Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Obras Civiles

Presentación del tema: "Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Obras Civiles"— Transcripción de la presentación:

1 Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Obras Civiles

2 Antecedentes: Fatiga de Mezclas Asfálticas Chilenas
Diseño Marshall 5,2% de Asfalto 4,8% de Huecos Ligantes Asfálticos 1) Tradicional AC-30 (PG64-22) 2) Modificado (PG70-22) 3) Modificado (PG70-28)

3 Antecedentes: Fatiga de Mezclas Asfálticas Chilenas
AASHTO TP8-94

4 Antecedentes: Modulo Dinámico de Mezclas Asfálticas Chilenas
Donde: E*m = módulo dinámico de la mezcla [psi] Pc = volumen de contacto de los agregados VMA = vacíos en el agregado mineral [%] VFA = vacíos llenos con asfalto [%] G* b = módulo complejo en corte del betún [psi] (Christensen et al., AAPT 2003)

5 Antecedentes: Proyecto NCHRP 1-41
“Modelos para Predicción de Grietas por Reflexion en Recapados Asfalticos de Mezclas en Caliente”. (R. Litton) Datos de entrada del modelo: c R Gg C1 & C2 de WLF

6 Curvas Maestra de un Ligante Asfáltico y sus Parámetros
c : Frecuencia de Transición R : Índice Reológico Gg : Módulo Vítreo ss : Viscosidad Flujo Cero 𝛿 𝜔 = ( 𝜔 𝜔 𝑐 ) 𝐿𝑜𝑔 2/𝑅 𝐺 ∗ 𝜔 = 𝐺 𝑔 𝜔 𝑐 𝜔 𝑙𝑜𝑔2 𝑅 −𝑅 𝑙𝑜𝑔2 Normalmente el error es menor al 15% respecto de los datos experimentales para el modelo C-A. El modelo funciona relativamente bien, excepto para temperaturas muy altas (o frecuencias muy bajas), donde se puede utilizar otro procedimiento alternativo donde se ajusta nuevamente los datos exclusivamente para la zona de alta temperatura. Christensen & Anderson. Interpretation of Dynamic Mechanical Test Data for Paving Grade Asphalt. AAPT Journal, pp , 1992.

7 Determinación de los Parámetros de la Curva Maestra
Gg es el valor de G* para un  igual a 0° Puede estimarse gráficamente o por regresión a partir de graficar G* v/s  para valores de  menores a 10°. 0,6 < Gg < 1,5 [Gpa] en asfaltos para pavimentos Para fines ingenieriles puede asumirse un valor de 1 [Gpa] c es la frecuencia a la temperatura de referencia a la cual tan() = 1 Puede determinarse gráficamente o por técnicas estadísticas apropiadas

8 Determinación de los Parámetros de la Curva Maestra
El logaritmo en base 10 de R es igual a la razón entre G*(c) y Gg Puede determinarse gráficamente o por técnicas estadísticas apropiadas ss es el valor de * para  igual a 90° Puede estimarse gráficamente o por regresión a partir de graficar * v/s  para valores de  mayores a 70° El índice reológico es un índice de susceptibilidad térmica muy útil y preciso

9 Materiales Caracterizados
Ligante tradicional (AC-30, PG64-22) Ligante modificado (60-80, PG70-22) Estados de envejecimiento Original Envejecimiento primario (RTFOT) Envejecimiento secundario (PAV)

10 Reómetro de Corte Dinámico
Se obtiene G*() Barrido de temperaturas de 10°C a 70°C Barrido de frecuencias de 0,3 a 100 [rad/seg] Se utilizan las placas de 8mm y 25 mm dependiendo de la rigidez del ligante

11 Reómetro de Viga en Flexión
Se obtiene S(t) Barrido de temperaturas de -24 a -6°C Barrido de tiempo de 8 a 240 s (equivalente a barrido de frecuencias de 0,0042 a 0,125 rad/s) El máximo error que se comete con esta aproximación es de alrededor de 18% para ligantes asfálticos de acuerdo con Christensen. 3 vigas son ensayadas a todas las temperaturas. Una vez obtenidos los resultados, se descarta la viga con los resultados más alejados del promedio y se promedian los datos de las dos vigas restantes.

12 Aquí van los resultados BBR sin analizar
Se calcula 𝐺 ∗ 𝜔 ≈ 𝑆 𝑡 3 asumiendo 𝜔 𝑟𝑎𝑑 𝑠 ≈ 1 𝑡(𝑠)

13 Curva Maestra Buscar otra mejor

14 Dependencia de la Temperatura y Factores de Corrimiento
Por sobre la temperatura de definición Td : ecuación de Williams Landel y Ferry (WLF) Donde: aT(T ) = factor de corrimiento t = tiempo real de observación  = tiempo reducido T = temperatura T0 = temperatura de referencia C1, C2 = constantes del material Los factores a(T) se obtuvieron mediante un ajuste por mínimos cuadrados utilizando el software MS Excel ® y luego se ajustaron ecuaciones para modelarlos analíticamente. Los coeficientes C1 y C2 de la Ecuación de Williams – Landel – Ferry se obtuvieron utilizando ajuste por mínimos cuadrados.

