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“INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL DETERIORO DE LA CARPETA

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mercedes sg

on 13 December 2013

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“INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL DETERIORO DE LA CARPETA ASFÁLTICA EN LA CARRETERA NACIONAL TRAMO: HUANCAVELICA – IZCUCHACA (PE-26)”

ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACION
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

El problema de durabilidad de asfaltos y mezclas asfálticas, dado a las distintas condiciones de servicio; sin embargo después de algunas experiencias e investigaciones en zonas de altura en nuestro país, se ha identificado a la temperatura como la variable más influyente en el deterioro de los pavimentos asfálticos.

Para el conocimiento térmico del ámbito de estudio, es necesario la ayuda de estaciones climatológicas que nos permitan registros históricos, los cuales sean capaces de representar mediante análisis estadísticos valores próximos al clima en la zona. El Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología SENAMHI, cuenta con una red de estaciones a nivel nacional.

1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA:

PROBLEMA GENERAL
¿De qué manera influye la temperatura en el deterioro de la carpeta asfáltica en la Carretera Nacional Tramo: Huancavelica –Izcuchaca (PE-26)?

PROBLEMAS ESPECIFIICOS
¿Cuánto influye la temperatura a las propiedades de fluencia del concreto asfáltico?
¿Cómo se genera el agrietamiento térmico y cómo se desarrolla en el tiempo?
¿Cómo influye las propiedades del concreto asfaltico en la Construcción de la Carretera Nacional Tramo: Huancavelica– Izcuchaca PE-26. ?

1.3 OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL
Determinar la influencia de la temperatura en el deterioro de la carpeta asfáltica (m2), en la Carretera Nacional Tramo: Huancavelica– Izcuchaca PE-26.

OBJETIVOS ESPECIFIICOS
Proponer los indicadores de temperatura tanto como la máxima y la mínima y la fluencia que tiene en el concreto asfaltico.
Analizar los factores externos e internos que generen el agrietamiento térmico y como se desarrolla en el tiempo.
Categorizar el tipo de concreto y analizar la influencia de las propiedades en cada tipo de concreto asfaltico.

1.4 JUSTIFICACION:

JUSTIFICACION TEORICA
Al diseñar pavimentos flexibles en zonas de altura será necesario contar con una capacidad de respuesta para un periodo de análisis dado. Esta respuesta deberá ser capaz de absorber esfuerzos y deformaciones generados por las cargas de tráfico y además por las cargas de origen térmico.

JUSTIFICACION PRACTICA
El Ministerio de Transportes cuenta con estudios al respecto: así mismo se viene incorporando algunos criterios de este sistema especialmente para la caracterización y control de los compromisos en las mezclas asfálticas (Nuevas Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción EG-99/MTC).

JUSTIFICACION TEORICA
Por otra parte, desde 1987, los Estados Unidos ha dedicado un esfuerzo importante en el desarrollo de las nuevas especificaciones que en vez de estas concebidas en ensayos empíricos, estas se basan en propiedades funcionales de asfalto.

1.5 LIMITACION DE LA IMVESTIGACION:

La falta de interés de los estudiantes universitarios para la investigación sobre los problemas que se generan en la actualidad.

El escaso presupuesto con la que contamos los alumnos para realizar temas de investigación y el tiempo con la que contamos los estudiantes de ingeniería debido a los cursos que llevamos y las actividades universitarias.

1.6 DELIMITACION DE LA INVESTIGACIION:

ESPACIAL
- UBICACIÓN POLÍTICA
Departamento : Huancavelica
Provincia : Huancavelica
Distrito : Huancavelica
Tramo : Huancavelica–Izcuchaca (Carretera Nacional PE-26)
 
- UBICACIÓN GEOGRÁFICA
El tramo Huancavelica – Izcuchaca (PE-26), como parte de la Carretera Nacional Huancavelica – Huancayo – Lima,

TEMPORAL
Los estudios y recolección de datos que se efectuarán serán a partir de la construcción de la carretera año 2006 y su funcionamiento hasta el 2012.


