Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 21 N° 1, 2013, pp. 139-146

ARTÍCULOS

 

Efecto de la disminución de la velocidad vehicular en la durabilidad de una capa asfáltica

Effect of reducing traffic speed on the durability of a road asphalt layer

 

Hugo Alexander Rondón Quintana¹ Fredy Alberto Reyes Lizcano² Carlos Felipe Urazán Bonells³

 

¹Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Dirección: Vía Circunvalar Venado de Oro. Bogotá D.C., Colombia. E-mail: harondonq@udistrital.edu.co
²Departamento de Ingeniería Civil. Pontificia Universidad Javeriana. Calle 40 No 5-50, Edificio José Gabriel Maldonado, Piso 1, Bogotá D.C., Colombia. E-mail: fredy.reyes@javeriana.edu.co
³Programa de Ingeniería Civil. Universidad de La Salle. Cra. 2 No 10-70, Sede La Candelaria, Piso 7. Bogotá D.C., Colombia. E-mail: caurazan@unisalle.edu.co

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RESUMEN

Actualmente, en América Latina las vías están experimentando un incremento en el nivel de congestionamiento vehicular en sus vías principales, y con ello una consecuente baja velocidad de marcha. En el artículo se presentan los resultados de una fase experimental desarrollada con el fin de evidenciar el cambio que experimentan las propiedades mecánicas bajo carga repetida de una mezcla densa en caliente tipo MDC-2 cuando se disminuye la velocidad de circulación vehicular. El caso de estudio que se reporta es para mezclas que se fabrican y construyen en Bogotá D.C., Colombia. Como conclusión general se obtiene que al reducir los vehículos la velocidad de circulación sobre una vía en servicio, la mezcla de concreto asfáltico disminuye su rigidez y la resistencia a fatiga. Por ejemplo, disminuir la velocidad de 60 km/h a 30 km/h genera una disminución aproximada de 15,6% en la rigidez de la mezcla analizada y 39,7% en su vida a fatiga.

Palabras clave: Módulo resiliente, resistencia a fatiga, mezcla asfáltica densa en caliente, movilidad urbana, velocidad en vías urbanas.

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ABSTRACT

Due to increased congestion on its main routes, the cities of Latin American, have been experiencing a reduction in traffic speed. This article presents the results of research conducted to establish the changes of the mechanical properties under repeated loads that occur in a MDC-2 hot mix asphalt (HMA) when the vehicular speed decreases. The studies were carried out using asphalt mixtures produced in the city of Bogotá, Colombia. As a general conclusion, it has been found that by reducing the speed of traffic, the asphalt concrete mixture reduces its stiffness and resistance to fatigue. For example, a reduction of the speed from 60 km/h to 30 km/h results in a reduction of approximately 15.6% in the stiffness of the asphalt mixture and 39.5% in its fatigue life.

Keywords: Resilient modulus, fatigue resistance, dense hot mix asphalt, urban mobility, traffic speed in urban areas.

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INTRODUCCIÓN

La última década del siglo XX trajo consigo un fuerte incremento en el número de automóviles en circulación en América Latina, implicando que con el paso del tiempo sea más propicia la condición de congestionamiento vehicular, entendido este como "la condición que prevalece si la introducción de un vehículo en un flujo de tránsito aumenta el tiempo de circulación de los demás" [1]. A su vez, a medida que aumenta el tránsito se reduce fuertemente la velocidad de circulación [2].

El caso de la ciudad de Bogotá D.C. (Colombia) no escapa al gran aumento del parque automotor, pues en el año 1999 se matricularon 13.762 vehículos, para luego pasar a la cifra de 113.672 vehículos matriculados en 2006, lo que representa una tasa anual de aproximadamente 12.500 vehículos [3]. No obstante, esa tasa anual se ha multiplicado en más de 10 veces, llegando a registrar tan solo en el año 2010 un monto de 145.571 vehículos nuevos [4]. El Proyecto de Acuerdo citado también expone como causas del congestionamiento vehicular en la actualidad a las obras de mejoras viales.

Como se ha mencionado, el congestionamiento vehicular está ligado a la velocidad de circulación, la cual viene registrando en las arterias de Bogotá D.C. valores en un rango que oscila entre 13 y 30 kilómetros por hora [5], y donde la tendencia de las velocidades más bajas para cada corredor se da para transporte público colectivo en la franja horaria entre las 16:00 y las 20:00 horas. Ese rango de velocidades se traduce en una disminución de más del 50% del límite de velocidad para vías urbanas en Colombia, el cual está establecido en 60 kilómetros por hora [6].

