El futuro de las especificaciones de ligantes asfálticos en California

INTRODUCCIÓN
Asfalto de concreto, referido a menudo como mezcla caliente de asfalto (HMA), es una mezcla de alta calidad diseñada de agregados y de ligantes asfálticos, y se utiliza en un alto porcentaje en la construcción de los pavimentos de carretera en California. Para asegurar que los pavimentos de HMA se realizarán como fueron diseñados sobre sus vidas de servicio, el HMA y sus componentes (es decir los agregados y el ligante) deben resolver requisitos rigurosos de especificaciones. Una especificación del ligante no debe solamente definir el producto del ligante, sino también asegurar que se realizará adecuadamente y no causará falta prematura del pavimento. Por lo tanto, una especificación ideal del ligante debe contener esas características que afecten directamente el funcionamiento del pavimento cuando otros componentes de la mezcla resuelven sus especificaciones respectivas. Si la influencia de una característica particular del ligante en ciertos tipos de señal de problemas del pavimento es solamente de menor importancia, entonces esa característica no debe probablemente ser parte de la especificación del ligante.

Los requisitos de especificación del ligante deben ser justificados generalmente económicamente. Esto significa que el coste real para agregar un requisito debe ser perceptiblemente menos que la normal ventaja prevista de hacerlo. Por ejemplo, el coste adicional de prueba y de cualquier coste relacionado que se pudiera asociar a él (Ej. coste de almacenamiento debido a retrasos de las pruebas) debe ser perceptiblemente menos que previstas tales como coste anual reducido de millas del carril debido a la vida creciente del pavimento, etc.

Las especificaciones deben también garantizar uniformidad. Si la especificación no es uniforme puede aparecer en muchas diversas versiones según la experiencia del departamento del estado de carreteras, el condado, o de la ciudad usándola. Los usuarios pueden ser tentados para cambiar especificaciones de modo que los productos que han utilizado satisfactoriamente en el pasado continúen siendo utilizados. La proliferación de la especificación puede llegar a ser más frecuente si los requisitos no correlacionan con el funcionamiento observado del pavimento, o si son inusuales en que ellos prueban una composición o una formulación particular del ligante.

TIPOS DE ESPECIFICACIÓN
Las especificaciones del ligante pueden ser vistas como descriptivas o basadas en la realización del funcionamiento. Las especificaciones descriptivas identifican típicamente las pruebas que se realizarán en el ligante. Se proporcionan los criterios aceptables de la prueba para asegurar la selección de cierto tipo de ligante. La especificación no se diseña para apuntar un nivel de funcionamiento vía las pruebas. La correlación del funcionamiento del pavimento es empírica y se basa típicamente en observaciones del campo.

Las especificaciones basadas en el funcionamiento son tales que los criterios de la prueba están seleccionados para correlacionar con el funcionamiento del pavimento. La especificación se intenta ser ciega, es decir, la especificación prueba y sus umbrales críticos no se seleccionan para ser descriptivos de una ligante particular. Obviamente, el funcionamiento sobre el terreno de un pavimento también es influenciado por otros factores de la mezcla incluyendo los agregados, el contenido del ligante, el contenido aire-vacío, etc., y en caso que el pavimento se quiebre (es decir, surcado, fatigado, agrietarse, pelándose) el funcionamiento no solamente se controla el componente del ligante.

EVOLUCIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES DEL LIGANTE Y DE LOS SISTEMAS QUE CALIFICAN
Mucho del ligante de asfalto usado en el siglo 19 y 20 era llamado supuesto asfalto de lago minado del lago Trinidad (Trinidad y Tobago) y del lago Bermúdez (Venezuela). Estos asfaltos nativos eran materiales sólidos o semisólidos, y requirieron la adición de materiales que fundían para crear las consistencias convenientes para el uso de ligantes de mezcla HMA. Las primeras especificaciones fueron ideadas para identificar la fuente de los ligantes de asfalto en la exclusión de otros materiales de fuente.

