Análisis de sistemas asfalto-agregado a partir de mediciones de energía superficial libre

La energía superficial libre (ESL) es una propiedad termodinámica fundamental de los materiales que puede ser empleada para cuantificar la calidad de la adhesión entre diversos materiales, la susceptibilidad de éstos a perder su adhesión por la presencia de agua en el sistema y la capacidad del recubrimiento de un material sobre otro con diferentes valores de ESL (i.e., humectabilidad). Estos principios son aplicables a diferentes materiales, incluidos los sistemas asfalto-agregado (i.e., mezclas asfálticas). El presente trabajo tiene como objetivo principal presentar un análisis, basado en mediciones de ESL de los materiales constitutivos de las mezclas asfálticas, mediante el cual se puede cuantificar la calidad de la adhesión, la susceptibilidad al daño por humedad y la calidad del recubrimiento del asfalto sobre el agregado en diversos sistemas asfalto-agregado. Las mediciones de ESL de asfaltos y agregados fueron realizadas en laboratorio a través del método de la Placa Wilhelmy y de la Máquina de Adsorción Universal (USD), respectivamente. Los materiales evaluados incluyeron asfaltos colombianos y agregados de origen colombiano y norteamericano. El análisis específico consistió en evaluar el efecto de procesos industriales de modificación y la adición de llenante mineral sobre la calidad de la adhesión, la susceptibilidad al daño por humedad y la humectabilidad de diversos sistemas asfalto-agregado. Los resultados sugieren que la medición de la ESL de asfaltos y agregados es una herramienta eficiente para evaluar la compatibilidad y el desempeño esperado de diversos sistemas asfalto-agregado, así como los cambios inducidos a nivel fundamental por diferentes procesos propios de la fabricación de mezclas asfálticas (e.g., adición de llenante mineral)

Effect of filler nature and content on the bituminous mastic behaviour under cyclic loads

The role of the filler in asphalt mixtures is particularly important because of its influence on mastic behaviour. The filler improves the resistance properties of bitumen against the action of traffic loads and temperature. However, the filler can also adversely affect bitumen in mastics excessively brittle and stiff due to inappropriate design. For these reasons, it is interesting to investigate the effect of filler type and content on mastic composition. This paper presents results from a strain sweep test applied to bituminous mastics prepared with different filler types and contents at several temperatures. The obtained stiffness modulus and failure strain results provide information to assess the fatigue behaviour of the analysed mastics.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Tomografía computarizada con rayos-x y sistema de imágenes de agregados (aims) para el estudio de mezclas asfálticas y agregados

La caracterización de las propiedades de los materiales empleados en ingeniería de pavimentos es fundamental pa-ra garantizar diseños confiables, estructuras durables y planes de mantenimiento y rehabilitación efectivos. Este artí-culo describe dos técnicas no destructivas basadas en la toma y procesamiento de imágenes que han sido exitosa-mente empleadas para caracterizar materiales de pavimentos: 1) tomografía computarizada con rayos-X, y 2) Siste-ma de Imágenes de Agregados. La primera técnica permite caracterizar la estructura interna de mezclas asfálticas con el fin de analizar y modelar su desempeño. En particular, esta técnica ha permitido estudiar el contenido, tama-ño, distribución y conectividad de los vacíos y la relación de estas variables con la susceptibilidad al deterioro por la presencia de humedad, la capilaridad y la permeabilidad de las mezclas. El Sistema de Imágenes de Agregados fue desarrollado para caracterizar las propiedades morfológicas de los agregados (i.e., forma, angularidad y textura), técnica que proporciona importantes ventajas con respecto a los ensayos estándar ya que las mediciones son obje-tivas, de rápida ejecución, repetibles y reproducibles. El objetivo de este documento es describir los aspectos teóri-cos básicos y algunas aplicaciones recientes de estas técnicas que representan nuevas herramientas para mejorar los procesos de caracterización de los materiales empleados en ingeniería de pavimentos.Achieving reliable pavement design, durable roadway structures and effective maintenance and rehabilitation plans requires the suitable characterisation of the materials used in pavement construction. This paper describes two non-destructive techniques based on image acquisition and analysis and their successful application in pavement engi-neering: X-ray computed tomography (X-ray CT) and aggregate imaging system (AIMS). The former has been used for characterising the internal structure of asphalt mixes to analyse and model their performance; it has been particu-larly used for studying the content, size, distribution and connectivity of air-voids and these variables’ relationship with moisture damage susceptibility, capillarity and permeability within the mixes. AIMS was intended for characterri-sing aggregates’ morphological properties (i.e., form, angularity and texture). This technique provides important ad-vantages regarding the standard methods used for obtaining the same aggregate properties: it is objective, reliable, reproducible and can be carried out quickly. This paper was aimed at describing these two techniques’ theoretical backgrounds, mention some recent applications and provide insight into how existing characterisation of materials used in pavement construction can be improved