Dicha disminución de la velocidad vehicular genera cambios en las propiedades mecánicas bajo carga repetida en las mezclas de concreto asfáltico utilizadas para conformar capas asfálticas de estructuras de pavimentos flexibles. En el artículo se presentan los resultados de una fase experimental desarrollada con el fin de evidenciar el cambio que experimentan las propiedades mecánicas de una mezcla densa en caliente tipo MDC-2 (de acuerdo a las especificaciones del Instituto Nacional de Vías [7]) cuando se disminuye la velocidad de circulación vehicular. Las propiedades analizadas fueron el módulo resiliente y la resistencia a fatiga, las cuales son las utilizadas para el dimensionamiento de pavimentos por múltiples métodos de diseño (p.e., [8-11]). Las mezclas fueron fabricadas con un cemento asfáltico (CA) tipo CA 80-100 (PG 52-28) ya que este es el ligante recomendado por INVIAS [7] para construir capas asfálticas en zonas con temperatura media anual promedio inferior a 24 °C (caso Bogotá D.C.). CA 80-100 se refiere a un cemento asfáltico cuya medida en el ensayo de penetración ASTM D-5 está en un rango entre 80 y 100 décimas de mm.

Con respecto al estado del conocimiento sobre el tema, por lo general la influencia de la velocidad o frecuencia de carga sobre la vida a fatiga de mezclas asfálticas se relaciona con la evolución de la rigidez. Así, en mezclas sometidas a ensayos de fatiga bajo el modo de carga de esfuerzo controlado, si la rigidez de la mezcla aumenta la vida a fatiga incrementa [12-14]. Un comportamiento contrario se reporta para el caso de mezclas sometidas al mismo ensayo pero bajo el modo de carga de deformación controlada [15-17]. Para el caso del presente estudio se analizará la respuesta que experimentan en ensayos de laboratorio la rigidez y la resistencia a fatiga de una mezcla asfáltica cuando se disminuye la frecuencia de carga simulando el efecto de la disminución de la velocidad vehicular que está ocurriendo actualmente en la ciudad de Bogotá D.C. sobre capas asfálticas gruesas.

METODOLOGÍA

Caracterización de materiales y diseño de mezclas asfálticas
Al agregado pétreo empleado para la elaboración de las mezclas asfálticas se le realizaron los ensayos requeridos para caracterizarlo, siguiendo las especificaciones del Instituto Nacional de Vías [18]. Los resultados de estos ensayos se presentan en la Tabla 1 y se observa que los valores cumplen con los requisitos mínimos de calidad exigidos por las especificaciones INVIAS [7] para fabricar mezclas tipo MDC-2 para capas de rodadura y tránsito NT3 (altos volúmenes).

Tabla 1. Caracterización de los agregados.

Al cemento asfáltico CA 80-100 (PG 52-28) se le realizaron los ensayos típicos que exige la especificación INVIAS [7] para caracterizarlo (ver Tabla 2). Luego de realizar los ensayos al agregado pétreo y al CA se fabricaron cinco briquetas (compactadas a 75 golpes por cara) por cada porcentaje de asfalto entre 4,5% y 6,5%, con el fin de realizar el diseño Marshall (INV. E-748, INVIAS [18]) para determinar el contenido óptimo de asfalto de la mezcla. Para cumplir con las especificaciones del INVIAS [7] y fabricar mezclas asfálticas tipo MDC-2, se modificó la granulometría original de los agregados, tomando como referencia los valores promedios en porcentajes de la franja granulométrica que exige la especificación para la elaboración de las briquetas del ensayo Marshall (ver Tabla 3). Con los cálculos obtenidos del ensayo Marshall se escogió un porcentaje óptimo de CA de 5,3%. En este porcentaje se están cumpliendo los requisitos mínimos exigidos por la especificación INVIAS [7] para MDC-2 y tránsitos tipo NT1 y/o NT2 (bajos y medios volúmenes de tránsito).

Tabla 2. Características generales del cemento asfáltico CA 80-100.

Tabla 3. Granulometría mezcla MDC-2.

Fase experimental
En las metodologías de diseño mecanicistas de pavimentos (p.e., [10]) los principales parámetros mecánicos utilizados para el dimensionamiento de las estructuras son la rigidez bajo carga repetida, la vida a fatiga y la deformación admisible a tracción de la mezcla. Para evaluar estos parámetros, luego de realizar el diseño Marshall se elaboraron las briquetas de mezcla asfáltica tipo MDC-2 necesarias para realizar ensayos de módulo resiliente y fatiga.