En 1918 la oficina de caminos públicos (ahora la administración federal de caminos) introdujo el sistema que calificaba la penetración. Este sistema utilizó un penetró metro como los medios principales de probar y de calificar ligantes. La prueba de penetración mide la consistencia del ligante de asfalto, expresada como la distancia en décimo de milímetros que una aguja estándar verticalmente penetra la muestra del ligante de asfalto bajo el cargamento, el tiempo, y condiciones de temperatura (77°F). Por lo menos nueve grados de asfalto de penetración fueron desarrollados que fueron satisfechos a las diversas condiciones climáticas y usos. Estos grados fueron establecidos usando un valor de penetración del máximo y mínimo en 77°F, el punto mediano estimado de las temperaturas del servicio del pavimento. Las especificaciones estándares para los cementos calificados penetración del asfalto fueron publicadas en 1931 por la Asociación Americana de los Funcionarios de Carreteras del Estado (AASHO). En 1956 la Conferencia de la Costa Pacífica de Especificaciones del Asfalto (PCCAS) fue formada para reducir el número de grados de cemento de asfalto y estandardizar las especificaciones. El PCCAS adoptó cinco grados de penetración de cemento de asfalto en 1957.

El próximo paso evolutivo en especificaciones del ligante vino en los años sesenta con el sistema que calificaba la viscosidad (CA). Este sistema fue iniciado por el FHWA, varios departamentos de carretera, y otros, y se basan en la viscosidad del ligante, que es por definición una característica fundamental de la ingeniería del material. La especificación fue desarrollada para sustituir la prueba de penetración empírica por una prueba más científica de viscosidad, y para medir la consistencia del ligante en 140°F en vez de 77°F. 140°F fueron pensados para aproximar la temperatura superficial máxima del pavimento de HMA en un día caliente de verano en los EE.UU. Los varios grados de viscosidad fueron desarrollados para utilizar bajo diversas condiciones climáticas y usos.

Algo paralelo al desarrollo del sistema que calificaba en los años 60, Caltrans desarrollo un sistema que calificaba envejecido la viscosidad del residuo (AR). Caltrans tenia problemas con la mezcla de HMA (es decir mezclas delicadas) con algunos ligantes que las viscosidades no aumentaron tanto como otros durante la mezcla de la planta. Por lo tanto, Caltrans decidía a simular el envejecimiento de la planta del ligante usando la prueba del horno (RTFO). Entonces calificó la viscosidad del residuo del ligante después de envejecer el RTFO de modo que todas los ligantes se comportaran aproximadamente igual durante la construcción de HMA. Caltrans y la mayoría de las agencias en California utilizan el sistema que califica el ligante de AR hoy como la base primaria para especificar ligantes.

Los sistemas del ligante de penetración y de la viscosidad han reconocido limitaciones. La prueba de penetración es empírica y no se relaciona directamente con el funcionamiento de HMA. La prueba de penetración se conduce en 77°F, y la viscosidad en 140°F aunque diversas condiciones climáticas existen con frecuencia en diversas localizaciones geográficas. Ninguno de los dos sistemas tiene un requisito de prueba o de especificación para la tiesura del ligante en baja temperatura para controlar agrietarse termal. Los ligantes en servicio continúan atiesándose a cierto plazo, y por lo tanto afectan la fatiga que se agrieta y el agrietarse a baja temperatura de los pavimentos de HMA. El envejecimiento a largo plazo de ligantes en servicio no se considera en cualquier sistema. Los sistemas que califican la penetración y la viscosidad no son también aplicables a los ligantes modificados con los polímeros y otros añadidos que han llegado a ser más frecuentes.

En 1987 el PCCAS fue cargado con desarrollar una nueva especificación de ligante que trataría agrietar el envejecimiento a largo plazo y baja temperatura. La especificación del asfalto de Performance-Based (PBA) que resultó de este esfuerzo era la primera tentativa de incorporar temperaturas reales del campo en una especificación relacionada con el funcionamiento. Siete grados de ligante (PBA-1 a PBA-7) fueron creados basados en la temperatura de alto y bajo del aire a medio del mes más caliente y más frío, respectivamente. Para los climas del desierto, la prueba de California Tilt Oven Aging (CTOAT) de envejecimiento fue utilizada para simular cinco a siete años de envejecimiento en el pavimento. Los ligantes modificados también fueron identificados por el grado en el sistema que calificaba de PBA. Caltrans y otras agencias en California continúan utilizando el sistema que califica PBA hoy para especificar ligantes modificados.

