1

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MICROAGLOMERADO EN FRÍO CON FIBRA DE VIDRIO EN EL SIMULADOR DE VEHÍCULOS

PESADOS

Juan Aguilar Maldonado1, Roberto Israel Hernández Domínguez 2 y Rafael Soto Espitia3.

1Estudiante de la Maestría en Infraestructura del Transporte Universidad Michoacana de

San Nicolás de Hidalgo, Ave Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Río, 58040, Morelia, México.

jamgineer@gmail.com 2Instituto Mexicano del Transporte, Km 12+000, Carretera Estatal No. 431 "El Colorado-

Galindo"/ Parque Tecnológico Sanfandila/ Mpio. Pedro Escobedo, Querétaro

3Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Ave Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Río, 58040, Morelia.

RESUMEN

Un ensayo acelerado de pavimentos (APT) proporciona un nivel de conocimiento razonable entre las cargas reales del pavimento en un tramo en operación y el mismo desempeño bajo condiciones de cargas controladas. Así mismo, permite el monitoreo de la acumulación de daño en un periodo tiempo reducido. Debido al aumento de cargas pesadas y tráfico durante las últimas décadas en las carreteras mexicanas, el interés por las capas de base tratadas con cemento (CTB) ha crecido significativamente. Por lo tanto, este material de pavimento se ha convertido en tema de interés en el laboratorio y ahora en las pruebas de ensayos acelerados en pavimentos con el fin de conocer sus beneficios como soportar cargas pesadas y su susceptibilidad al agrietamiento y los principales otro tipo de deterioros. El objeto de este trabajo se enfoca sobre un microaglomerado en frio reforzado con fibra de vidrio para proteger la base estabilizada con cemento del clima, por razones de desgaste y estéticas, pero el propósito principal de combinar un microaglomerado con una CTB es evitar el agrietamiento o al menos retrasar su aparición. Este artículo describe el desempeño de una mezcla de asfalto en frío reforzada con fibra de vidrio sobre la CTB utilizando el Simulador de Vehículos Pesados (HVS). Los valores de IFI (Índice de Fricción Internacional) mostraron un decremento gradual debido a la macrotextura después de haber sido sometidos a más de 100,000 repeticiones de carga, no se encontraron deformaciones excesivas de forma longitudinal y transversal, ni el desarrollo del IRI (International Roughness Index) debido a la rigidez

2 .

Confiabilidad

Tiempo + Costo

Análisis de cómputo (días)

Pruebas de laboratorio (semanas)

Pruebas aceleradas (meses)

Programas de monitoreo a largo plazo (10 – 30 años)

de la CTB, también se presenta un modelo de desempeño para la macrotextura y fricción, así como se discuten los atributos de protección contra el agrietamiento por reflexión de la fibra de vidrio, y se destacan los beneficios de la prueba acelerada en pavimentos para capas de rodadura. Palabras Claves: Capa de rodadura, fibra de vidrio, APT INTRODUCCIÓN Se define como ensayo acelerado de pavimentos a aquel estudio donde se aplica una carga controlada en una rueda tipo, sobre un sistema de pavimento multicapas con el objetivo de determinar la respuesta y su comportamiento bajo una acumulación de daño acelerado y controlado en un periodo corto de tiempo. Los ensayes acelerados en pavimentos a escala real, han demostrado ser una herramienta valiosa que llena el espacio que hay entre los modelos de comportamiento, pruebas de laboratorio y las pruebas de largo plazo en pavimentos en servicio (Fig. 1). Se utilizan para comprender mejor el comportamiento de los pavimentos, tratamiento de materiales alternativos, evaluación de nuevos materiales y aditivos, nuevas técnicas de construcción, nuevos tipos de estructuras. Además de que permite una rápida comparación entre las actuales y nuevas prácticas y la capacidad de validar y calibrar modelos con datos de calidad, con mínimo riesgo y relativamente bajo costo. El Heavy Vehicle Simulator o HVS, es un equipo para realizar ensayes acelerados de pavimentos y México cuenta con uno de ellos, el modelo Mark VI.

Fig. 1 Relación Tiempo + costo vs. Confiabilidad en ensayos en pavimentos.

