Revista Ingenierías Universidad de Medellín

ISSN: 1692-3324

revistaingenierias@udem.edu.co

Universidad de Medellín

Colombia

Marín Uribe, Carlos Rodolfo; Guzmán Meléndez, María Rosa

Modelación de una estructura de pavimento utilizando los módulos dinámicos obtenidos en laboratorio

aplicando las metodologías marshall y superpave

Revista Ingenierías Universidad de Medellín, vol. 6, núm. 11, julio-diciembre, 2007, pp. 53-63

Universidad de Medellín

Medellín, Colombia

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MODELACIÓN DE UNA ESTRUCTURA DEPAVIMENTO UTILIZANDO LOS MÓDULOS

DINÁMICOS OBTENIDOS EN LABORATORIOAPLICANDO LAS METODOLOGÍAS MARSHALL

Y SUPERPAVE

Carlos Rodolfo Marín Uribe1

María Rosa Guzmán Meléndez2

Recibido: 03/03/2007Aceptado: 24/09/2007

ResumenEl programa SHRP (Strategic Higway Research Program) a través del nuevo méto-do de diseño de mezclas asfálticas en caliente �Superpave�, ha impulsado el desa-rrollo de investigaciones con el fin de obtener mezclas asfálticas más durables,resistentes y en general, que muestren un comportamiento superior como su nombrelo indica. Entonces, es importante conocer los estados de esfuerzos y deformacio-nes que se producen al modelar una estructura de pavimento con capas de rodadura,compuestas con mezclas asfálticas diseñadas por métodos distintos (Marshall y

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1 Ingeniero Civil de la Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales, especialista y magíster en Ingeniería de Vías

Terrestres de la Universidad del Cauca, Auditor interno en Aseguramiento de la Calidad Normas ISO 9000. Docente de

tiempo completo en el programa de Ingeniería Civil de la Universidad de Medellín, Medellín, Antioquia, Colombia.

Coordinador del Área de Geotecnia.

e-mail: cmarin@udem.edu.co, caromaur72@hotmail.com2 Ingeniera Civil de la Universidad del Cauca, especialista y magíster en Ingeniería de Vías Terrestres de la Universidad del

Cauca. Docente de tiempo completo del programa de Ingeniería Civil de la Universidad del Quindío, Quindío, Armenia,

Colombia. Jefa del Área de Vías.

e-mail: mrguzman@uniquindio.edu.co; meryrose@hotmail.com

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Superpave) y, por supuesto, con una caracterización dinámica diferente (leyes defatiga, módulos dinámicos y respuesta al ahuellamiento). Esta modelación permitetener una idea general de la capacidad estructural para soportar el tránsito duran-te su vida útil representada en el valor de N (Número de ejes equivalentes decarga) y quizá obtener algunos indicios de posibles ahorros en costos de conserva-ción de los pavimentos, razones fundamentales para apoyar e incentivar laimplementación del método Superpave como nuevo diseño de las mezclas asfálticasen caliente.

Palabras claveMezcla asfáltica, Superpave, Marshall, módulo dinámico, ley de fatiga.

MODELING OF A PAVEMENT STRUCTURE USINGDYNAMIC MODULES OBTAINED IN A LABORATORY

APPLYING MARSHALL AND SUPERPAVEMETHODOLOGIES

AbstractThe SHRP (Strategic Highway Research Program) through the new design methodof hot asphalt mixtures �Superpave� has promoted the development of researchesin order to get more durable and resistant asphalt mixtures that show a superiorperformance. Then, it is important to know the effort and deformation conditionthat are produced when modeling a pavement structure with asphalt layers madeup of asphalt mixtures designed with different methods (Marshall and Superpave)and therefore, with a different dynamic characterization (fatigue laws, dynamicmodules, and deterioration answers). This modeling allows us to have a generalidea of the structural capacity to endure traffic throughout its life cycle representedby N value (Number of equivalent loads axis) and perhaps to obtain some hints ofpossible savings in pavement preservation costs which are basic reasons to supportand stimulate the implementation of the Superpave Method as a new design ofthe hot asphalt mixtures.