…Y ENTONCES HABÍA SUPERPAVE
El FHWA también lanzó el programa de investigación estratégico de carreteras (SHRP) en 1987, que incluyó aproximadamente $50 millones para desarrollar las especificaciones basadas en el funcionamiento para los ligantes de asfalto y las mezclas de HMA. Este esfuerzo de investigación fue llamado Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements) y la especificación del ligante de Superpave adoptó muchos de los conceptos de la especificación de PBA. El cambio más significativo era el movimiento de pruebas empíricas a probar eso permitió a un ligante ser caracterizado usando características verdaderas de ingeniería. Las pruebas The Dynamic Shear Rheometer (DSR), Bending Beam Rheometer (BBR), y el probador directo de tensión (DTT) substituyeron la viscosidad, la penetración, y la ductilidad, respectivamente. El DSR mide características del ligante en las temperaturas altas e intermedias del pavimento, y proporciona una indicación de cómo el ligante contribuirá a la resistencia del pavimento y fatigará agrietarse. Los BBR y DTT se utilizan para caracterizar ligantes en las temperaturas bajas del servicio del pavimento y para determinar su propensión a agrietarse termal. Para simular el envejecimiento de la planta, la especificación del ligante de Superpave adoptó el RTFO, y el recipiente del envejecimiento de la presión (PAV) fue introducido para todas las regiones del clima en vez del CTOAT para simular 10 a 15 años de envejecimiento en el campo.

Las condiciones climáticas, que primero fueron introducidas en la especificación de PBA, fueron ampliadas en un acercamiento más comprensivo en la especificación del ligante de Superpave. Las temperaturas predichas del pavimento substituyeron temperatura del aire en la especificación de PBA, y así que los ligantes calificados de funcionamiento de Superpave se basan en la temperatura más alta de siete días medio del pavimento y temperatura del aire medido más bajo. Por lo tanto, un ligante de PG 64-10 significa la temperatura alta de siete días en la voluntad del pavimento con cierto nivel de probabilidad para no exceder de 64°C, y la voluntad de temperatura del aire con cierto nivel de la caída de la probabilidad no menos de −10°C.

Caltrans ha anunciado planes para poner las especificaciones del ligante de Superpave comenzando en enero del 2006. En ese tiempo los surtidores continuarán la producción de ligante de AR, o tendrán probablemente fuentes muy limitadas restantes. Por lo tanto, el resto de las agencias que especifican ligantes de asfalto, por necesidad, tuvieron que transiciónar a los ligantes de PG en el 2006. Caltrans ahora está concluyendo la nueva especificación del ligante de PG, y especificará cuatro o cinco grados del ligante de “workhorse” de PG para cubrir el estado. Éstos incluirán el PG 58-22 (acción baja del asfalto para ciertas localizaciones), PG 64-10 (costa central, costa del sur, y el valle interior), PG 64-16 (montaña baja, costa del norte, y montaña del sur), PG 64-28 (desierto alto y montaña alta), y PG 70-10 (desierto). Cuando la severidad del tráfico excederá los criterios mínimos del diseño usados para seleccionar el grado del ligante PG, un ligante más tieso puede ser requerido y el valor de alta temperatura del grado de PG se puede aumentar o “topar.” Los aumentos de la severidad del tráfico podrían ser debido a mayores volúmenes de tráfico y/o de velocidades más lentas del tráfico, que potencialmente aumentan cargas del pavimento y potencial formación de surcos. Por ejemplo, el ligante de PG usado para ciertas rutas a lo largo de la costa central y del valle interior puede ser “topada” de PG 64-10 a PG 70-10 para explicar la severidad adicional del tráfico. Esas áreas del estado donde los ligantes de PG con excepción de la PG 64-10 se especifican típicamente serán probablemente un ligante modificado polímero apropiado (es decir PBA 6a, 6b, 6a + o 7) en lugar del ligante de PG.

De acuerdo con la experiencia de los surtidores de ligantes, productores de HMA, y de las agencias en otros estados, la transición de California a los ligantes de PG de Superpave requerirá un cierto entrenamiento inicial y ajuste. HMA producido con los ligantes de PG podrá o no podrá mímicar exactamente todas las características de las mezclas que contienen ligantes calificados AR. Los productores de HMA en algunas porciones del estado pueden ser requeridos aumentar el almacenaje del ligante dependiendo del número de los grados del ligante de PG usados en su área del mercado. Los especificadores necesitarán desarrollar una comprensión del sistema del ligante PG, y evitaran la tentación “de tirar innecesariamente” un grado de ligante. Caltrans proporcionará por lo menos una sesión de entrenamiento de ligante de PG en cada uno de sus 12 distritos que comienzan este invierno. Estas sesiones de entrenamiento estarán abiertas al estado y al personal local de la agencia así como contratistas, productores de HMA, surtidores del ligante, y laboratorios comerciales, y otros interesados en entender cómo ocurrirá la transición.