Caracterización multiescala del daño por fatiga en mezclas asfálticas tibias basada en ensayos de barrido de amplitud lineal y flexión en cuatro puntos

Resumen

Este estudio establece un marco sólido a través de múltiples escalas que vincula la mecánica del daño del aglutinante con el rendimiento del mezclado ante la fatiga, demostrando que los parámetros del barrido de amplitud lineal–daño continuo viscoelástico simplificado (LAS–S-VECD) proporcionan una base confiable y basada en mecanismos para predecir y diseñar sistemas de asfalto templado duraderos.

Resumen

La fisuración por fatiga es un factor crítico que determina la durabilidad a largo plazo de los pavimentos de asfalto, mientras que la relación entre la escala del ligante y la escala de la mezcla respecto al comportamiento por fatiga del ligante y el rendimiento por fatiga de la mezcla aún no se comprende suficientemente en el caso del asfalto de mezcla en caliente (WMA, por sus siglas en inglés). En este estudio, se investigaron sistemáticamente las características de fatiga del WMA a escala del ligante y de la mezcla con el fin de establecer correlaciones cuantitativas entre ambas escalas. Se emplearon ensayos con reómetro de cizalladura dinámico (DSR) y ensayos de amplitud de onda lineal (LAS) interpretados mediante el marco del daño viscoelástico continuo simplificado (S-VECD) para caracterizar las propiedades reológicas y la evolución del daño de ligantes asfálticos provenientes de diferentes orígenes de crudo. El rendimiento por fatiga a escala de la mezcla se evaluó mediante ensayos de fatiga por flexión en cuatro puntos controlados por deformación. Los resultados indican que el envejecimiento aumenta significativamente la rigidez del ligante y acelera la degradación por fatiga, con un incremento del factor de fatiga G*·sen δ de aproximadamente 150–250 % tras el envejecimiento a largo plazo. La eficacia de la modificación para mezcla en caliente a escala del ligante dependió fuertemente del tipo de ligante, lo que se refleja en una reducción del 8–13 % en el coeficiente de velocidad de daño para los Ligantes A y B, pero en un aumento de aproximadamente el 11 % para el Ligante C. Los indicadores reológicos convencionales, como sen δ, mostraron una capacidad limitada y dependiente del material para predecir la vida útil por fatiga de la mezcla, mientras que los parámetros de daño derivados del ensayo LAS–S-VECD mostraron correlaciones consistentemente fuertes con el rendimiento por fatiga a escala de la mezcla. En conjunto, este estudio demuestra que la caracterización del daño del ligante basada en LAS–S-VECD proporciona una base robusta para predecir la resistencia a la fatiga de la mezcla, y respalda su aplicación en el diseño de mezclas basado en el rendimiento para pavimentos WMA duraderos y sostenibles.

Introducción

La construcción convencional de pavimentos de asfalto depende de procesos a alta temperatura, que normalmente oscilan entre 160 °C y 180 °C, y superan los 190 °C para aglomerantes modificados, como el asfalto con caucho y el betún modificado con polímeros de alto rendimiento. En aplicaciones especializadas, como los pavimentos para cubiertas de puentes metálicos, las temperaturas de colocación de la mezcla in situ pueden superar los 200 °C¹. Estas condiciones térmicas extremas provocan un consumo sustancial de combustibles fósiles y generan emisiones atmosféricas significativas, incluidos gases de efecto invernadero y humos peligrosos de asfalto ricos en compuestos solubles en benceno e hidrocarburos aromáticos policíclicos carcinógenos (por ejemplo, benzo[a]pireno)^2,3. Estudios previos han demostrado consistentemente que reducir las temperaturas de producción y compactación del asfalto puede disminuir el consumo de combustible, las emisiones de CO₂ y la exposición laboral a los humos de asfalto, aunque la magnitud de estos beneficios depende del tipo de mezcla, la configuración de la planta, la dosis del aditivo y las condiciones de construcción en campo. Estudios recientes han ampliado aún más el conocimiento sobre el comportamiento del asfalto bajo diversas modificaciones y condiciones de servicio. Se ha informado que la introducción de lignosulfonato de calcio en las mezclas de asfalto puede retrasar eficazmente el envejecimiento termo-oxidativo al inhibir las reacciones de oxidación y estabilizar la estructura coloidal de los aglomerantes asfálticos.