Key WordsAsphalted mixture, Superpave, Marshall, dynamic module, fatigue law

Carlos Rodolfo Marín Uribe, María Rosa Guzmán Meléndez

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INTRODUCCIÓN

Los métodos racionales de diseño de pavimentosparten de una modelación de su estructura, lacual queda definida por el conocimiento de susespesores y de las características elástico dinámi-cas de cada una de las capas componentes de laestructura (Benavides, CA y Chavarro E, 2000).La caracterización de los materiales se efectúamediante la determinación del módulo dinámi-co, la relación de Poisson y la ley de fatiga(Tosticarelli, J et al, 1989). Es sumamente impor-tante conocer los valores de las solicitaciones crí-ticas que controlan las fallas asociadas a lafisuración por fatiga o a deformaciones perma-nentes, para lo cual se hace indispensable cono-cer los valores de los módulos de los materialesconstitutivos de cada una de las capas de la es-tructura de pavimento.

Teniendo en cuenta que la mezcla asfáltica se en-cuentra dentro de los materiales a considerar paraestimar su módulo y cuyo valor es un insumo bási-co para la modelación de la estructura de pavi-mentos, muchos investigadores se han dedicado aproponer nuevas metodologías de elaboración ycompactación de las mismas.

En la selección de un método de compactación delaboratorio, los investigadores del programa SHRPse plantearon varias metas. La más importantefue diseñar un equipo que pudiera compactar enforma realista los especimenes de mezcla a la den-sidad alcanzada bajo condiciones de clima y cargadel pavimento. (FHWA-SA-004, 1995).

Es así como fue desarrollado un nuevocompactador: el compactador giratorioSuperpave (SGC). Algunos estudios como el rea-lizado por la Nacional Cooperative HighwayResearch Program (NCHRP) en el año 1988 hanconcluido que la compactación giratoria produ-ce probetas representativas de los materialescompactados in situ. Esta conclusión está basadaen una comparación de varias rigideces y defor-

maciones medidas en núcleos tomados inmedia-tamente después de la construcción.

Por ello, vale la pena hacer un análisis que nospermita visualizar claramente las diferencias en lamodelación de estructuras de pavimentos flexiblesteniendo en cuenta mezclas asfálticas elaboradas ydiseñadas por distintos métodos, como lo son eltradicional Marshall y la nueva propuesta del pro-grama SHRP, el Superpave.

Ya es conocido por algunos estudios que los módu-los dinámicos obtenidos en las mezclas asfálticasdiseñadas por el método volumétrico Superpaveson notoriamente mayores a los obtenidos en lasmezclas tipo Marshall (Guzmán, MR y Marín, CR.2004), lo que hace evidente que cualquiermodelación de estructura de pavimento para ob-tener los esfuerzos y deformaciones resultantesdebido a la imposición de cargas de tránsito a laque está sometida será diferente, dependiendo delmódulo dinámico asociado a la capa asfáltica;módulo que, además de diversas variables, depen-derá del método de compactación de laboratorio.

Cada vez se hace más importante estudiar el com-portamiento de los materiales usados en ingenie-ría sometidos a cargas dinámicas. Los materialesusados en las estructuras de un pavimento no es-capan a esta realidad, por lo que se considera fun-damental realizar investigaciones sobre las nuevasmetodologías propuestas que ofrecen materialescon mejor desempeño y resistencia; factor impor-tante para el análisis económico, ambiental y téc-nico respectivo de un proyecto.

Finalmente, se debe tener en cuenta que el com-portamiento de una mezcla bajo cargas dinámicasestá afectado tanto por la resistencia a la fatigacomo por el módulo dinámico; a mayor valor deeste último factor se requiere de un menor espe-sor de la capa asfáltica y viceversa, lo cual repre-senta también una diferencia en el valor econó-mico de construcción de las estructuras de pavi-mento modeladas.

