Todavía crees que con la Estabilidad-Flujo Marshall se puede realmentepredecir el desempeño de una Mezcla Asfáltica

Una de las consultas más recurrentes que tenemos en nuestra labor diaria es si hay que moverse de la metodología de diseño de mezcla asfáltica tradicional, Marshall (ASTM D 6927), por la metodología más fundamental que ofrece la tecnología de pavimentos actual, el Superpave o, en español, Pavimentos Asfálticos de Desempeño Superior. El tema, como lo hemos indicado en muchos casos, no es simplemente cambiar por cambiar, por moda o por estar siempre con lo moderno, acá la discusión es técnica, y con argumentos fundamentales de ingeniería de materiales para pavimentos.

Este comentario no pretende dar detalles de cómo se ejecuta el ensayo, o terciar en sus resultados, sino dar un panorama general de sus limitaciones comparado con los fenómenos de daño mecánico en laboratorio a que está sometido un pavimento.

Una breve reseña. El método Marshall, desarrollado en los años 30s y mejorado en los 40´s, se convirtió en una forma muy práctica, sencilla y portable, para diseñar mezclas asfálticas, basado en el mazo Marshall, de fácil uso, fuera manual o de manera automatizada, y su método de falla, que brinda dos parámetros, la Estabilidad y el flujo plástico. En general, el método resulta muy bien para obtener probetas repetibles en cuanto a sus propiedades físicas, y la metodología de falla ha sido probada como repetible y reproducible. El equipo para determinar los valores de Estabilidad y Flujo Marshall se muestra a continuación.

 

Figura 1. Estabilómetro Marshall

Figura 2. Muelas para Falla Marshall.

El ensayo es muy sencillo. Consiste en la aplicación de una carga constante sobre una probeta mediante unas muelas metálicas que le transmiten la carga de forma más o menos diametral. El equipo tiene aditamentos para medir la deformación vertical asociada a la carga, medida sobre la muela superior. La temperatura de ensayo es de  60 C. Precisamente, este modo de falla, no tiene que ver absultamente nada, con los distintos estados de esfuerzo a que se ve sometido un pavimento in situ y no se asemeja a condiciones típicas de fatiga o deformación permanente. Tampoco, se puede usar para determinar la rigidez (módulo elástico) del material, o sea, es un ensayo, básicamente, empírico.

Un resultado de ensayo típico se muestra en la siguiente figura:

Figura 3. Gráfico de Estabilidad-Flujo Marshall

De la figura anterior, se pueden definir los parámetros de Estabilidad-Flujo Marshall:

 

Estabilidad: Punto de máxima carga

Flujo: Deformación del especimen al punto de máxima carga.

Históricamente, se buscaba que las mezclas asfálticas tuvieran un mínimo valor de Estabilidad, y un flujo entre dos valores de modo que la mezcla no fuera muy rígida ni muy flexible. La estabilidad está más asociada con la resistencia al corte del material.

Las deficiencias del método, que se empezaron a cuestionar desde los 70´s, fueron precisamente, esas iniciales ventajes. Primeramente, el método de compactación por impacto, generado por el mazo, empezó a dar problemas para mezclas asfálticas con agregados de mayor tamaño, aún cuando se usaba el molde de mayor tamaño, también se empezó a criticar que el proceso de compactación en campo, realizado por la maquinaria, es totalmente diferente, corresponde más bien a un amasado, y cuando se empezaron a usar asfaltos modificados, el proceso de compactación fallaba por las temperaturas de compactación, que luego debieron ser modificadas. El otro aspecto que empezó a cuestionarse, era la veracidad del parámetro de estabilidad/flujo Marshall, como un verdadero predictor de desempeño.

Así las cosas, tampoco lograr una adecuada volumetría de la mezcla asfáltica puede garantizar un adecuado desempeño de la mezcla. Por esto, el diseño moderno de materiales para pavimentos requiere de otros ensayos ensayos, los ensayos de desempeño!

En Costa Rica, recuerdo varios años en que hubo una gran polémica acerca de, en qué punto de la gráfica de estabilidad flujo, se debían medir dichos parámetros. Esta situación, desde mi óptica, generó la aceptación de mezclas altamemente deformables, a pesar de que los valores de flujo plástico reportados estaban dentro de rangos aceptables, para mezclas estables volumétricamente. Esto, porque algunas veces las curvas presentaban comportamientos extraños. Podría colocar acá alguna de las gráficas que generaban confusión, pero debido a que no creo en la efectividad del método, no me parece conveniente terciar sobre él.