En cuanto al comportamiento frente a fracturas, los estudios sobre mezclas asfálticas en caliente (HMA) y mezclas asfálticas tibias (WMA) bajo condiciones de carga pura Modo I y Modo II han demostrado que el modo de carga desempeña un papel fundamental en la determinación de la tenacidad a la fractura a bajas temperaturas y la disipación de energía. La susceptibilidad a la humedad también se ha estudiado ampliamente en sistemas asfálticos modificados con caucho, donde los materiales de caucho reciclado mejoran la resistencia a los daños inducidos por la humedad, y el contenido óptimo de caucho puede determinarse mediante enfoques combinados de evaluación mecánica y económica. En relación con el rendimiento a altas temperaturas, se ha evaluado el asfalto modificado tipo matriz de piedra (SMA) mediante ensayos de fluencia dinámica y dispositivo de seguimiento de rueda Hamburg, confirmando que la modificación de la mezcla mejora significativamente la resistencia al ahuellamiento. Además, estudios basados en flexión semicircular (SCB) sobre mezclas asfálticas que incorporan aditivos reciclados han mostrado mejoras notables en la resistencia a la fractura Modo I y en la resistencia a los daños por humedad, destacando los efectos sinérgicos de los materiales reciclados sobre el rendimiento frente a la fatiga y la durabilidad. En consecuencia, el desarrollo de tecnologías asfálticas a bajas temperaturas ha surgido como una vía crítica hacia la construcción sostenible de pavimentos y sistemas de infraestructura ambientalmente responsables.

La tecnología de mezclas en caliente (WMA), lograda mediante la incorporación de aditivos químicos, ceras orgánicas o técnicas de espumación, permite una producción eficaz de mezclas a temperaturas típicamente entre 90 °C y 130 °C, lo que representa una reducción de 30–50 °C en comparación con las mezclas en caliente convencionales (HMA)⁴. Más allá de sus beneficios bien documentados en la reducción de la demanda energética y de las emisiones de contaminantes, la WMA desempeña un papel fundamental en la mitigación del envejecimiento termo-oxidativo de los aglomerantes asfálticos durante la producción y colocación. El envejecimiento del asfalto está regido por cinéticas químicas dependientes de la temperatura, con tasas de oxidación que se duplican aproximadamente por cada aumento de 10 °C en la temperatura^5,6. Las temperaturas elevadas aceleran las reacciones de volatilización, oxidación y polimerización, transformando progresivamente los malténos en asfaltenos rígidos y aumentando así la rigidez del aglomerante mientras reduce su ductilidad⁷. Al reducir las temperaturas de producción, la WMA suprime estas reacciones perjudiciales, preservando la viscoelasticidad del aglomerante y potencialmente mejorando la resistencia a la fatiga a largo plazo⁸.