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METODOLOGÍA

Teniendo en cuenta que para efectuar unamodelación de una estructura de un pavimentobajo unas condiciones determinadas con el fin deobtener los diferentes esfuerzos y deformacionesque ocurren en ella, se requiere asociar un módu-lo dinámico a cada una de las capas constitutivas,se llevó a cabo un trabajo completo de laborato-rio donde se destacan las siguientes actividades:

a. Escogencia de una estructura granulométrica.

b. Diseño de las mezclas asfálticas tipo Marshally Superpave (contenidos óptimos de asfalto).

c. Obtención de los módulos dinámicos.

d. Deducción de las leyes de fatiga.

e. Obtención de los esfuerzos y deformacionesmediante una modelación de la estructura depavimento con ayuda del programa DEPAV.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Cada una de las actividades anteriormente men-cionadas en la metodología, se desarrolló de la si-guiente manera:

Estructura granulométrica

Se escogió como estructura granulométrica, unaque siguiera las recomendaciones de Superpave,cuyo recorrido no debe pasar por la zona de res-tricción. Esta zona restringe el uso de arenas re-dondeadas las cuales no garantizan una buena co-hesión de la mezcla; además, generalmente se aso-cia una excesiva cantidad de granos redondeadoscon una resistencia al corte muy pobre, lo cual esla principal causa del ahuellamiento en las mez-clas asfálticas �(Murphy T, 1998)�. La tabla N° 1muestra la distribución de la granulometría deprueba, mientras que en la figura N° 1 se puedeobservar el gráfico exponente 0.45 para una me-jor visualización de la curva.

Tabla N° 1. Granulometría de pruebaTamiz No Abertura (mm) Porcentaje que pasa (%)

¾� 19 100

½� 12.5 953/8� 9.5 83

4 4.75 568 2.36 3716 1.18 2230 0.6 1650 0.3 12

100 0.15 8

200 0.075 4

Figura N° 1. Granulometría de prueba en gráfico exponente 0.45

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Diseño de las mezclas asfálticas tipo Marshally Superpave

Para un mismo agregado, estructuragranulométrica y asfalto (Barrancabermeja), seconsiguieron los correspondientes diseños de lasmezclas asfálticas aplicando los métodosMarshall y Superpave, obteniendo las respecti-vas fórmulas óptimas de trabajo. Es importantemencionar que se garantizó el cumplimiento delrequisito de angularidad del agregado fino ex-presado en la metodología Superpave.

Se determinaron cuatro porcentajes de asfaltopara realizar el diseño respectivo para cada unade las metodologías. Por cada porcentaje se fa-bricaron tres probetas con el fin de garantizaruna buena confiabilidad en los valores a obte-ner. Es decir, para obtener las fórmulas de tra-bajo por cada metodología se elaboraron 12probetas.

Tabla N° 2. Diseño muestral para obtención dela fórmula de trabajo.

Los porcentajes óptimos de asfalto obtenidos apli-cando los criterios establecidos para cada metodo-logía fueron idénticos, estableciéndose en un va-lor de 6.3% (Guzmán, MR y Marín, CR; 2004).

Módulos dinámicos

El diseño muestral se compone de tres probetaspor cada valor de módulo dinámico, lo cual nosda un total de nueve probetas por cada una de lasmetodologías con el objetivo de determinar lascurvas maestras. Es importante mencionar que enel procedimiento de obtención del valor del mó-dulo dinámico, a cada una de las probetas se lerealizaron dos determinaciones, suministrándonosun total de 9 puntos o valores por cada módulodinámico en la temperatura evaluada.

Metodología Número total de probetas

Marshall 12

Superpave 12

Metodología Número de probetas Número total de probetas Número total de valorespara cada temperatura para obtener la curva maestra determinados para la curvamaestra

Marshall 3 9 18

Superpave 3 9 18

Tabla N° 3. Diseño muestral para obtención de las curvas maestras. Módulos dinámicos.