El alcance en el área de investigación y desarrollo que puede realizarse con el equipo HVS es muy amplio, los estudios se rigen con el enfoque de entender el comportamiento de los pavimentos de cualquier tipo y para diferentes modos de

3 .

transporte, bajo diferentes condiciones de carga y ambientales, en periodos de tiempo relativamente cortos con un alto grado de confiabilidad. Desde la perfectiva de la estructura del pavimento, estos estudios pueden clasificarse en:

• Determinación de capas débiles en una sección de pavimento y su modo de falla.

• Evaluación de la influencia ambiental en el desempeño. Ya sea temperatura o humedad.

• Pruebas comparativas modificando una sola variable en dos secciones de prueba idénticas.

• Identificar y resaltar las deficiencias en prácticas constructivas actuales.

• Evaluar nuevos materiales de construcción, aditivos y mejoradores de desempeño en materiales de pavimentación.

• Revisar especificaciones y normas de construcción antes de una implementación a gran escala.

• Calibrar y validar modelos de deterioro para el diseño estructural.

• Comparar procedimientos constructivos

• Vincular pruebas de laboratorio con los resultados observados en campo

• Evaluar el impacto de nuevas ruedas, límites de carga, presiones de inflado, etc.

• Evaluación de vida remanente en pavimentos en operación. PROTOCOLOS DE PRUEBA En este trabajo se presenta el ensayo de la capa de una rodadura aplicada sobre una base estabilizada con cemento y zeolitas sintéticas y se realizó utilizando el Simulador de Vehículos Pesados (HVS). La aplicación de carga con el equipo HVS fue programada para comenzar 28 días después de la colocación del microaglomerado con una carga inicial de 20 kN en medio eje dual, con una presión en las llantas de 700 kPa. La carga de las llantas se programó de manera unidireccional con una velocidad constante de 8 km/h durante todo el ensayo, así mismo se propuso un “vagueo lateral” (wander) distribuido de forma normal. La aplicación de carga con desplazamiento lateral se hizo de la posición 7 a la 31, es decir, 30 cm a cada lado a partir del centro de la pista de prueba de acuerdo a la figura 2 Se realizaron mediciones cada ciclo de 4,000 aplicaciones de carga. La carga aplicada que se inició con 20 kN fue gradualmente aumentando hasta una carga máxima de 80 kN, completando 100,000 aplicaciones de carga como puede observarse en la figura 3

4 .

Figura 2. Distribución del centro de carga (desplazamiento lateral)

Figura 3. Gráfica de aplicaciones de carga contra nivel de carga aplicada

Cálculo de ejes equivalentes Para pasar de número de repeticiones con diferentes niveles de carga a cantidad de ejes equivalentes de carga se requiere de un factor de daño (Ecuación 1). El factor de daño utilizado para calcular los ejes equivalentes de 80 kN a partir de las otras cargas

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

Fre

cuen

cia %

Distancia del centro (cm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000

Car

ga

apli

cada

(kN

)

Aplicaciones de carga

5 .

es de 4.2, de acuerdo a experiencias de otros investigadores que han utilizado el mismo equipo en ensayos acelerados de pavimentos (Harvey & Du Plessis, 1996).

40

nP

LEFkN

(ec.1)

Donde; LEF = Factor equivalente de carga P = Carga aplicada, en kN n = Factor de daño

Al finalizar el ensayo se completaron 100,000 aplicaciones de carga, dando como resultado la acumulación de 500,000 ejes equivalentes de carga, como se muestra en la figura 4

Figura 4. Ejes equivalentes acumuados

ANÁLISIS DE RESULTADOS Deformación permanente superficial Una vez obtenido el perfil completo del tramo, se realizó un proceso de ajuste y tratamiento de los datos, se crearon gráficos de deformación permanente en sentido transversal de la superficie durante las diversas etapas del ensayo. La figura 5 muestra el segmento del tramo de estudio donde se obtiene el perfil tridimensional y un ejemplo del mismo. El tramo de estudio comprende 14.60 m de largo por 1.60 m de ancho.

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000

ES

AL

's d

e 80 k

N

Aplicaciones de carga

6 .

Figura 5. Perfil del tramo al finalizar el ensayo

En la figura 6 se presentan secciones transversales promedio obtenidas a partir del perfil medido para diferentes niveles de repeticiones de carga, donde se puede observar que no se ha presentado deformación permanente significativa, debido principalmente a la rigidez de la base estabilizada con cemento sobre la que se aplicó la capa de rodadura, así como también por la acumulación de daño que se le aplicó hasta el término del ensayo.

