunes modificados si existe una diferencia mayor, donde el de mejor desempeño (betún II) presenta niveles de deformación menores al 50% de la deformación del betún de peor desempeño (betún I).

Los betunes modificados presentan deformaciones significativamente menores que los tradicionales. Lo anterior debido fundamentalmente a la recuperación de deformación existente en los ciclos de descanso, mientras que los betunes tradicionales no evidencian esta recuperación.

6. Ensayos tradicionales

6.1 Condiciones de Ensayo

Se realizaron ensayos tradicionales a la totalidad de los betunes asfálticos estudiados. Para el caso de los betunes tradicionales CA 24, éstos fueron ensayados en tres distintos estados: condición original, envejecimiento primario o (RTFOT) y envejecimiento secundario o (PAV). Se consideran estas tres etapas de envejecimiento del betún dado que de esta forma es posible caracterizar representativamente el comportamiento del betún durante la vida útil de éste.

Para el caso de los betunes modificados de tipo 60-80 modificado con SBS, éstos también son ensayados en tres distintos estados: condición original, envejecimiento primario o (RTFOT) y envejecimiento secundario o (PAV), para este tipo de betún también se realizó el ensayo para estabilidad al almacenamiento.

Los resultados se muestran en las Tabla 3 y 4 respectivamente.

Tabla 3. Resultados betunes tradicionales

6.2 Comentarios Ensayos Tradicionales

Los resultados obtenidos para los betunes tradicionales establecen que en el estado original, analizando para temperaturas intermedias, la penetración a 25°C obtenida es similar pues I,II y III presentan nivel muy similares de penetración con diferencias de solo 2 dmm entre la mayor y la menor. En cambio la ductilidad a 15°C entrega diferencias, ya que, el valor del betún II es mucho menor en comparación a los otros dos, lo cual según el criterio de (Kandhal 1977) indicaría un probable menor desempeño al agrietamiento por fatiga a lo largo del tiempo. Para altas temperaturas analizando la viscosidad absoluta se puede notar que los tres betunes están dentro del rango de viscosidad de 3000 ± 600 poises, viscosidad especificada para un AC 30 según la norma ASTM D3381-05. Respecto del punto de ablandamiento, los tres betunes presentan valores similares con variaciones de un poco más de 1°C entre el mayor y el menor de los tres.

Tabla 4. Resultados betunes modificados

En estado de envejecimiento primario o (RTFOT) para temperaturas intermedias, las penetraciones a 25°C muestran mayores diferencias que para el betún original, con variaciones de 7dm entre el más blando (betun III, 43 dmm) y el más duro (betún I, 36 dmm), pero siempre dentro de un rango bajo. La ductilidad a 15°C está todavía dentro de un rango aceptable para los betunes I y III, pero bastante baja para el betún II, con un valor de 11. Este último valor indica una alta susceptibilidad al agrietamiento en un futuro cercano para el betún II, considerando que un valor menor a 10 es considerado negativo (Kandhal 1977).

En estado de envejecimiento secundario o (PAV), las diferencias en las penetraciones se mantienen muy parecidas al estado RTFO. Nuevamente la ductilidad a 15°C del betún II resulta ser el menor, con un valor de 4, que de acuerdo a la literatura (Kandhal 1977) existente indica un riesgo importante de agrietamiento. Los otros dos betunes tienen una ductilidad a 15°C igual a 6, lo que indicaría algún riesgo pérdida superficial de material en edades avanzadas del pavimento.

Para bajas temperaturas el punto de fragilidad Fraas del betún II es 6°C más alto que el betún III y 4° más alto que el betún I, indicando un peor probable desempeño a bajas temperaturas.

De los tres betunes tradicionales, el betún III mostró los menores niveles de envejecimiento, evidenciado por las penetraciones retenidas y los índices de durabilidad.

Los betunes modificados en estado original indican que para temperaturas intermedias, según las penetraciones obtenidas a 25°C, el betún II resulta ser más blando, cercano a las 80 dmm, mientras los otros dos están más cercanos a las 60 dmm. La ductilidad a 15°C del betún II nuevamente es menor que los otros dos.