CAPITULO I
CAPITULO II

MARCO TEORICO
2.1 ANTECEDENTES:

El asfalto es uno de los materiales más antiguos utilizados como aglutinante o impermeabilizante. Debido a la necesidad de integración en nuestro país, las carreteras se han constituido en el principal eje de articulación entre las regiones de la costa, sierra y selva, presentando este hecho uno de los mayores retos de la Ingeniería Nacional al paso forzado por la difícil geomorfología de Los Andes del Perú. Significando este sector, una de las mayores desventajas, en el desempeño de las carreteras, debido a los niveles de diferencial térmico, exposición solar, vientos, presencia de agua superficial y agua subterránea. A ello se suma la falta de materiales adecuados para la construcción, equipo y tecnología propia.


2.2 BASES TEORICAS:

Las diferencias en la concepción de los dos tipos principales de pavimento han forjado una necesidad natural de comparar ambos a fin de establecer cual es el más adecuado para la gestión de infraestructura vial, de tal manera que permita optimizar los recursos disponibles brindando a los usuarios el mejor valor a cambio de las inversiones que se realizan.

De entrada podemos decir que no hay una solución perfecta, ambos sistemas tienen múltiples virtudes y ejemplos de buen funcionamiento y, dependiendo quién haga el análisis, características en los que son mejores que el competidor, pero también es innegable que ambos sistemas tienen algunos inconvenientes y que existen ejemplos donde el desempeño que se logra con ellos no ha sido el esperado.

Se hará a continuación un resumen de los atributos tanto favorables como desfavorables que a juicio del autor tienen cada uno de ellos, relacionándolos con las características que deben tener los pavimentos.


2.5 HIPOTESIS:

El comportamiento de la carpeta asfáltica en el tramo Huancavelica – Izcuchaca puede ser prevista a partir de modelos mecanisticos que evalúen esfuerzos y deformaciones en concreto asfáltico, considerando niveles de gradiente térmico, propiedades de asfaltos y características de mezclas empleadas a fin de establecer relaciones en el periodo de vida en la carpeta asfáltica:

Ha:
La temperatura influye en el deterioro de la carpeta asfáltica.
Ho:
La temperatura no influye en el deterioro de la carpeta asfáltica


2.6 VARIABLES DE ESTUDIO:




CAPITULO III

MARCO METODOLOGICO
3.2 TIPO DE INVESTIGACION:

“Sustantiva – Explicativa”
El tipo de investigación es sustantiva pues intenta responder un problema teórico de las variaciones de un modelo y se orienta a “describir y explicar”, lo cual, el cierta forma lo “encamina hacia la investigación básica o pura” (Sánchez y Reyes, 2002. Pág. 18-19)

3.3 NIVEL DE INVESTIGACION:

“Estudios de Comprobación de Hipótesis causales”, (Sánchez y Reyes, 2002. Pág. 19)


3.4 METODO DE INVESTIGACION:

En el desarrollo de la investigación se efectuaron estimaciones indirectas de comportamiento pseudo – elástico en mezclas asfálticas sometidas a cargas de temperatura representada por el gradiente térmico, los cuales fueron evaluados con simulaciones de acuerdo con las variables identificadas. Los resultados preliminares encontrados en las simulaciones fueron contrastadas con los fenómenos realmente ocurridos en campo. Las respuestas de las simulaciones se considera que constituyen modelos de deterioro por efecto térmico.

El presente trabajo de investigación parte como necesidad de investigar las condiciones de transitabilidad y durabilidad del servicio de la vía del camino vecinal, mediante la aplicación del Cemento en el departamento de Huancavelica los cuales son usados para diferentes tipos de obras en el campo de la Ingeniería, además de su estado natural o in situ en que se encuentran.


3.5 DISEÑO DE INVESTIGACION:
El diseño de investigación utilizado es Transversal y Correlacional en el presente Estudio.





3.6 POBLACION, MUESTRA Y MUESTREO:

En el presente estudio de investigación de la Carretera Nacional Tramo Huancavelica – Izcuchaca (PE-26), de 76 Kilómetros de longitud; se tomara tres tramos sectorizados de la siguiente forma para la recolección de los respectivos datos:

POBLACIÓN:
Dentro de la población de estudio se integra 01 tramo de experimentación Huancavelica – Izcuchaca (PE-26).