Figura 6. Deformación transversal promedio

00

.25

0.5

0.7

5

1

1.2

5

1.5

500.00

550.00

600.00

650.00

0.0

01

.03

2.0

53

.08

4.1

05

.13

6.1

5

7.1

8

8.2

0

9.2

3

10.2

5

11.2

8

12.3

0

Ele

vaci

ón

(m

m)

Distancia longitudinal (m)

Superficie del pavimento (100,000 ciclos)

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Ele

va

ción

(m

m)

Distancia transversal (m)

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000

7 .

Regularidad superficial La regularidad superficial se determinó mediante el parámetro Índice de Regularidad Internacional (IRI). Mediante las mediciones del perfil registradas con el perfilómetro láser incorporado, se procedió el IRI del tramo de ensayo a diferentes niveles de aplicación de carga. En la figura 7 se presenta la evolución de la regularidad superficial conforme avanzaron las repeticiones de carga. Donde se puede apreciar que no se presentan cambios significativos, es decir, no se desarrollaron alteraciones significativas del perfil longitudinal.

Figura 7. Irregularidad superficial (IRI) en función de repeticiones de carga Macrotextura La macrotextura se determinó con el parámetro MPD (Profundidad Media del Perfil) de acuerdo a la norma ASTM E 1845-01, mediante las mediciones obtenidas con el perfilómetro laser externo transversal. Los valores de macrotextura (MPD) obtenidos en diferentes etapas del ensayo se presentan en la Figura 8, en la cual se puede observar una disminución en la macrotextura relativamente grande en las primeras aplicaciones de carga, para después presentar una tendencia a disminuir muy baja. Este comportamiento se debe principalmente al reacomodo de los agregados que conforman la mezcla asfáltica al inicio del ensayo al aplicar las primeras repeticiones de carga.

4.50

4.60

4.70

4.80

4.90

5.00

5.10

5.20

5.30

0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 90,000 100,000

IRI

(mm

/m)

Repeticiones de carga

Evolución IRI promedio

8 .

Figura 8. Evolución de la macrotextura en función de repeticiones de carga Fricción El parámetro de fricción se determinó con la prueba del Péndulo de Fricción Británico, de acuerdo a la norma ASTM E 303-93. En la Figura 9 se graficaron los valores obtenidos de Péndulo británico (BPN, Número de Péndulo Británico) en función de las repeticiones de carga a lo largo del ensayo, donde se puede notar un comportamiento diferente a la evolución de la macrotextura, es decir, en el parámetro de fricción con el Péndulo británico no influye el reacomodo inicial que presentó el microaglomerado.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 90,000 100,000

MP

D (

mm

)

Repeticiones de carga

Evolución macrotextura

a b c d e

9 .

Figura 9. Evolución de la fricción en función de las repeticiones de carga Índice de Fricción Internacional (IFI) El Índice de Fricción Internacional (IFI) consta de dos parámetros, la constante de velocidad (Sp) y la fricción idealizada a 60 km/h (F60), los cuales dependen de los equipos de medición. Se presentan los coeficientes utilizados para el cálculo de los parámetros Sp y F60, propuestos en el experimento de la PIARC

Sp a b Tx (Ecuación 2)

Tabla 1. Coeficientes a y b para los equipos de macrotextura utilizados

Equipo de medición Constantes

a b

MPD / Perfilómetro (Eq. A5, ASTM E 1845)

9.74081 81.67568

MTD / Círculo de arena (Eq. A8, ASTM E 965)

-11.5981 113.63246

60

(60) ( )S

SpF A B FR S e

(Ecuación 3)

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 90,000 100,000

Fri

cció

n (

BP

N)

Repeticiones de carga

Evolución fricción

a b c

10 .