Se obtuvieron los valores de los módulos dinámi-cos de las probetas construidas con las respectivasfórmulas de trabajo (4% de vacíos de aire y el por-centaje óptimo de asfalto). Se analizaron los valo-res de los módulos a diferentes temperaturas de

prueba, lo cual nos permite construir las curvasmaestras. Dichos valores se obtuvieron medianteel uso de un equipo triaxial dinámico tipoNottingham y se pueden observar en la tabla yfigura N° 2.

Tabla N° 4. Módulos dinámicos para probetas Marshall y Superpave

Valor del Módulo dinámico según método de diseño (Mpa)

Temperatura (°C) Marshall Superpave

20 6378 10008

25 3226 5876

35 1023 1248

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Figura N° 3. Ley de fatiga deducida mezcla Marshall

Figura N° 2. Módulos dinámicos

Leyes de fatiga

Generalmente se acepta que en la mayor parte delas situaciones, el tráfico genera un daño por fati-ga del material que se inicia en la parte inferiorde la capa asfáltica y se propaga hacia la superficie.En el modelo tradicional de fatiga las fisuras seoriginan en la fibra inferior de la mezcla asfáltica(zona donde la tensión de tracción es mayor) y sepropaga verticalmente hacia la superficie del pavi-

mento �(Guzmán, MR; Marín, CR. 2004.)�. Sinembargo, por las condiciones del proyecto no sepudo evaluar cada ley de fatiga en laboratorio, loque obligó a obtener la curva de comportamientodeducida por el método recomendado por la Shell(Huang, Y, 2002). Las figuras N° 3 y 4 muestranlas leyes de comportamiento o fatiga correspon-dientes para las mezclas elaboradas por el métodoMarshall y el Superpave (Guzmán, MR y Marín,CR; 2004).

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Figura N° 4. Ley de fatiga deducida mezcla Superpave

Modelación con ayuda del programaDEPAV

Se hizo uso del software DEPAV �Diseño Es-tructural de Pavimentos� �(Solano et al; 1994)�elaborado por la Universidad del Cauca y cuyaplataforma es idéntica al software ALIZÉ IIIfrancés.

La modelación se hizo con los valores de módulodinámico a una temperatura de 20°C, dejandoconstante la calidad y espesores de las demás capasde pavimento y con la condición de capas ligadasentre sí (ver figura N° 5). Los datos de entrada ylos valores de esfuerzos y deformaciones para lasdos estructuras se pueden visualizar de las tablasN° 3 a la N° 6.

Donde:

CA: Concreto asfálticoBG: Base GranularSBG: Subbase granularSR: Subrasante

Figura N° 5. Datos de entrada para la modelación de las estructuras de pavimento con mezclasasfálticas diseñadas por las metodologías Marshall y Superpave

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Tablas N° 5. Parámetros básicos para modelación de la estructura de pavimento usando el módulodinámico de la mezcla asfáltica tipo Marshall

Tablas N° 6. Esfuerzos y deformaciones de la estructura de pavimento utilizando el módulo dinámicode la mezcla asfáltica tipo Marshall.

Tablas N° 7. Parámetros básicos para modelación de la estructura de pavimento usando el módulodinámico de la mezcla asfáltica tipo Superpave.

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Tabla N° 8. Esfuerzos y deformaciones de la estructura de pavimento utilizando el módulo dinámicode la mezcla asfáltica tipo Superpave.

De acuerdo con los cálculos arrojados en lamodelación (Ver figura N° 6), analizamos losvalores de deformación a tracción en la par-

te inferior de la capa asfáltica para su inter-pretación en las correspondientes leyes de fa-tiga.

Figura N° 6. Valores de deformación por tracción (åt) en la parte inferior de la capa asfáltica de

acuerdo con la modelación en el software DEPAV.