Aunque se han reportado ampliamente las ventajas ambientales y constructivas de los asfaltos templados (WMA), las investigaciones sistemáticas sobre su rendimiento a la fatiga bajo condiciones de envejecimiento siguen siendo relativamente limitadas. En particular, los ligantes asfálticos derivados de diferentes fuentes de petróleo crudo, como las materias primas de Karamay, CNOOC marino y CNPC, presentan variaciones notables en su composición química, incluyendo el contenido de asfaltenos, la distribución de resinas, las fracciones aromáticas y los niveles de saturados⁹. Se reconoce ampliamente que estas diferencias composicionales son determinantes fundamentales del comportamiento reológico, la susceptibilidad al envejecimiento y la durabilidad a la fatiga¹⁰. Sin embargo, los estudios existentes sobre fatiga rara vez diferencian los ligantes según el origen del petróleo crudo, lo que resulta en una comprensión incompleta de cómo la química dependiente de la fuente rige el rendimiento a la fatiga, especialmente bajo condiciones de envejecimiento acumulativo representativas de las condiciones reales de servicio^11,12. Desde una perspectiva ingenieril, un método confiable de evaluación de la fatiga a escala del ligante sería particularmente útil para la selección preliminar de materiales, la elección de aditivos para mezclas templadas, la evaluación de la sensibilidad al envejecimiento y el control de calidad antes de la verificación a nivel de mezcla. No obstante, el método LAS–S-VECD no debe considerarse un sustituto completo de las pruebas de fatiga de mezclas, ya que la gradación del árido, los vacíos de aire, la interacción entre ligante y árido, la calidad de la compactación y el envejecimiento en campo también pueden influir en el comportamiento a la fatiga del pavimento. Además, la relación entre los indicadores de fatiga a escala del ligante y el comportamiento a la fatiga a escala de la mezcla aún no se ha establecido de manera concluyente para diversas fuentes asfálticas¹³. Aunque ensayos reológicos como el barrido de amplitud lineal (Linear Amplitude Sweep, LAS) han mostrado potencial para caracterizar el daño por fatiga del ligante, su fiabilidad predictiva respecto a la vida útil a la fatiga de la mezcla, particularmente para ligantes con orígenes químicos distintos, sigue sin estar suficientemente validada¹⁴. Esta desconexión limita la precisión de las predicciones de rendimiento basadas en laboratorio y restringe la selección racional de materiales en la práctica ingenieril¹⁵.

Para abordar estas brechas críticas, este estudio realiza una investigación exhaustiva y multiescala sobre el comportamiento a fatiga de aglomerantes asfálticos modificados en mezcla caliente derivados de tres fuentes distintas de petróleo crudo¹⁶. Mediante la integración del análisis reométrico de cizalladura dinámica (DSR), pruebas del barrido de amplitud lineal (LAS) dentro del marco del daño viscoelástico continuo simplificado (S-VECD) y ensayos de fatiga por flexión de cuatro puntos a escala de mezcla, este trabajo evalúa sistemáticamente la influencia del origen del petróleo crudo, la modificación en mezcla caliente y el envejecimiento sobre la resistencia a la fatiga^17,18,19. Los hallazgos buscan establecer correlaciones sólidas entre escalas, vinculando la reología del aglomerante con el rendimiento de la mezcla, proporcionando una base mecanicista para la predicción de la vida útil a fatiga y ofreciendo orientaciones prácticas para el diseño y selección de materiales asfálticos sostenibles.

Este estudio presenta un marco de caracterización de fatiga a múltiples escalas para asfalto mezclado en caliente mediante la integración del análisis del aglomerante a escala de LAS–S-VECD con ensayos de fatiga por flexión de cuatro puntos a escala de mezcla. En comparación con estudios previos que se centran principalmente en evaluaciones reológicas a nivel de aglomerante o en evaluaciones de desempeño a nivel de mezcla de forma aislada, este trabajo establece una conexión mecánica directa entre la química del aglomerante dependiente del petróleo crudo, la modificación para mezcla en caliente y el comportamiento a fatiga de la mezcla bajo condiciones de envejecimiento. La novedad de este estudio radica en tres aspectos: (i) la incorporación explícita del origen del petróleo crudo como variable determinante del desempeño a fatiga; (ii) la correlación sistemática entre la evolución del daño obtenida mediante LAS–S-VECD y la vida útil a fatiga de la mezcla; y (iii) la evaluación unificada de los efectos de la modificación para mezcla en caliente en ambas escalas, tanto del aglomerante como de la mezcla. Los resultados demuestran que los parámetros de daño derivados del LAS–S-VECD proporcionan predictores robustos del desempeño a fatiga de la mezcla, ofreciendo una alternativa más fundamentada mecánicamente frente a los índices reológicos convencionales. Estos hallazgos establecen una base científica para la evaluación y el diseño orientados al desempeño de sistemas sostenibles de asfalto mezclado en caliente.