Tabla 2. Coeficientes A y B para el equipo de fricción utilizado

Equipo de medición Constantes

A B

Péndulo Británico (medición en MPD)

0.05626 0.00756

Péndulo Británico (medición en MTD)

0.07784 0.00709

En la figura 10 se presenta las gráficas del IFI en distintos niveles de repeticiones o ciclos de carga. Para el cálculo del IFI se utilizaron los valores obtenidos de las mediciones de macrotextura medidas con MPD y los valores de las mediciones de fricción con el Péndulo Británico. El parámetro del IFI se basa en un principio fundamental, en el cual expone que la fricción a basas velocidades depende exclusivamente de la microtextura del pavimento y la fricción a altas velocidades depende exclusivamente de la macrotextura. Este principio podemos corroborarlo en la figura 10, en donde se puede notar que las curvas de 60,000; 72,000 y 100,000 aplicaciones de carga arrojan valores similares a altas velocidades, es decir, que presentan valores de macrotextura muy similares. De igual manera tomando en cuenta estas curvas, se nota que a bajos valores de velocidad de deslizamiento si presentan variación en los valores de fricción.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Fri

cció

n

Velocidad (km/h)

Curva Fricción - Velocidad de deslizamiento (Sección central)

0 Ciclos (0.56,176.52) 16,000 Ciclos (0.40,110.18) 36,000 Ciclos (0.38,93.12)

60,000 Ciclos (0.34,86.30) 72,000 Ciclos (0.33,81.28) 100,000 Ciclos (0.31,88.04)

11 .

Análisis estadístico de los resultados Para el análisis estadístico de los datos, así como para obtener los modelos de regresión lineal, se utilizó el software estadístico Minitab. Se propusieron diferentes modelos tanto de regresión lineal simple y de regresión lineal múltiple para macrotextura y fricción. El software, además de proporcionarnos la ecuación de regresión lineal y el valor del R2, también nos muestra la prueba de hipótesis realizada a los coeficientes de la ecuación de regresión lineal. La ecuación de regresión lineal es de la forma

0 1 1 ... n nY x x Ecuación 2

Donde Y = La variable respuesta x1-xn = Las variables predictoras o regresores β0 = constante (ordenada al origen) β1-βn = Coeficientes de las variables predictoras

Para la validación del modelo de regresión se tomaron las siguientes consideraciones:

• el coeficiente de determinación (R2) el cual nos indica la linealidad del modelo lo

consideraremos de .7 o mayor.

• Los signos de los coeficientes de las variables predictoras deben ser lógicos con

el deterioro que se está planteando de la capa de rodadura

• Los factores de inflación de la varianza (VIF), que nos indican correlación y

existencia de multicolinealidad entre las variables predictoras, deben ser menor o

igual a 5.

• Aplicar la prueba de hipótesis para cada uno de los coeficientes de los

regresores para determinar que sean significativos y que realmente aportan al

modelo

• Aplicar la prueba de normalidad a los residuos del modelo mediante la prueba

Anderson-Darling, la cual el software automáticamente la calcula.

Modelos de regresión lineal Como se mencionó anteriormente, se analizaron diferentes propuestas de modelos de análisis de regresión lineal y diferentes combinaciones de las tres variables consideradas:

• Número de ciclos

• Ejes equivalentes

• Temperatura

12 .

ln 4.975 0.000001 0.02814BPN ESALS Temperatura

El modelo de fricción quedó en función de los Ejes Equivalentes y la Temperatura, siendo el de mejor correlación una regresión lineal múltiple, Ecuación 4:

Ecuación 4 Para el modelo de macrotextura el mejor coeficiente de correlación se encontró en una regresión lineal simple quedando en función del número de ciclos, Ecuación 5:

𝑀𝑃𝐷 = 1.2851 − 0.000005 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 Ecuación 5

Conclusiones El HVS es la herramienta ideal para entender mejor el comportamiento del pavimento dentro de un periodo corto de tiempo, además es un equipo muy efectivo en predecir el desempeño de cualquier combinación de capas de un pavimento, bajo las condiciones de tránsito que recibiría en su vida de diseño, con un alto grado de confiabilidad. Con la utilización del HVS, se acorta sustancialmente el tiempo para implementar cualquier idea relacionada con nuevas tecnologías, materiales, especificaciones, diseño, calibración de modelos, o cualquier idea innovadora en tecnología de pavimentos, tanto para las infraestructuras carreteras como aeroportuarias y marítimas. Si bien los costos de operar este equipo no son baratos, el impacto que puede aportar al mejoramiento de la infraestructura vial del país es enorme. Se deberá sensibilizar en la relación beneficio – costo, para sacar el mayor provecho de esta tecnología en México, la infraestructura nacional se lo merece. Referencias ASTM E 1845-01. (2005). Standard practice for calculating pavement macrotexture mean profile

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Volumetric Technique. ASTM International, Annual Book of ASTM Standards.

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13 .

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