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)

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

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

Study of a hot asphalt mixture response based on energy concepts

The main objective of the research reported in this paper is to determine the response of a hot mix asphalt (HMA) in terms of both the tensile strength and energy parameters (based on the assessment of the force-displacement curve) as potential tools for improving the HMA mixture design. The HMAs analyzed were fabricated using a 60-70 penetration asphalt binder, dense-graded aggregate, mineral filler, and different types and contents of mineral filler replacements (i.e., lime, cement, and fly ash). The indirect tensile test was conducted to determine both the HMA tensile strength and force-displacement curve, which allowed for the computation of the HMA toughness as well as the energies involved in the process before and after reaching the tensile strength. Corresponding results suggest that the replacement of mineral filler by cement, lime, and fly ash modified the HMA response in terms of both the tensile strength and energy parameters. In addition, analysis of the energy parameters discussed proved to be useful for determining the optimum mineral filler content of HMA. Consequently, analysis of these energy parameters can benefit the HMA mixture design process