MUESTRA:
Se indica tres sub tramos de cada 1 km de longitud cada uno, cercanos a estaciones de registro meteorológico del SENAMHI los cuales corresponden a zonas lluviosas y frías.

MUESTREO:
Probabilístico


3.7 TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS:
Investigación bibliográfica e información existente.
Ha sido necesario efectuar previamente una revisión bibliográfica e histórica de expedientes desarrollados sobre el tema y ámbito de estudio. La información revisada se ha tomado de las bibliotecas de Internet y archivos del Programa Especial de Rehabilitación de Transportes PERT y Dirección General de Caminos DGC, del MTC.

Evaluación de datos de clima
La variable temperatura se determinó a partir de las estaciones climatológicas, distribuidas por el SENAMHI alrededor de la carretera estudiada, para luego someterlas a los análisis estadísticos respectivos.

Reconocimiento de campo y extracción de muestras
El reconocimiento de campo ha permitido tener una idea clara sobre el ámbito de estudio e identificar algunos parámetros, para las fases posteriores del trabajo de campo.

Procesamiento e interpretación de resultados.
Debido a que las respuestas de las simulaciones representan el comportamiento más próximo ante los fenómenos de cambios brucos de temperatura, expresados como proporción de daño, estos se constituyen en un modelo de deterioro por efecto térmico
3.8 PROCEDIMIENTO DE RECOLECCION DE DATOS:

a) Métodos indirectos:
Estos métodos proporcionan una estimación de la rigidez sin considerar mediciones directas en laboratorio. Ellos usan datos rutinarios de ensayos de asfalto para estimar la rigidez con el uso de nomogramas.

b) Métodos directos:
La rigidez del cemento asfáltico es obtenida por ensayos de fluencia, relajación o ensayos de relación de esfuerzos constantes en tracción o compresión. También pueden usarse los métodos de ensayo dinámicos flexionales, en pruebas de especímenes de asfalto basados en deformaciones resilientes (sistema SUPERPAVE).

3.9 TECNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANALISIS DE DATOS:

Estadística Descriptiva:
Se usaron cuadros simples, gráficos (barras), medida de tendencia central (moda, media, mediana), medias de dispersión (desviación estándar, varianza, coeficiente de variación).

Estadística Inferencial:
Se realizó el contrastación de hipótesis con la prueba T-student, con una significancia del 5%.

Paquete y software estadísticos:
Se empleó Microsoft Office Excel 2010 para el procesamiento de datos.


DESARROLLO DE LA IMVESTIGACION
CAPITULO IV
4.1 DESARROLLO DEL MODELO:

El desarrollo de flujo descrito, es ligeramente diferente al modelo original propuesto por Shahin y McCullough (1972), debido a la adecuación del cálculo e ingresos de datos como: el clima, determinación del régimen térmico en la capa asfáltica, efecto de envejecimiento del asfalto, índice de penetración, tiempo de carga y criterios de fatiga. Lo cual no significa alejarse del modelo ya que el concepto siempre es el mismo.

A) Los datos de clima en esta investigación, en un intento de .ayor acercamiento a los fenómenos climáticos, utiliza información diaria procesada estadísticamente en un periodo de observación de 5 años.

B) La transferencia de la temperatura del medio ambiente sobre la carpeta asfáltica se calcula mediante la ecuación de Barker y Brubstone(). Esta ecuación estima la temperatura en la capa asfáltica a una profundidad (z) a partir de la temperatura del aire e indirectamente incorpora los efectos de viento, exposición solar y propiedades térmicas en el concreto asfaltico




C) Las propiedades del asfalto se han considerado variables en el tiempo, en un intento de representar el envejecimiento del asfalto, desde su puesta en servicio y proyección en el tiempo. Se ha asumido que esta tendrá un comportamiento lineal y puede ser expresado en función de las variaciones del índice de penetración () (Pheiffer y Van Doormaal) y el punto de ablandamiento.