Desde mi óptica, y luego de estudiar por años ensayos fundamentales para medir propiedades de materiales para pavimentos,  un error de concepto grave que se escuchaba en aquella época era decir que la parte lineal de la curva de estabilidad - flujo, correspondía a un comportamiento elástico. De ninguna manera!!!! No puede haber elasticidad en una probeta cuyo mecanismo de falla implica deformación irrecuperable (permanente) que es el caso del método de falla Marshall.

Sin embargo, el tema principal, es la escasa correlación  -no digo nula para no herir susceptibilidades- entre los resultados de los parámetros Marshall, y resultados de ensayos de desempeño a escala de laboratorio, o mejor aún, el desempeño real de mezclas en sitio. Acá, hay que reconocer que mucho del desempeño de una mezcla asfáltica depende del patrón e idoneidad del proceso de compactación en sitio, puesto que se sabe que los valores especificados para mezclas en campo, 4,0% de vacíos en laboratorio y 7,0% de vacíos en sitio, producen mezclas que pueden tener un desempeño aceptable, mayormente por su impermeabilidad. 

Por lo tanto, el principal problema del ensayo Marshall no es que sea un ensayo empírico, sino que no correlaciona bien con propiedades fundamentales de los materiales. Esto es, que un flujo muy alto, fuera de especificación no necesariamente va a verse reflejado en altas deformaciones plásticas en sitio, o en el caso contrario, agrietamientos severos. Una estabilidad alta tampoco garantiza una adecuada resistencia al corte  de la mezcla asfáltica. Por esto, fue que se buscó un método mas competente para preparar los especímenes de ensayo y la volumetría, el Superpave, y se desarrollaron una serie de ensayos de desempeño, para, precisamente, predecir el comportamiento de la mezcla ante estos fenónemos.

Posteriormente, voy a comentar acerca de como el uso de ensayos de desempeño como el módulo dinámico, de fatiga, de  eformación permamente y de baja temperatura, están revolucionando el diseño de mezclas asfálticas y la predicción de su desempeño.

Conceptos de desarrollo de redes viales básicos: Sistémico, integralidad e interconexión.

Al desarrollar una red vial es fundamental que se entienda el concepto de integralidad de la red vial nacional, en particular, la red vial estratégica. Esto quiere decir, que los proyectos deben diseñarse pensando en la interconexión de las vías, su impacto en la mejora de los indicadores de servicio de una región  y no de forma aislada. Precisamente esto es lo que no se ha hecho al planificar los proyectos que constituyen la red vial costarricense. Ejemplo de esto son las autopistas principales como la General Cañas, la Florencio del Castillo, la Braulio Carrillo y la concesión San José-Caldera (R27), que no tienen interconexión entre ellas, y que solo en el caso de la ruta 27 se conectan con el aún inconcluso anillo de circunvalación. Este fenómeno tiene un efecto altamente negativo en la operación del sistema de transporte costarricense que no ofrece alternativas de viaje mas directas que no impliquen que toda la carga y viajes en general, atraviesen la ciudad de San José.

Otro concepto que se debe asentar en la planificación de obra vial es el de proyecto completo. Esto quiere decir que los proyectos no pueden quedar sin conexión entre ciudades, pueblos o con la red vial estratégica. Es el concepto de no “ir a poquitos”, repartiendo fondos de forma inconsistente solo por cumplir con compromisos de corto plazo. Por ejemplo, proyectos tan loables como Rincón-Puerto Jiménez, Sabalito-Las Mellizas o Sifón-La abundancia no tienen una conectividad clara con ciudades o la red vial nacional estratégica, quedando básicamente aislados y generando poco impacto en la operación de redes regionales y la nacional. Por lo tanto, los efectos de proyectos como los citados se circunscriben al ámbito meramente local,  y aportan poco  valor estratégico a nivel nacional. Esto no quiere decir, que dichos proyectos no fueran importantes, sino que debieron ser planificados con una visión de mayor integralidad vial. Así las cosas, en caso de que no existiera recurso financiero para conectar dichos proyectos con la red vial estratégica, sí se debieron planificar y diseñar dichos corredores de interconexión, asignarles fondos y construirlos en un tiempo razonable.