Evaluación de la calidad de la adhesión generada por el crudo pesado de pavimentación de castilla con contenido parcial de solventes

El impacto negativo en el crecimiento social y los altos sobrecostos en la producción agrícola son en buena parte generados por la ausencia de infraestructura vial terciaria y secundaria en el país. Sumado a esto, los materiales convencionales empleados en la conformación de pavimentos asfálticos son cada vez menos accesibles y asequibles. Por lo que optar por nuevas fuentes (e.g., materiales alternativos; que sean económica, social y ambientalmente viables) con propiedades físicas, químicas, mecánicas, y reológicas adecuadas, y que suplan los requerimientos técnicos para su implementación en estructuras viales es una necesidad imperante en el país y en la mayor parte del planeta. El Crudo Pesado de Pavimentación de Castilla (CA) ha sido empleado como material no convencional desde hace tres décadas aproximadamente en vías de bajo volumen de tránsito (BVT) (o vías terciarias); sin embargo, no se cuenta aún con especificaciones técnicas que se ajusten a su naturaleza particular y promuevan su empleo. Un Crudo Pesado de Pavimentación (CPP) está constituido básicamente por cemento asfáltico y solventes. En este proyecto de investigación se evaluó el efecto de la pérdida de solventes del CA (i.e., 25%, 50%, y 100% de solventes perdidos) a través de caracterización convencional básica de ligantes asfálticos y evaluación de parámetros de energía obtenidos a partir de la Energía Superficial Libre (ESL) de los ligantes y el agregado. Asimismo, se analizó la influencia de esta pérdida de solventes sobre el diseño de mezcla asfáltica, la respuesta mecánica de la mezcla, y su índice de compactibilidad. Los resultados fueron comparados con los obtenidos para un asfalto de Control (CR)— cemento asfáltico convencional de Barrancabermeja—. Las respuestas obtenidas a partir de los ensayos ejecutados evidencian diferencias en el ligante asfáltico y en la mezcla asfáltica en función de la pérdida de solventes del CA. Así mismo, se observó, la necesidad de normatizar la utilización de CPP en estructuras viales con especificaciones que consideren su implementación teniendo en cuenta el contenido de solvente

Determinación de la energía superficial libre de cementos asfálticos colombianos

La energía superficial libre (ESL) de un material se define como la energía necesaria para crear una nueva unidad de superficie en condiciones de vacío. Dicha propiedad está directamente relacionada con la resistencia a la fractura y recuperación (i.e., healing) de un material y con la capacidad de crear fuertes adhesiones con otros materiales. Adicionalmente, la calidad de la adhesión entre un cemento asfáltico y un agregado se puede evaluar mediante la cuantificación del trabajo de adhesión entre estos materiales. Este valor se puede emplear como un parámetro complementario para la selección y combinación óptima de materiales para mezclas asfálticas, así como en la modelación micromecánica de procesos de fractura y recuperación de dichas mezclas. Este documento describe una técnica de medición de la ESL de cementos asfálticos basada en el uso de la placa de Wilhelmy y reporta las primeras mediciones de ESL disponibles para los cementos asfálticos producidos en las refinerías colom- bianas de Barrancabermeja y Apiay. Los resultados correspondientes y la ESL de diversos agregados fueron usados para analizar las diferencias en el trabajo de adhesión de varias combinaciones de cemento asfáltico y agregado en condición seca. Dentro de los materiales analizados, el mayor trabajo de adhesión fue el producido por el cemento asfáltico de Barrancabermeja. Los resultados sugieren además que el efecto de un llenante mineral específico sobre la ESL del cemento asfáltico es particular para cada ligante asfáltico. Dicho efecto no necesariamente conlleva al incremento de la ESL del sistema cemento asfáltico-llenante mineral

EVALUATION OF HMA CRACKING RESISTANCE AS A FUNCTION OF LABORATORY AGING BASED ON THE DIRECT-TENSION TEST EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL AGRIETAMIENTO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE EN FUNCIÓN DE SU ENVEJECIMIENTO A PARTIR DEL ENSAYO DE TENSIÓN DIRECTA AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AS RACHADURAS DE MISTURAS ASFÁLTICAS EM QUENTE EM FUNÇÃO DE SEU ENVELHECIMENTO A PARTIR DO ENSAIO DE TENSÃO DIRETA