Protocolo

Materiales
Los tres aglomerantes asfálticos seleccionados en este estudio, resumidos en la Tabla 1, son aglomerantes para pavimentos representativos derivados de diferentes fuentes de petróleo crudo y se han utilizado ampliamente en aplicaciones prácticas de ingeniería vial en China. El asfalto de Karamay, el asfalto CNOOC 36-1 y el asfalto de PetroChina difieren notablemente en origen crudo, composición química, susceptibilidad al envejecimiento y características reológicas, lo que proporciona una base material adecuada para investigar el comportamiento por fatiga dependiente de la fuente de petróleo. Su selección permite una evaluación comparativa de cómo la composición intrínseca del aglomerante influye en la eficacia de la modificación en mezcla templada y en el rendimiento por fatiga a escala de mezcla, mejorando así la relevancia ingenieril del marco propuesto para la caracterización de fatiga a través de escalas. Los orígenes geológicos y características químicas detallados de cada aglomerante son los siguientes:

Agente aglutinante A: Derivado de una materia prima de aceite pesado de la zona 9, producido mediante un proceso de mezcla de residuo al vacío y asfalto desoleado. Su material base exhibe propiedades distintivas, incluyendo bajo contenido de parafina (<2%), concentración mínima de azufre y alta composición de resinas. Cabe destacar que el asfalto de Karamay es el único aglutinante para pavimentos con una gravedad específica inferior a 1 g/cm³ en las aplicaciones de ingeniería actuales, y presenta una viscosidad dinámica superior y una excelente retención de ductilidad tras el envejecimiento. Estas características lo hacen particularmente adecuado para regiones sometidas a grandes variaciones térmicas diurnas y exposición intensa a la radiación ultravioleta.

Aglomerante B: Procede del petróleo pesado raro extraído del yacimiento marino Suizhong 36-1, con un rendimiento elevado de betún del 56 % mediante refinación. La materia prima se clasifica como un crudo pesado base nafténico, deficiente en azufre y con alto valor ácido, lo que da como resultado un aglomerante procesado con alta densidad (1,012 g/cm³), bajo contenido de parafina (1,8 %) y proporciones elevadas de resinas. Estas propiedades dotan al aglomerante de una excelente flexibilidad a bajas temperaturas, lo que lo hace ventajoso para aplicaciones en ambientes fríos.

Aglomerante C: Formulado principalmente utilizando crudo pesado de Boscan de Venezuela como materia prima base, logrando un rendimiento de producción del 60 % mediante procesos de refinación especializados. Este petróleo crudo presenta características geoquímicas únicas, incluyendo alto contenido de ácidos, concentraciones significativas de metales pesados y un fuerte potencial de formación de residuos de carbono. El aglomerante muestra una composición atípica de hidrocarburos, caracterizada por bajas fracciones de hidrocarburos saturados, complejos enriquecidos de resinas y asfaltenos, y un contenido notablemente bajo de parafinas (1,3 %).

En esta investigación, los tres aglutinantes asfálticos base se designaron como AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) y CO (PetroChina). Los aglutinantes correspondientes de mezcla en caliente (WMA) se prepararon incorporando el aditivo Evotherm M1, codificados como AP, BP y CP, respectivamente²⁰. Se ensayaron índices completos de rendimiento, incluyendo penetración, punto de ablandamiento y ductilidad, de acuerdo con las especificaciones JTG E20-2011²¹, presentándose en el Tabla 1 datos comparativos detallados. Todos los procedimientos experimentales siguieron estrictamente los protocolos estandarizados descritos en las Especificaciones Técnicas para Mezclas Asfálticas y Bituminosas en Ingeniería Vial.