Además, el proyecto vial debe contar con todos los elementos para que la obra tenga una adecuada funcionalidad: Espaldones, pintura, drenajkes, sub-drenajes, cunetas, alcantarillas, contracunetas, barreras de contención lateriales y central, entre otros elementos. Aquella idea de que solo hay que tapar los baches o dejar de lado obras tan importantes como la demarcación, no se puede seguir permitiendo.

También, la red vial se debe entender como un sistema. De nuevo, y sin caer en redundancias, los proyectos carreteros deben contribuir integralmente a mejorar la competitividad y calidad de vida de los ciudadanos. Esto implica que de acuerdo con una planificación sistémica, se elevaría el nivel de servicio de nuestra red estratégica para cumplir con algunos estándares que el país debe asumir si se quiere salir del tan deshonroso lugar que se ocupa actualmente a nivel mundial en el área de infraestructura. Ejemplos de estos estándares podrían ser alcanzar velocidades promedio de 110 km/hr en la red vial estratégica, eliminación de intersecciones y semáforos en las ciudades y pueblos que atraviese, de modo que se pueda transitar por toda la red estratégica sin interrupciones, diseño adecuado de puentes, seguridad vial, obras de drenaje, de estabilidad de taludes, etc que garanticen el servicio de dicha red de forma ininterrumpida. Esto implicaría una planificación presupuestaria basada mayormente en criterios técnicos y no de corto plazo. Una vez más se debe mencionar que la priorización no consistiría simplemente en repartir recursos por todo el país, sino en invertir en una red vial estratégica definida técnicamente y con base en un consenso nacional, y de ahí proveer para el desarrollo de las diversas regiones. Un ejemplo de esto es la planificación, desarrollo y construcción de proyectos hidroeléctricos. En este caso, el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) no asigna fondos irracionalmente a los diversos proyectos que tiene en ejecución. Las hidroeléctricas no se desarrollarían por completo si se le diera la casa de máquinas a un proyecto en el norte del país, y la tubería de alta presión a los proyectos del sur. Un desarrollo de este tipo sería inconcebible ya que los proyectos nunca estarían completos para el suministro eléctrico. Haciendo historia, se puede recordar una anécdota, que después de la inauguración  de un proyecto vial en el norte de Costa Rica que había quedado sin conexión con el resto de la región, se le consultó a un funcionario del MOPT ¿cuándo se iba a conectar la carretera con la ciudad mas cercana,  y su respuesta fue que ya se le habían girado muchos recursos al norte, y que el dinero restante se iba a repartir en la región sur. A la fecha, dicho proyecto no se ha terminado. Este tipo de asignación de recursos, basada en criterios de corto plazo, ha provocado el rezago en el desarrollo de la red vial costarricense.  

De acuerdo con la explicación anterior, es necesario que los nuevos proyectos viales por desarrollar giren o “pivotéen” alrededor de las obras más importantes que se están desarrollando actualmente, a saber: Sifón-La Abundancia, Chilamate-Vuelta de Kopper y Cañas-Liberia. De esta manera la Administración activa sería consistente con sus proyectos más ambiciosos y  se le daría el concepto de sistema a los trabajos viales por venir.

La tozudez del empleo de la guía de diseño de pavimentos AASHTO 93

Uno de los temas en que más resistencia al cambio he encontrado por parte de muchos ingenieros viales, es el uso de la guía de diseño de pavimentos AASHTO 93. Personalmente, encuentro una gran contradicción entre la formación fundamental de un ingeniero, basada de los principios de la mecánica con gran fundamento en la matemática y en la física, para que al llegar al ejercicio profesional, se prefieran seguir métodos empíricos, basados en nomogramas que resultan poco (o nada!) precisos para realizar el diseño de un pavimento.

Tanto los famosos nomogramas como la ecuación que les da origen corresponden básicamente a una regresión lineal múltiple, calibrada con base en los resultados de la pista a escala real acelerada de las AASHO de 1958. Es por esto, que la guía es empírica, puesto que el diseñador no realiza en su análisis ninguna consideración fundamental que determine las respuestas del pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones), simplemente se introducen algunas características y por el otro lado, sale el número estructural - que no indica nada tampoco!- y luego, se despejan los espesores de una ecuación que incluye los coeficientes estructurales y drenaje. Así las cosas, el diseñador no empleó ningún conocimiento de la mecánica y probablemente, usó valores de propiedades de capas tomados de bibliografía y no medidos en laboratorio o en campo. Esto, se contrapone a la idea actual de diseño de pavimentos que consiste en predecir el desempeño del pavimento y no simplemente a determinar los espesores de sus capas componentes. Este es el principal cambio de paradigma del diseño moderno de pavimentos respecto de la guía AASHTO 93, que busca, predecir la vida útil del pavimento respecto de parámetros como fatiga, deformación permanente de cada capa, regularidad superficial, descalce de losas, eficiencia de transferencia de carga, entre otros.