15 Dependencia de la Temperatura y Factores de Corrimiento
Por debajo de Td : versión modificada de la ecuación de Arhennius (Rowe & Sharrock, TRR 2011): Donde: aT(T ) = factor de corrimiento T = temperatura (°K) Tr = temperatura de referencia (°K) Ea = energía de activación para flujo del material bajo Td (J/mol) R = Constante ideal de los gases = J/molK k = constante 𝑙𝑜𝑔 𝑎 𝑇 =𝑘+ 𝛥 𝐸 𝑎 𝑅 1 𝑇 − 1 𝑇 𝑟 Para obtener las constantes de cada ecuación, se realiza un ajuste por mínimos cuadrados utilizando los factores calculados manualmente. Los factores de corrimiento para temperaturas bajas obtenidos a través de la ecuación de Arrhenius se ajustaron correctamente (R2>0.99) a los factores obtenidos manualmente, para lograr lo anterior se debió emplear una versión modificada de dicha ecuación, la que presenta un factor de linealidad que mejoró el ajuste.

16 Ajuste de Ecuaciones de Corrimiento
Td estimada usando ecuación WLF con C1=19 y C2=92 (Christensen & Anderson, AAPT 1992) Ligante Utilizando un ajuste por mínimos cuadrados fue posible obtener la única variable del sistema (Td).

17 Curvas Maestras y Parámetros
Se decidió utilizar factores de corrimiento calculados por ajuste de mínimos cuadrados y no los factores obtenidos con ecuaciones analíticas, ya que los primeros entregan resultados más certeros y cercanos a la realidad mientras que los segundos en algunas ocasiones presentaban discrepancias. 𝐺 𝑔 tiende a 109 [Pa]. Este valor aumenta ligeramente con el nivel de envejecimiento del asfalto. Se aprecia una disminución de la frecuencia Crossover, ωc, medida que el ligante se envejece El índice Reológico, R, tiende a aumentar a medida que el betún se envejece. El aumento en el valor de R se traduce en una disminución de la pendiente de la asíntota viscosa, lo que se refleja en una horizontalidad de la curva maestra. Un betún envejecido presenta mayores valores de |G*| a frecuencias mas bajas, pero tienden siempre al Módulo vítreo (1 [GPa]) a frecuencias mas altas, esto explica forma mas horizontal de la curva maestra. Típicamente los asfaltos sin modificar tienen un valor de R cercano a uno, mientras que asfaltos altamente oxidados presentan un aumento del índice reológico que puede llegar hasta 3 [11].

18 Curvas Maestras y Parámetros
El ligante tradicional CA24 tiene valores de ωc mayores que el ligante modificado 60-80 También se aprecia que 𝐺 𝑔 es mayor en los ligantes con modificador.

19 Curvas Maestras v/s Envejecimiento
Ligante Tradicional AC-30, Tr=20°C Ligante Modificado 60-80, Tr=20°C

20 Comparación Curvas Maestras Ligantes Tradicional y Modificado
Ligante Tradicional AC-30 Ligante Modificado 60-80 La presencia de modificadores aumenta el Índice Reológico lo que implica una curva maestra más horizontal. Lo anterior tiene sentido ya que una curva maestra horizontal implica estabilidad ante cambios en la temperatura o velocidad de carga. Para frecuencias bajas el valor de |G*| es mayor en el asfalto modificado, mientras que a frecuencias mayores |G*| tiende a ser menor. El valor de R está ampliamente correlacionado con el ancho del espectro de relajación. Procesos de modificación o envejecimiento varían la composición química del asfalto, cambiando la pendiente del espectro de relajación. Este cambio de pendiente se refleja en el índice reológico donde una menor pendiente (para los tiempos más altos) implica un espectro más ancho, esta menor pendiente significa que la transición desde un comportamiento vítreo a viscoso se realiza de manera más gradual al disminuir la temperatura o al aumentar la frecuencia de carga. [11].

21 Factores de Corrimiento v/s Envejecimiento
Los factores de corrimiento son mayores en el ligante modificado, lo que es consistente con la temperatura de definición que también es mayor. Eso implica que existe mayor dependencia a la temperatura en el ligante modificado.

22 Comparación Factores de Corrimiento entre Ligantes

23 Conclusiones Disminución del valor de la frecuencia de transición (c) con el envejecimiento. El valor del índice Reológico (R), aumenta con el envejecimiento del ligante, siendo mayor en el ligante modificado. Para ambos ligantes el valor de logaritmo del módulo vítreo (Gg) tiende al valor de 9, el valor es levemente mayor para el ligante modificado respecto al tradicional. La temperatura de definición (Td) aumenta con el envejecimiento tanto para el ligante tradicional como para el modificado.

24 Universidad Técnica Federico Santa María
Agradecimientos Comisión Nacional de Investigación, Ciencia y Tecnología de Chile CONICYT (Proyecto Fondecyt ) Universidad Técnica Federico Santa María