D) Las características de la mezcla, se consideran como una proporsion de volumen del asfalto, agregados y vacíos en la mezcla, adicionalmente se ha adoptado como coeficiente de contracción térmica para la capa asfáltica el valor de α = 2 x 10-5 / °C, coeficiente que se estima sobre la caída del gradiente térmico

E) La rigidez de la mezcla asfáltica (Sm), se ha estimado usando uno de los métodos desarrollados por la Shell, a partir de la concentración de agregado y de asfalto en la mezcla (Draat y Somer, 1965) y la rigidez obtebida por el monograma de Van Der Poel (1954), modificada por Heukelom por Klomp (1954).



4.2 CALIBRACION DEL MODELO:

La aplicación del modelo en los tramos de estudio, ha sido posible a partir de información seleccionada, sin embargo ha sido necesario compatibilizar los resultados del modelo con mediciones en campo, de agrietamiento considerados de origen térmico. Para lo cual se ha propuesto un plan de mediciones de niveles de agrietamiento de acuerdo con las consideraciones citadas en la sección 1.3.6. los formatos para el levantamiento de la información y criterios para la selección de muestras han sido tomados como referencia de manual MS – 17 del instituto de Asfalto (Guía para la Evaluación de Pavimentos).

Se considera que las grietas transversales y en bloque, son causadas principalmente por la contracción de la mezcla de asfalto a bajas temperaturas cíclicas diarias; para su identificación en campo, se ha tomado en cuenta la ubicación de las fisuras en la vía y el nivel de daño cuantificando la abertura de la grieta.




ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOS
CAPITULO V
5.1 PRESENTACION DE RESULTADOS:

Tramo – 01:
Presenta el menor nivel de gradiente térmico (0.63 °C promedio anual); muestra un grado intermedio de envejecimiento en el asfalto usado; el tipo de asfalto usado es el PEN 85-100.

Tramo – 02:
Presenta el más grande gradiente térmico (0.63 °C promedio anual), superior al tramo – 03 e igual al tramo – 01, respectivamente muestra el mayor grado envejecimiento en el asfalto usado; el tipo de asfalto usado es el PEN 120-150; y sin embargo su gradación de agregados es aceptable, mejor que el tramo – 03 y tramo – 01 respectivamente.  

Tramo – 03:
Presenta un gradiente térmico intermedio (-2.50 °C promedio anual), entre los tramos – 01 y tramo – 02; muestra también el menor nivel de envejecimiento en el asfalto usado; el tipo de asfalto usado es el PEN 120-150; y su gradación es aceptable después del tramo – 02.




5.2 CONTRASTE DE HIPOTESIS:

FORMULACION DE HIPÓTESIS ESTADÍSTICO.
Ha: La temperatura influye en el deterioro de la carpeta asfáltica.
Ho: La temperatura no influye en el deterioro de la carpeta asfáltica.

TIPO DE PRUEBA Y NIVEL DE SIGNIFICANCIA
La prueba será de tipo bilateral a con nivel significancia de significancia.
α = 0.05 = 5%

DETERMINACIÓN DE LA PRUEBA ESTADÍSTICA
Se empleó el método Diseño Completamente Aleatorizado

Inferimos con las conclusiones estadísticas que los resultados obtenidos de la prueba estadística por el método de lDCAcaen en la zona de rechazo de la hipótesis nula, por lo tanto: Existe diferencia en el nivel de satisfacción ante la atención de la influencia de la temperatura en el deterioro de la carpeta asfáltica de Carretera Nacional Tramo: Huancavelica – Izcuchaca (PE-26).

5.3 DISCUSION:

PRIMERA HIPÓTESIS
“El comportamiento de las carpetas asfálticas en zonas de altura puede ser prevista a partir de modelos mecánicos que evalúen esfuerzos y deformaciones en el concreto asfaltico, considerando niveles de gradiente térmico, propiedades de asfalto y características de mezcla empleadas; a fin de establecer relaciones en el periodo de vida en la carpeta asfáltica”.
El comportamiento de las carpetas asfálticas sometidas a gradientes térmicas, ha sido pronosticado mediante la implementación del modelo propuesto por Hills. Este modelo ha demostrado que el mecanismo de falla por baja temperatura es poco probable y que el fenómeno cíclico de la temperatura diaria, genera fatiga en los pavimentos construidos en los tramos de altura de la carretera sierra; Huancavelica – Izcuchaca.