El módulo resiliente (INV. E-749, INVIAS [18]) se midió bajo tres temperaturas (10, 20 y 30 °C) y frecuencias de carga (2,5; 5,0 y 10,0 Hz) utilizando un equipo Nottingham Asphalt Tester (NAT). Con los resultados de estos ensayos se desarrolló una ecuación empírica para predecir la evolución de la rigidez de la mezcla analizada con la temperatura y la frecuencia de aplicación de carga. Para evaluar el cambio que experimenta la vida a fatiga de mezclas de concreto asfáltico con la rigidez se analizaron 360 ensayos de fatiga y módulo resiliente realizados sobre muestras de mezclas tipo MDC-1, MDC-2 y MDC-3 (acordes con INVIAS [7]) fabricadas con CA 80-100. Los resultados de las fatigas analizadas fueron obtenidos realizando ensayos por el método de tensión indirecta en un equipo NAT y siguiendo el procedimiento establecido por la especificación EN 12697-24E [19]. La temperatura del ensayo y la frecuencia de carga fueron de 20 °C y 2,5 Hz respectivamente. El tipo de carga ejecutado en el ensayo fue el de esfuerzo controlado. Este tipo de carga fue el utilizado teniendo en cuenta que en vías con medios y altos volúmenes de tránsito las capas asfálticas dimensionadas presentan espesor mayor a 10 cm experimentando este modo de carga [13-14, 20]. Las dimensiones de las muestras para los ensayos de fatigas son las mismas de las briquetas Marshall. Con los resultados de esta fase se desarrollaron dos ecuaciones empíricas que relacionan el cambio que experimenta la amplitud máxima de deformación admisible en tracción y la vida a fatiga de mezclas de concreto asfáltico con la rigidez.

Utilizando las ecuaciones desarrolladas se determinó, en laboratorio, el cambio en la resistencia a fatiga que experimenta una mezcla tipo MDC-2 cuando disminuye la frecuencia de aplicación de carga (la cual puede ser correlacionada con la velocidad de circulación vehicular).

RESULTADOS

En la Figura 1 se presenta la evolución del módulo resiliente (E) de la mezcla MDC-2 con la temperatura (T, en °C) y la frecuencia de carga (F, en Hz). Se observa un incremento típico del módulo cuando se aumenta la frecuencia de carga y disminuye la temperatura del ensayo. Esta evolución puede ser representada matemáticamente a través de la ecuación empírica (1). Para emplear esta ecuación es necesaria la identificación de seis variables de estado obtenidas a través de regresiones. Para el caso de la mezcla analizada los valores de estas variables se presentan en la Tabla 4. Estas variables no presentan un significado físico definido y deben cambiar principalmente con el tipo de ligante, la granulometría y el tipo de agregado pétreo utilizado para la fabricación de las mezclas. La ecuación (1) es válida para un rango de temperatura entre 10 a 30 °C y frecuencias de carga de 0 a 10 Hz (velocidad aproximada de vehículos entre 0 a 70 km/h).

Figura 1. Evolución del módulo resiliente inicial (Eo) de la mezcla MDC-2 con la temperatura (T) y la frecuencia de carga (F).

Tabla 4. Variables para simular la rigidez de la mezcla MDC-2 en función de T y F.

(1)

La Figura 2 presenta los resultados de los ensayos de fatiga realizados sobre 360 muestras de concreto asfáltico tipo MDC-1, MDC-2 y MDC-3. Se observa una disminución del valor de e_max (amplitud de la deformación para que el material falle cuando se aplican N_f ciclos de carga) a medida que incrementa el módulo resiliente de las mezclas (E), lo que equivale a un estado en el cual el material está cambiando su comportamiento de dúctil a frágil por rigidización. Estos resultados pueden ser representados matemáticamente a través de la ecuación (2). Se escogió esta ecuación teniendo en cuenta que para un nivel muy pequeño de amplitud de deformación aplicado al material, el mismo puede soportar infinitas veces dicha amplitud sin que haya ruptura (concepto de límite de resistencia a la fatiga, [21-22]). Los valores de las variables de estado de la ecuación (2) fueron determinados por regresión: k₁=6,24x10^-6, k₂=0,48 y k₃=15,79. Resultados similares a los encontrados en este estudio fueron reportados por Schmidt y Santucci [15]. A pesar de que el material admite menores deformaciones en tracción a medida que se rigidiza, la vida a fatiga o el número de ciclos para que el mismo falle (N_f) aumenta tal como se describe en la ecuación (3) (ver Figura 3). Estos resultados son acordes con la amplia evidencia experimental reportada en la literatura de referencia (p.e., [17, 23]).

Figura 2. Evolución de e_max con E.

Figura 3. Evolución del número de ciclos de falla con s/E.