Hot mix asphalt (HMA) is a heterogeneous composite material of asphalt-binder, aggregates, air voids, and other additives including lime, fibers, etc., predominantly used for pavement construction. With time, the HMA mix ages, which leads to changes in the material properties and response behavior. This paper documents a laboratory study that was conducted to evaluate the suitability of the direct-tension (DT) test to assess the effects of asphalt-binder aging on the HMA mix fracture properties and cracking-resistance potential. Two dense-graded HMA mixes were subjected to different laboratory aging exposure conditions and then tested with the DT test. From this test, the HMA mix fracture response was characterized in terms of the tensile strength, tensile strain at peak failure load, stiffness, and fracture energy. Overall, the results indicated that asphalt-binder aging has a detrimental effect on the fracture response and cracking-resistance of HMA mixes, which can be captured based on the DT test. Therefore, the asphalt-binder aging needs to be considered and properly accounted for during the material design and analysis stages of HMA mixes. However, research with more HMA mixes and correlation with field data is strongly recommended to validate the laboratory findings reported in this paper.La mezcla asfáltica en caliente (MAC) es un material compuesto, heterogéneo, integrado por cemento asfáltico (o asfalto), agregados, vacíos y otros aditivos incluyendo cal, fibras, etc., usado predominantemente para la construcción de pavimentos. A lo largo del tiempo, la MAC sufre envejecimiento, lo cual conlleva cambios en las propiedades del material y en su respuesta. Este artículo documenta un estudio de laboratorio llevado a cabo para evaluar la posibilidad de emplear el ensayo de tensión directa (TD) para determinar los efectos del envejecimiento del asfalto sobre las propiedades de fractura y resistencia al agrietamiento de MAC. Dos MAC de gradación densa fueron sometidas a diferentes condiciones de envejecimiento en laboratorio y luego sometidas al ensayo de TD. A partir de este ensayo, el comportamiento ante fractura se caracterizó en términos de la resistencia a tensión, deformación unitaria de tensión a la carga de falla, rigidez y energía de fractura. En general, los resultados indicaron que el envejecimiento por oxidación del asfalto tiene un efecto negativo sobre la respuesta ante fractura y la resistencia al agrietamiento de la MAC, el cual puede ser captado por medio del ensayo de TD. Por lo tanto, el envejecimiento del asfalto debe ser considerado y cuantificado en forma adecuada durante el diseño y análisis de la MAC. Sin embargo, se recomienda adelantar investigación adicional con otras mezclas y correlacionar resultados con datos de campo para validar la información de laboratorio reportada en este artículo.A mistura asfáltica em quente (MAQ) é um material composto, heterogéneo, integrado por cimento asfáltico (ou asfalto), agregados, vazios e outros aditivos incluindo cal, fibras, etc., usado predominantemente para a construção de pavimentos. Ao longo do tempo, a MAC sofre envelhecimento, o qual implica mudanças nas propriedades do material e em sua resposta. Este artigo documenta um estudo de laboratório levado a cabo para avaliar a possibilidade de empregar o ensaio de tensão direta (TD) para determinar os efeitos do envelhecimento do asfalto sobre as propriedades de fratura e resistência à rachadura de MAC. Dois MAC de gradação densa foram submetidas a diferentes condições de envelhecimento em laboratório e depois submetidas ao ensaio de TD. A partir deste ensaio, o comportamento à fratura caracterizou-se em termos da resistência a tensão, deformação unitária de tensão à carga de falha, rigidez e energia de fratura. Em geral, os resultados indicaram que o envelhecimento por oxidação do asfalto tem um efeito negativo sobre a resposta à fratura e a resistência à rachadura da MAC, o qual pode ser captado através do ensaio de TD. Portanto, o envelhecimento do asfalto deve ser considerado e quantificado em forma adequada durante o desenho e análise da MAC. No entanto, recomenda-se fazer pesquisa adicional com outras misturas e correlacionar resultados com dados de campo para validar a informação de laboratório reportada em este artigo

EVALUATION OF HMA CRACKING RESISTANCE AS A FUNCTION OF LABORATORY AGING BASED ON THE DIRECT-TENSION TEST (EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL AGRIETAMIENTO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE EN FUNCIÓN DE SU ENVEJECIMIENTO A PARTIR DEL ENSAYO DE TENSIÓN DIREC