Proyecto	Unidad	Karamay	CNOOC	CNPC
Penetración	0.1 mm (15 °C)	22	22	24
	0.1 mm (25 °C)	72	68	71
	0.1 mm (30 °C)	112	110	116
PI	－	-1.14	-1.2	-0.81
TR&B	°C	46	46.5	47.5
Viscosidad dinámica (60 °C)	Pa·s	223.5	230	256.9
Ductilidad (10 °C, 5 cm/min)	cm	>100	>100	52
Contenido de cera	%	1.9	1.8	1.3
Punto de inflamación (COC)	℃	278	287	312
Solubilidad	%	99.5	99.7	99.8
Densidad (15 °C)	g/cm³	0.977	1.012	1.049
RTFOT	Cambio de masa (%)	0.05	0.06	-0.07
	Relación de penetración residual (%)	66.2	67.4	64.8
	Ductilidad residual (10 °C, cm)	13	12	9

Tabla 1: Parámetros técnicos clave de los aglutinantes bituminosos. La tabla 1 resume los parámetros técnicos clave de los aglutinantes bituminosos, incluyendo propiedades físicas, susceptibilidad térmica, características reológicas y comportamiento frente al envejecimiento a corto plazo, con el fin de evaluar sus propiedades fundamentales y durabilidad.

El proceso de preparación del WMA implicó un protocolo multifase estrictamente controlado, diseñado para garantizar la reproducibilidad de la modificación del agente aglutinante. Primero, el agente aglutinante base de asfalto se calentó en un horno de convección forzada a 135 ± 2 °C durante 60 min para alcanzar un estado fundido estable, seguido de 30 min de equilibrio para eliminar gradientes térmicos. Todos los procesos de calentamiento se realizaron en recipientes sellados con protección de nitrógeno (flujo: 0.5 L/min) para minimizar el envejecimiento oxidativo durante el acondicionamiento térmico.

Luego se incorporó el aditivo Evotherm M1 a 135 ± 2 °C bajo agitación mecánica continua a 300 rpm durante 5 min antes del procesamiento con alta cizalladura, asegurando la dispersión inicial de la fase tensioactiva. Posteriormente, se realizó una mezcla de alta cizalladura utilizando un homogeneizador rotor-estator a 3000 rpm durante 25 min, manteniendo la temperatura del aglomerante entre 135 y 140 °C mediante un sistema de control de temperatura con baño de aceite externo (precisión ±1 °C). Durante todo el proceso de mezclado, la temperatura se monitoreó continuamente mediante un termopar calibrado de tipo K insertado en la matriz del aglomerante, y cualquier fluctuación superior a ±2 °C activó un ajuste automático del calentamiento. Luego, el aglomerante modificado se sometió a un procedimiento controlado de enfriamiento hasta 25 °C a una velocidad de 5 °C/min antes de las pruebas posteriores o el almacenamiento a corto plazo. El diseño del protocolo de cizalladura siguió la relación viscosidad-temperatura de los aglomerantes asfálticos, asegurando que todas las muestras se prepararan bajo condiciones comparables de historia de cizalladura. Este estricto control térmico-mecánico garantiza una alta repetibilidad y minimiza la variabilidad en la preparación de aglomerantes de asfalto templado (WMA).

Pruebas con reómetro de corte dinámico (DSR)
Para caracterizar la respuesta reológica y las propiedades relacionadas con la fatiga de aglomerantes asfálticos modificados con aditivos para mezclas templadas, se realizaron pruebas con reómetro de corte dinámico (DSR) utilizando un reómetro rotacional con control de temperatura, de acuerdo con la norma ASTM D7175²². La evaluación reológica se centró en el comportamiento a temperaturas intermedias, que está estrechamente asociado con la iniciación y propagación de grietas en pavimentos asfálticos.