	(2)
	(3)

En la Tabla 5 se presenta la evolución de la vida a fatiga de la mezcla analizada con el cambio en la velocidad de circulación vehicular. En la Figura 4 se presentan de manera esquemática los resultados presentados en la Tabla 5. El tiempo de aplicación de carga t_c (en segundos) fue obtenido con base en la ecuación (4) recomendada por Lin [24-25], la cual genera resultados similares a aquellos reportados por Barksdale [26]. La frecuencia de carga fue obtenida de la ecuación (5) recomendada por Shell [11], la cual es la más utilizada en el mundo para su determinación [27]. Los parámetros E, e_max y N_f se calcularon utilizando las ecuaciones (1-3) respectivamente. La temperatura T utilizada para el cálculo de E fue de 14 °C (temperatura media anual promedio reportada para Bogotá D.C.). El esfuerzo utilizado para el cálculo de N_f fue de 662 kPa, el cual corresponde al aplicado por un eje simple de 13 toneladas, compuesto por 4 llantas, las cuales distribuyen la carga en un área circular de diámetro 25 cm (recomendado por [28-29]).

Tabla 5. Evolución de N_f con la velocidad de circulación del vehículo V para o=662 kPa.

Figura 4. Evolución de N_f con V para o=662 kPa.

	(4)
	(5)

L es la longitud de contacto de la llanta con el pavimento (generalmente de 30 cm), V es la velocidad del vehículo en cm/s, h es la profundidad en cm a la cual se estima el t_c. En el presente estudio se supone un espesor de capa asfáltica de 20 cm (centro de la capa asfáltica, h=10 cm).

Con los resultados obtenidos se reporta que la vida a fatiga de la mezcla analizada disminuye en laboratorio entre 39,5 y 77,6% cuando se reduce la velocidad de circulación desde 60 km/h hasta 30 y 0 km/h respectivamente, mientras que el módulo resiliente disminuye entre 15,6% y 39,7% respectivamente. Los valores obtenidos en el laboratorio de vida a fatiga tal como se observa en la Tabla 5 son pequeños. En campo las mezclas asfálticas tienden a experimentar mayor vida a fatiga tal como ha sido reportado ampliamente por diversos investigadores. Las diferencias entre las vidas a fatiga medidas en laboratorio e in situ se correlacionan a través de unos coeficientes denominados en la literatura de referencia como "shift factor". El Instituto del Asfalto [9], por ejemplo, recomienda un factor de 20, Finn, Saraf, Kulkarni, Nair, Smith y Abdullah [30] sugirieron un factor de 13,03, Brunton [31] de 440, Pell [32] entre 5 a 700, el estado de Washington en USA utiliza un rango entre 4 a 10 [33] y Castro y Sánchez [34] entre 10 y 100. Futuras investigaciones se deben ejecutar con el fin de estimar la magnitud del "shift factor" para las mezclas de concreto asfáltico analizadas.

Si la temperatura T simulada fuera de 19 °C (temperatura máxima de Bogotá D.C.), la disminución de la velocidad desde 60 km/h hasta 30 km/h y 0 km/h generaría una disminución en la rigidez de la mezcla asfáltica de 19,4% y 47,4% respectivamente, lo que genera un decrecimiento en la vida a fatiga aproximado entre 47,2% y 85,1%. Para el caso de T=5 °C (temperatura mínima de Bogotá D.C.), los rangos de disminución de la rigidez y la vida a fatiga oscilan entre 12,5%-35,7% y 32,6%-73% respectivamente.

CONCLUSIONES

En este estudio se ejecutó una fase experimental destinada a medir la influencia de la disminución de la velocidad vehicular sobre las propiedades dinámicas de una mezcla de concreto asfáltico tipo MDC-2. El caso de estudio que se reporta es para mezclas MDC-2 que se fabrican y construyen en Bogotá D.C. Con los resultados obtenidos se concluye que la vida a fatiga obtenida en laboratorio, de este tipo de mezcla, disminuye entre 39,5 y 77,6% cuando se reduce la velocidad de circulación vehicular desde 60 km/h hasta 30 y 0 km/h respectivamente. Lo anterior es debido a que la mezcla experimenta un decrecimiento en su rigidez bajo carga cíclica, entre 15,6% y 39,7%, en este rango de disminución de velocidad. Esta conclusión debe ser tenida en cuenta para capas asfálticas gruesas (superiores a 10 cm) en donde el modo de carga representativo en los ensayos de fatiga es el de esfuerzo controlado. Adicionalmente la temperatura ambiente simulada fue la media anual que se reporta en Bogotá D.C. (14 °C).

Futuras investigaciones deben ser realizadas para obtener la correlación entre la vida a fatiga obtenida en laboratorio y aquella que experimentan mezclas asfálticas in situ.

 

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Recibido 2 de marzo de 2011, aceptado 13 de noviembre de 2012