Hot mix asphalt (HMA) is a heterogeneous composite material of asphalt-binder, aggregates, air voids, and other additives including lime, fibers, etc., predominantly used for pavement construction. With time, the HMA mix ages, which leads to changes in the material properties and response behavior. This paper documents a laboratory study that was conducted to evaluate the suitability of the direct-tension (DT) test to assess the effects of asphalt-binder aging on the HMA mix fracture properties and cracking-resistance potential. Two dense-graded HMA mixes were subjected to different laboratory aging exposure conditions and then tested with the DT test. From this test, the HMA mix fracture response was characterized in terms of the tensile strength, tensile strain at peak failure load, stiffness, and fracture energy. Overall, the results indicated that asphalt-binder aging has a detrimental effect on the fracture response and cracking-resistance of HMA mixes, which can be captured based on the DT test. Therefore, the asphalt-binder aging needs to be considered and properly accounted for during the material design and analysis stages of HMA mixes. However, research with more HMA mixes and correlation with field data is strongly recommended to validate the laboratory findings reported in this paper.Resumen: La mezcla asfáltica en caliente (MAC) es un material compuesto, heterogéneo, integrado por cemento asfáltico (o asfalto), agregados, vacíos y otros aditivos incluyendo cal, fibras, etc., usado predominantemente para la construcción de pavimentos. A lo largo del tiempo, la MAC sufre envejecimiento, lo cual conlleva cambios en las propiedades del material y en su respuesta. Este artículo documenta un estudio de laboratorio llevado a cabo para evaluar la posibilidad de emplear el ensayo de tensión directa (TD) para determinar los efectos del envejecimiento del asfalto sobre las propiedades de fractura y resistencia al agrietamiento de MAC. Dos MAC de gradación densa fueron sometidas a diferentes condiciones de envejecimiento en laboratorio y luego sometidas al ensayo de TD. A partir de este ensayo, el comportamiento ante fractura se caracterizó en términos de la resistencia a tensión, deformación unitaria de tensión a la carga de falla, rigidez y energía de fractura. En general, los resultados indicaron que el envejecimiento por oxidación del asfalto tiene un efecto negativo sobre la respuesta ante fractura y la resistencia al agrietamiento de la MAC, el cual puede ser captado por medio del ensayo de TD. Por lo tanto, el envejecimiento del asfalto debe ser considerado y cuantificado en forma adecuada durante el diseño y análisis de la MAC. Sin embargo, se recomienda adelantar investigación adicional con otras mezclas y correlacionar resultados con datos de campo para validar la información de laboratorio reportada en este artículo.Hot mix asphalt (HMA) is a heterogeneous composite material of asphalt-binder, aggregates, air voids, and other additives including lime, fibers, etc., predominantly used for pavement construction. With time, the HMA mix ages, which leads to changes in the material properties and response behavior. This paper documents a laboratory study that was conducted to evaluate the suitability of the direct-tension (DT) test to assess the effects of asphalt-binder aging on the HMA mix fracture properties and cracking-resistance potential. Two dense-graded HMA mixes were subjected to different laboratory aging exposure conditions and then tested with the DT test. From this test, the HMA mix fracture response was characterized in terms of the tensile strength, tensile strain at peak failure load, stiffness, and fracture energy. Overall, the results indicated that asphalt-binder aging has a detrimental effect on the fracture response and cracking-resistance of HMA mixes, which can be captured based on the DT test. Therefore, the asphalt-binder aging needs to be considered and properly accounted for during the material design and analysis stages of HMA mixes. However, research with more HMA mixes and correlation with field data is strongly recommended to validate the laboratory findings reported in this paper.Resumen: La mezcla asfáltica en caliente (MAC) es un material compuesto, heterogéneo, integrado por cemento asfáltico (o asfalto), agregados, vacíos y otros aditivos incluyendo cal, fibras, etc., usado predominantemente para la construcción de pavimentos. A lo largo del tiempo, la MAC sufre envejecimiento, lo cual conlleva cambios en las propiedades del material y en su respuesta. Este artículo documenta un estudio de laboratorio llevado a cabo para evaluar la posibilidad de emplear el ensayo de tensión directa (TD) para determinar los efectos del envejecimiento del asfalto sobre las propiedades de fractura y resistencia al agrietamiento de MAC. Dos MAC de gradación densa fueron sometidas a diferentes condiciones de envejecimiento en laboratorio y luego sometidas al ensayo de TD. A partir de este ensayo, el comportamiento ante fractura se caracterizó en términos de la resistencia a tensión, deformación unitaria de tensión a la carga de falla, rigidez y energía de fractura. En general, los resultados indicaron que el envejecimiento por oxidación del asfalto tiene un efecto negativo sobre la respuesta ante fractura y la resistencia al agrietamiento de la MAC, el cual puede ser captado por medio del ensayo de TD. Por lo tanto, el envejecimiento del asfalto debe ser considerado y cuantificado en forma adecuada durante el diseño y análisis de la MAC. Sin embargo, se recomienda adelantar investigación adicional con otras mezclas y correlacionar resultados con datos de campo para validar la información de laboratorio reportada en este artículo