Se adoptó el factor de fatiga G*sin δ²³, ampliamente reconocido como un indicador de la susceptibilidad a la fatiga a nivel del aglutinante, para cuantificar los cambios en el comportamiento de disipación viscoelástica inducidos por la modificación con mezcla tibia y el envejecimiento. Se realizaron ensayos de barrido de temperatura en un rango de 58–82 °C, con incrementos de temperatura de 6 °C. En cada temperatura objetivo, se permitió que las muestras alcanzaran el equilibrio durante 10 min antes de la adquisición de datos para garantizar la estabilidad térmica. Para investigar la influencia del envejecimiento en las propiedades reológicas, las muestras de aglutinante se sometieron a tres condiciones de envejecimiento: sin envejecer, envejecimiento mediante ensayo de horno de película delgada rotatoria (RTFOT) y envejecimiento combinado mediante RTFOT y recipiente de envejecimiento a presión (PAV)²⁴. Estos protocolos de envejecimiento fueron diseñados para simular el envejecimiento a corto plazo durante la producción y colocación, así como el envejecimiento a largo plazo durante la operación en servicio de la pavimentación. Se analizó la evolución de G*sin δ con la temperatura y la condición de envejecimiento para evaluar la resistencia a la fatiga de diferentes aglutinantes.

Antes de cada prueba DSR, la muestra del aglutinante se recortó cuidadosamente tras colocarla entre las placas paralelas para asegurar un perfil de borde uniforme. La muestra se acondicionó a la temperatura objetivo durante 10 min antes de la medición. Las pruebas se realizaron en un rango de 58–82 °C con incrementos de 6 °C. Se consideró válida la prueba cuando el par medido y el desplazamiento permanecieron dentro del rango de funcionamiento recomendado del instrumento, y no se observó deslizamiento visible de la muestra.

Prueba de barrido de amplitud lineal (LAS)
La caracterización del comportamiento viscoelástico se realizó de acuerdo con las especificaciones ASTM D7175 para el análisis mecánico dinámico²⁵. La metodología experimental incluyó barridos de amplitud de deformación para establecer los límites viscoelásticos lineales, seguidos de pruebas controladas por frecuencia a 10 rad/s²⁶. Las evaluaciones dependientes de la temperatura abarcaron el espectro térmico operativo de los pavimentos asfálticos (58–82 °C), ejecutadas en incrementos de 6 °C con 10 minutos de espera para alcanzar el equilibrio térmico en cada segmento isotérmico. Se empleó el protocolo AASHTO T391 para cuantificar la acumulación de daño en el ligante mediante la evolución de la energía disipada, monitoreando específicamente el factor de disipación viscoelástica (|G*|sin δ) durante la carga cíclica^27,28. Se adoptó el marco del Daño Continuo Viscoelástico Simplificado (S-VECD) para predecir los patrones de degradación de los compuestos bituminosos²⁹. El protocolo LAS realiza un barrido oscilatorio de amplitud a una frecuencia fija de 10 Hz, aplicando un aumento controlado de deformación desde 0,1 % hasta 30 % con incrementos de resolución de 0,1 %.

Los parámetros viscoelásticos clave se derivaron utilizando las siguientes ecuaciones:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

donde G''ω) es el módulo de pérdida, ω es la frecuencia angular, m y b son coeficientes de ajuste, G'ω) es el módulo de almacenamiento, G*ω) es el módulo complejo, δ(ω) es el ángulo de fase, y es el índice de viscoelasticidad.

La cuantificación del daño empleó la relación fundamental expresada en la Ecuación (4):

(4)

En la fórmula: C(t)—el parámetro de integridad, C(t)=G^* (t)/G^* (inicial), G^*—módulo complejo (MPa);

γ_0—Aplicación de deformación (%);
t—Duración del ensayo (s)

La evolución temporal del índice de daño D(t) y del coeficiente de integridad estructural C(t) se parametriza matemáticamente mediante una relación constitutiva de ley de potencias (Yuan 2024):

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

En la fórmula: C0​ representa el parámetro inicial de integridad (normalmente igual a 1), C1, C2—parámetros de ajuste.