SEGUNDA HIPÓTESIS
“De acuerdo con el concepto de diseño de la Guía AASHTO-93, el comportamiento de un pavimento se traduce en el desempeño de la serviciabilidad durante un periodo dado, por lo tanto se puede establecer también perdida de serviciabilidad por efectos térmicos para la zonza de estudio, a partir de simulaciones de deterioro de la superficie asfáltica, bajo la influencia de la temperatura”.
El procedimiento de diseño de pavimento de mayor uso en nuestro medio es el proporcionado por la Guía AASHTO-93, cuya filosofía se basa en el concepto de comportamiento o serviciabilidad. Este representa un medio para diseñar un pavimento considerando un volumen específico de tráfico total y un mínimo nivel de serviciabilidad deseado al final del periodo de servicio.

Por consiguiente, podemos afirmar la segunda hipótesis de la presente investigación, dado que es posible incorporar la variable GRADIENTE TÉRMICO, en el proceso de diseño mediante el análisis que ofrece la Guía AASTHO – 93.
RECOMENDACIONES
CAPITULO VII

Se recomienda, como alternativa que contempla los efectos de altura “gradiente térmico” en nuestro medio, el proceso de diseño implementado por la Guia AASHTO-93, considerando la incorporación de un modelo de deterioro por efectos de fatiga térmica que expresa el nivel de agrietamiento térmico de perdida de serviciabilidad durante el periodo de análisis. Incorporación que permite por medios iterativos la recomposición del espesor estructural del pavimento con atención a la capa asfáltica, hasta que sea capaz de absorber los efectos térmicos y permitir que el pavimento alcance la serviciabilidad deseada en un tiempo equivalente al periodo de análisis del pavimento que se diseñe.


Con cara al futuro, será necesario implementar mayores líneas de investigación, primero contemplando la influencia de la temperatura para diversas zonas consideradas de altura en nuestro país y con más razón en nuestra región de Huancavelica, para de esta forma contar con un solo criterio consolidado, que aborde este tema. En segundo término se deberá complementar mediante el uso de modelos de análisis multicapa el efecto del tráfico y a través de una comparación con resultados reales en campo podrá darse una validación definitiva del método propuesto en el presente trabajo.



La investigación desarrollada toma información climática, composición de mezcla y propiedades de asfaltos usados en la fase de construcción y de puesta en servicio luego de un periodo. Este último aspecto ha conllevado suponer cierto tipo de comportamiento de las propiedades del asfalto; sin embargo se recomienda a efectos de lograr un mayor acercamiento sobre la influencia de la temperatura en pavimentos de altura, la evaluación periódica especialmente del comportamiento de los asfaltos usados. Así mismo se hace necesario un mayor control de mediciones de agrietamiento por efecto térmico y tráfico a fin de posibilitar mayores puntos de calibración, tanto para simulaciones de deterioro por efectos ambientales y de tráfico, para de esta forma posibilitar el desarrollo de metodologías como lo propone esta investigación para el control de la performance en nuestros pavimentos de manera más cercana a la realidad.
CAPITULO VI
CONCLUSIONES

Las propiedades del asfalto, evaluadas en el presente estudio, nos ha permitido un acercamiento al efecto de cambio de temperatura en el envejecimiento de las propiedades del asfalto a través del tiempo, debido a que el nivel de deterioro tiene relación con el grado de endurecimiento del asfalto.



Se concluye sobre las variables estudiadas, que lo más importante es el gradiente térmico observado en los tres tramos de la Carretera Nacional Huancavelica – Izcuchaca (PE-26); sin embargo se considera también como importantes en el desempeño de las carpetas asfálticas, el proporcionamiento de las mezclas bituminosas y las propiedades del asfalto (penetración, punto de ablandamiento e índice de penetración), como una forma indirecta de acercamiento al módulo de rigidez del asfalto a bajas temperaturas, en ausencia de tecnología y equipos en el medio para la medición directa como lo propone las especificaciones SHRP.
El modelo desarrollado representa el comportamiento del pavimento ante la acción del gradiente térmico en un determinado periodo de tiempo, expresado como proporción de daño y ello representa la cuantificación del gradiente térmico en el nivel de esfuerzos y deformaciones de carpetas asfálticas construidas en la zona de estudio.
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