Aquí también, como hemos mencionado en decenas de conferencias, estriba la principal limitación de la guía, cuya calibración corresponde a las propiedades de los materiales de los pavimentos de la pista, al tránsito usado en ese experimento, al clima de Ottawa en Illinois y a las condiciones de dos tipos de sub-rasante. El diseñador de pavimentos debe tener información clara de su proyecto, en cuanto al tipo de carga, suelo de subrasante, propiedades de los materiales medidas por equipos de carga dinámica y con clara estimación de sus propiedades resilientes,  visco-elástica o no lineales. Igualmente, hay que hacer un análisis detallado del clima de la zona del proyecto y dejar de lado aquella gruesa aproximación, de diseñar asumiendo una temperatura de 21 C y no las temperaturas típicas, analizadas de una manera estadísticamente representativa. Pareciera que la guía se quiso hacer tan práctica, que impidió que generaciones de ingenieros viales valoraran la importancia de la mecánica fundamental, la evaluación de materiales mediante ensayos dinámicos, y la calbración del método de diseño a las condiciones locales.

El tipo de análisis que se propone hoy día, es el mecanístico- empírico (ME), que incluye un serio análsis desde el punto de vista de la mecánica de ingeniería, y una calibración de los modelos de deterioro (fatiga, deformación permanente, IRI, etc) mediante funciones de transferencia. Una función de transferencia es una ecuación que convierte las respuestas del pavimento en un deterioro. Ejemplos de guías de este tipo hay muchos, y con gran éxito, tales como la guía sudraficana, el AASHTO-MEPDG o AASHTO WARE,  o la de California, el CAL-ME. En Costa Rica, ya existe una guía de diseño empírico-mecanicista, con software, y calibrada incialmente a través de las pistas de ensayo a escala natural del LanammeUCR.

El diseño ME, insito, busca predecir el desempeño del pavimento de la forma mas precisa, con una baja incertidumbre y alta confiabilidad estadística.

La guía de AASHTO 93, al no incluir ningún criterio de verificación por desempeño, deja a la libre la estimación de la vida útil del pavimento, y no afina el cálculo de la estructura. Muchas veces he estado en reuniones en donde un diseñador repite de memoria los módulos de rigidez, por ejemplo, de una mezcla asfáltica, sin haber hecho nunca un ensayo de módulo dinámico, para saber con exactitud con qué propiedad diseñar. Esto eso, que no puede hacer una diferenciación efectiva entre distintos tipos de mezcla asfáltica, sean mas finas o gruesas o incluyan algún agente modificador como un polímero, cal y otros.

Igualmente, a la guía AASHTO 93 se le dificulta, sino es que es imposible, la inclusión de efectos climáticos sobre las propiedades de la sub-rasante y los materiales granulares. Tampoco incluye ningún concepto de daño incremental ni de daño incremental-recursivo, necesarios para entender como el pavimento va perdiendo sus propiedades con el tiempo. La siguiente figura ilustra el algoritmo inicial de la guía ME de Costa Rica.

Finalmente, como ingeniero vial, estimo que no hay motivo por el cual seguirse aferrando a una tecnología anticuada, que no dice nada del desempeño futuro de un pavimento y en donde no están claros los principios de la mecánica de materiales.

Colocación de mezcla asfáltica debajo de lluvia: Una práctica constructiva inaceptable.

MALAS PRACTICAS CONSTRUCTIVAS A LA VISTA. ESTARAN RETORNANDO LAS EPOCAS PREVIAS A CERO HUECOS -1997-?
http://www.teletica.com/Noticias/148754-.note.aspx