Evaluación de la resistencia al agrietamiento de mezclas asfálticas en caliente en función de su envejecimiento a partir del ensayo de tensión directa

Hot mix asphalt (HMA) is a heterogeneous composite material of asphalt-binder, aggregates, air voids, and other additives including lime, fibers, etc., predominantly used for pavement construction. With time, the HMA mix ages, which leads to changes in the material properties and response behavior. This paper documents a laboratory study that was conducted to evaluate the suitability of the direct-tension (DT) test to assess the effects of asphalt-binder aging on the HMA mix fracture properties and cracking-resistance potential. Two dense-graded HMA mixes were subjected to different laboratory aging exposure conditions and then tested with the DT test. From this test, the HMA mix fracture response was characterized in terms of the tensile strength, tensile strain at peak failure load, stiffness, and fracture energy. Overall, the results indicated that asphalt-binder aging has a detrimental effect on the fracture response and cracking-resistance of HMA mixes, which can be captured based on the DT test. Therefore, the asphalt-binder aging needs to be considered and properly accounted for during the material design and analysis stages of HMA mixes. However, research with more HMA mixes and correlation with field data is strongly recommended to validate the laboratory findings reported in this paper.La mezcla asfáltica en caliente (MAC) es un material compuesto, heterogéneo, integrado por cemento asfáltico (o asfalto), agregados, vacíos y otros aditivos incluyendo cal, fibras, etc., usado predominantemente para la construcción de pavimentos. A lo largo del tiempo, la MAC sufre envejecimiento, lo cual conlleva cambios en las propiedades del material y en su respuesta. Este artículo documenta un estudio de laboratorio llevado a cabo para evaluar la posibilidad de emplear el ensayo de tensión directa (TD) para determinar los efectos del envejecimiento del asfalto sobre las propiedades de fractura y resistencia al agrietamiento de MAC. Dos MAC de gradación densa fueron sometidas a diferentes condiciones de envejecimiento en laboratorio y luego sometidas al ensayo de TD. A partir de este ensayo, el comportamiento ante fractura se caracterizó en términos de la resistencia a tensión, deformación unitaria de tensión a la carga de falla, rigidez y energía de fractura. En general, los resultados indicaron que el envejecimiento por oxidación del asfalto tiene un efecto negativo sobre la respuesta ante fractura y la resistencia al agrietamiento de la MAC, el cual puede ser captado por medio del ensayo de TD. Por lo tanto, el envejecimiento del asfalto debe ser considerado y cuantificado en forma adecuada durante el diseño y análisis de la MAC. Sin embargo, se recomienda adelantar investigación adicional con otras mezclas y correlacionar resultados con datos de campo para validar la información de laboratorio reportada en este artículo

X-ray computed tomography and aggregate image system (AIMS) for studying hot mix asphalt and aggregates

Achieving reliable pavement design, durable roadway structures and effective maintenance and rehabilitation plans requires the suitable characterisation of the materials used in pavement construction. This paper describes two non-destructive techniques based on image acquisition and analysis and their successful application in pavement engi-neering: X-ray computed tomography (X-ray CT) and aggregate imaging system (AIMS). The former has been used for characterising the internal structure of asphalt mixes to analyse and model their performance; it has been particu-larly used for studying the content, size, distribution and connectivity of air-voids and these variables’ relationship with moisture damage susceptibility, capillarity and permeability within the mixes. AIMS was intended for characterri-sing aggregates’ morphological properties (i.e., form, angularity and texture). This technique provides important ad-vantages regarding the standard methods used for obtaining the same aggregate properties: it is objective, reliable, reproducible and can be carried out quickly. This paper was aimed at describing these two techniques’ theoretical backgrounds, mention some recent applications and provide insight into how existing characterisation of materials used in pavement construction can be improved