En estado de envejecimiento primario (RTFOT), para temperaturas intermedias, la penetración a 25°C del betún II nuevamente es significativamente mayor, superando en 17 y 18 dmm a los otros betunes. En ductilidad a 15°C nuevamente el betún II es menor que el resto. Para bajas temperaturas nuevamente el betún II tiene el valor inferior para el punto de fragilidad de fraas. Para altas temperaturas se tiene que el punto de ablandamiento de los tres betunes es similar.

En envejecimiento secundario o (PAV) para temperaturas intermedias la penetración indica que el betún II es el más blando. Para ductilidad a 15°C el betún III destaca por tener un valor más alto que el resto, aunque según el criterio de Kandhal los tres betunes presentaran un comportamiento satisfactorio.

Para el punto de fragilidad de Fraas el betún II posee un valor 5°C por debajo de los otros dos, indicando probable mejor comportamiento a baja temperatura.

Comparando resultados entre betunes tradicionales y modificados se puede establecer que los niveles de penetración no difieren mucho para el estado original en los seis betunes. Sin embargo hay diferencias fundamentales a altas y bajas temperaturas, donde los betunes modificados demuestran susceptibilidades térmicas significativamente menores. Al envejecer los betunes modificados conservan valores más altos de ductilidad lo cual indicaría mejores resistencias al agrietamiento por fatiga.

7. Conclusiones

La caracterización por desempeño Superpave permitió determinar las propiedades fundamentales (módulo complejo y ángulo de fase) de los betunes a altas temperaturas, temperaturas intermedias y bajas temperaturas. Los tres betunes tradicionales clasificaron como PG64-22. Dos de los betunes modificados clasificaron como PG70-22 y uno como PG70-28. Esta diferencia, sin embargo, no fue tan significativa cuando se considera las temperaturas exactas de cumplimiento de los parámetros de la especificación en vez de las categorías discretas propuestas (-27 y -29°C, respectivamente). Estas clasificaciones de grado PG, en conjunto con una adecuada zonificación climatológica de nuestro país, podría ser utilizada para confeccionar una especificación de betunes más moderna para nuestro país.

Las curvas maestras construidas para cada uno de los betunes permite determinar la rigidez y elasticidad de estos ligantes para cualquier combinación de temperatura y frecuencia de carga. El módulo complejo de cada betún puede ser utilizado, por ejemplo, en la estimación del módulo dinámico de la capa asfáltica para los diseños de pavimentos a través de programas multicapas elásticos. Las curvas maestras permitieron además visualizar la menor susceptibilidad térmica de los betunes modificados.

Los diagramas de Black fueron una herramienta muy útil para la puesta en marcha del reómetro de corte dinámico, pues permitieron analizar los datos y detectar errores de medición para hacer las correcciones pertinentes. Además, a partir de estos gráficos fue posible detectar la utilización del modificador SBS en los ligantes modificados.

Los ensayos de fluencia y recuperación permitieron evidenciar las importantes diferencias de elasticidad existentes entre los betunes tradicionales y los modificados, al ser sometidos a cargas repetidas como las cargas de tráfico en los pavimentos viales. Esta recuperación elástica se traduce en menores deformaciones permanentes en los betunes modificados a altas temperaturas.

8. Agradecimientos

Esta investigación fue financiada parcialmente por Conicyt, a través del proyecto Fondef D09I1174. Se agradece también el aporte del Laboratorio Nacional de Vialidad, Constructora Asfalcura S.A., Ruta del Maipo S.A., OHL Concesiones Chile, Sociedad Concesionaria Autopista Central S.A. Se reconoce también el aporte a la investigación de los siguientes alumnos tesistas de la Universidad Técnica Federico Santa María: María Paz Castillo, Felipe Flores y Mauricio Toro.

9. Referencias

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E-mail: carlos.wahr@usm.cl

Fecha de Recepción:06/09/2012 Fecha de Aceptación:11/09/2012

 

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