Con estos valores de deformación acudimos a lasleyes de fatiga respectivas para la granulometría yobtenemos el número de repeticiones de cargapara cada método; así:

Marshall: N = 1.5 E+07Superpave: N = 2.5 E+07

Si consideramos el valor del número de repeti-ciones de carga (N) obtenido por el método tra-dicional Marshall como base de comparación ysegún los resultados mostrados, podemos decirque las mezclas asfálticas elaboradas por el méto-do Superpave pueden soportar un 60 % más derepeticiones de carga que las fabricadas por el

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Marshall, lo que representa la fortaleza que pro-mueve la metodología SHRP, a través de su mé-todo Superpave.

CONCLUSIONES

a) La tendencia en el comportamiento a la fati-ga es muy similar tanto para las mezclas dise-ñadas por el método Superpave como paralas Marshall; prácticamente exhiben una mis-ma fragilidad, pero se debe destacar que cuan-do se aplica el mismo esfuerzo a ambas mez-clas, la Superpave tendrá menos deformacio-nes (módulo mucho mayor) y, por lo tanto,soportará mayores repeticiones de carga.

b) Teniendo en cuenta que los módulos de lasmezclas diseñadas por el método Superpavealcanzaron valores cercanos al doble de loslogrados por el modelo de Marshall, se espe-raba que el comportamiento en fatiga de lasprimeras fuese más frágil y, por lo tanto, queésta característica se convirtiera en la debili-dad de las mezclas diseñadas por el métodovolumétrico Superpave. Sin embargo, se debetener en cuenta que el comportamiento deuna mezcla bajo cargas dinámicas está afecta-do tanto por la resistencia a la fatiga comopor el módulo dinámico desarrollados a la tem-peratura de trabajo.

c) La estructura modelada con mezcla asfálticatipo Superpave, al soportar mayores repeticio-nes de carga, representa en el tiempo un me-nor período de intervención en manteni-miento, implicando un ahorro en dinero con-siderable. Aunque este análisis debe ser máscompleto y profundo, nos brinda una ideageneral para posteriores estudios económicosy de factibilidad de implementación del mé-todo de diseño volumétrico Superpave en

nuestro país. Ésta es, quizá, la bondad quepromueve el programa SHRP impulsandofuertemente el diseño volumétrico Superpave,pretendiendo difundir una metodología queproduzca mezclas asfálticas de comportamien-to superior, las cuales a través del valor de sumódulo dinámico es capaz de soportar unacondición de tráfico representado en el nú-mero de ejes equivalentes de carga muchomayor que los obtenidos en la estructura conmezclas tipo Marshall.

d) Se requiere continuar con las investigacionessobre la metodología Superpave para deter-minar claramente los apartes que se puedenadaptar rápidamente y se conviertan en apor-tes al control de calidad en la elaboración demezclas asfálticas en caliente.

e) Es fundamental determinar correlacionesde los valores obtenidos en el laboratoriocon los de campo, para evidenciar realmen-te las bondades de la metodologíaSuperpave. Por esta razón, se debe impul-sar el conocimiento y aplicación de dichametodología y no limitar a la ingeniería co-lombiana a la adaptación tecnológica y dedatos de otros países..

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Nacional de Colombia, SedeManizales por brindar la oportunidad de obtenerlos valores de los módulos dinámicos de las mez-clas asfálticas por medio de su triaxial dinámicotipo Nottingham. Así mismo, a la Universidad delCauca por la disposición de su laboratorio de pavi-mentos y el compactador giratorio para la fabrica-ción de las probetas usando la metodologíaSuperpave; a sus geotecnólogo por la colaboraciónprestada y apoyo en el proyecto.

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BIBLIOGRAFÍA

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Nº FHWA-SA-95-003. February 1995.

GUZMÁN, M. R, y MARÍN, C. R. 2004. Comparación de las mezclas diseñadas por el método Marshall y las diseñadas por el

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HUANG, Y. 2004. Pavement analysis and design. Second edition. Editorial Prentice-Hall. PP 297 - 309.

MORPHY, T. 1998. Superpave, The future of hot mix asphalt pavements. http://www.asphaltinstitute.org/upload/

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