Hace unos días me etiquetaron en twitter en unas fotografías de un recarpeteo con mezcla asfáltica en caliente, en la zona de Santa Clara de San Carlos. Voy a comentar un poquito y en lenguaje más sencillo posible.
A la mezcla asfáltica en caliente le voy a seguir llamando "MAC" de aquí en lo sucesivo. La mezcla asfáltica se compone de agregados pétreos (piedra quebrada de tajos o ríos), asfalto o ligante asfáltico (líquido negro de consistencia variable con la temperatura) y vacíos (espacios vacíos que generalmente constituyen el 4.0% del volumen de la mezcla.
El amigo que me etiquetó sospechó que algo del proceso constructivo de la foto estaba incorrecto, y tenía razón: la colocación del material estaba siendo realizado debajo de una lluvia, en apariencia tenue. El twit denotaba cierta alegría -esperable- por la realización del ansiado recarpeteo. Veamos algunas cosas, y empiezo por una máxima de la colocación de la MAC: Nunca se coloca MAC debajo de un aguacero, ni siquiera, debajo de una llovizna. Así de simple!!!
La MAC que conocemos, y que usa mayormente en el mundo, sale de la planta asfáltica entre 150 y 160 grados Celsius. En general, la temperatura mínima de compactación aceptaba ronda los 90 grados. Como su nombre lo indica, al ser un producto en caliente, hay una reacción termo-dinámica muy noociva, que le provoca un tremendo daño a las propiedades físico-mecánicas del material, al ser expuesto a la lluvia durante su proceso constructivo. Por lo tanto, las propiedades de adherencia entre el asfalto con el agregado pétreo se reducen drásticamente, solo por el contacto con el agua de lluvia. Esto, vuelve el material más propenso a los baches y a que se desprenda la capa de asfalto que recubre el agregado pétreo (en ingeniería de pavimentos a eso le llamamos, desnudamiento). Además, la rigidez de la MAC se reduce tremendamente, esto, ya lo medimos en una tesis con mezcla de campo, en donde determinamos pérdidas catastróficas de las propiedades por el contacto con el agua.
Esta mala práctica constructiva es rechazada por todos los expertos que conozco, y aporto algunos mensajes que recibí de amigos de Mexico y Chile., en el mismo sentido. Acá en Costa Rica he visto a algunos alegando, a contrapelo de la experiencia de muchos expertos, de la bibliografía internacional y múltiples publicaciones científicas, que no le pasa nada a la MAC por un poquito de agua. Esto no es cierto. Lo que pasa, es que se acepta o recibe un material, pero no se le miden las propiedades correctas, y su deterioro es acelerado. Esto se ha visto muchas veces, en que mezclas deben ser retiradas de campo por baches o aunque luzcan bien, porque sus propiedades ya están muy deterioradas. Lo más común es ver el desnudamiento del agregado pétreo en niveles que no son aceptables.
Ahora, la gran mayoría de la mezclas asfálticas que se colocan en la red vial nacional (que administra el CONAVI), en general, tienen procesos de construcción adecuados., aunque hay sus excepciones. Donde hay severos problemas en los procesos constructivos es en los trabajos municipales, en donde muchas veces los propios inspectores ven este tipo de prácticas y no hacen nada. Esto, a pesar de los esfuerzos del LanammeUCR y también del BID y GIZ, por capacitar a cententas de inspectores de obra vial. Tenemos que ser estrictos y no permitir que los limitados recursos que tenemos para invertir en obra vial, se mal gasten, con prácticas constructivas inapropiadas. Sabemos que en un país lluvioso es más complicado programar la construcción de sobrecapas asfálticas, más en la zona de San Carlos o el Atlántico, así como en general, en la época lluviosa, pero, debemos aplicar soluciones para nuestros problemas particulares, como lo es la lluvia en momentos de colocación.
Acá la pregunta podría ser, qué se puede hacer? Programar adecuadamente los trabajos para no desperdiciar la mezcla por una posible lluvia, y eventualmente, se pueden usar aditivos que conviertan la mezcla en una mezcla tibia, que requieren de menores temperaturas para producción y colocación-compactación, pero que además, permiten ventanas de operación mayores -la mezcla puede cubrirse con un manteado- y esperar más tiempo a que acabe la lluvia. Entre los comentarios que adjunto, se encuentran el del Ing. Raymundo Benítez, de QuimiKao y presidente de las Asociación Mexicana de la Mezcla Asfáltica y el Asfalto (AMAAC), de gran experiencia, y del Ing. Claudio Fonseca, de Chile, que es el gerente de calidad de una concesionara chilena.
Adjunto fotografías del trabajo que menciono, y los comentarios de Raymundo y de Claudio. Además, incluyo el link a una entrevista que me hicieron en Telenoticias al respecto.
http://www.teletica.com/Noticias/148754-.note.aspx