Calcule el valor del daño por fatiga utilizando el concepto del punto máximo de tensión cortante:

(6)

Cpeak es el parámetro de integridad que corresponde al punto de tensión cortante máxima.

La fórmula de cálculo de la vida a fatiga es:

N_f = A(γ_máx)^-B (7)

En la fórmula: A, B—coeficiente relacionado con la fatiga,

A = f × (Df)^{[1 + (1 - C₂ )a] / {[1 + (1 - C₂ )a] × (πC₁ C₂ )a}} (8)

B=2a, frecuencia de carga;
γ_max — nivel máximo de deformación esperado (%)

Para garantizar la fiabilidad y la reproducibilidad de los resultados experimentales, todas las pruebas a escala de aglutinante y a escala de mezcla se realizaron con al menos 3 réplicas independientes (n = 3) por condición. Los resultados informados representan los valores medios de las mediciones replicadas. La variabilidad de los datos experimentales se evaluó utilizando la desviación estándar (SD), y se incluyen barras de error en todas las figuras relevantes para reflejar la dispersión estadística. Para los parámetros LAS–S-VECD, los índices reológicos del DSR y la vida útil a la fatiga obtenida en ensayos de flexión de cuatro puntos, se calculó adicionalmente el coeficiente de variación (COV) para evaluar la consistencia de los datos.

En todos los casos, se examinaron las diferencias estadísticas entre los ligantes modificados y no modificados para asegurar que las tendencias observadas no se deban a la dispersión experimental, sino que representen diferencias estadísticamente significativas en el comportamiento a la fatiga y reológico.

Prueba de fatiga por flexión de cuatro puntos
Para validar los indicadores de fatiga a nivel del aglutinante y establecer correlaciones entre diferentes escalas, se realizaron pruebas de fatiga por flexión de cuatro puntos en mezclas de asfalto preparadas utilizando una graduación AC-16C^30,31. La graduación del árido, densidad aparente, gravedad específica aparente, absorción de agua de cada tamaño de árido, junto con las propiedades del relleno mineral, se resumen en la Tabla 2. El contenido de asfalto de todas las mezclas se fijó en 4,8 % para garantizar la consistencia entre las diferentes formulaciones de asfalto en caliente modificado (WMA).

Tamaño del tamiz (mm)	Categoría de árido					Gradación sintética (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29,2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 19%)	Polvo mineral (5,8%)
0,075	0	0,1	0	0,9	90,8	5,5
0,15	0,1	0,1	0	4,9	95,3	6,5
0,3	0,1	0,2	0	13	98,7	8,3
0,6	0,1	0,2	0	25,2	99,7	10,6
1,18	0,1	0,2	0	47,8	100	15
2,36	0,1	0,5	0	100	100	25
4,75	0,8	15,5	98,9	100	100	46,4
9,5	15,2	99,5	100	100	100	75,2
13,2	68,4	99,8	100	100	100	90,8
16	94,8	100	100	100	100	98,5
19	100	100	100	100	100	100
Densidad relativa aparente	2,899	2,918	2,845	2,754	2,872	2,865
Densidad relativa SSD	2,854	2,847	2,816	2,691	－	2,814
Gravedad específica aparente	2,829	2,81	2,8	2,655	－	2,787
Tasa de absorción de agua del árido (%)	0,85	1,32	0,56	1,36	－	－

Tabla 2: Clasificación de los áridos en la mezcla de hormigón asfáltico en mezcla templada. La tabla 2 presenta la granulometría de los áridos en la mezcla de hormigón asfáltico en mezcla templada, incluyendo las proporciones de las diferentes fracciones de árido, el contenido de polvo mineral, la curva granulométrica sintética y las propiedades físicas de los áridos. La tabla muestra la distribución de tamaño de partícula diseñada y las características básicas de los áridos utilizados en la mezcla asfáltica.

Se realizaron ensayos de fatiga por flexión de cuatro puntos utilizando un aparato de prueba Cooper bajo condiciones de carga controlada por deformación para evaluar la durabilidad a la fatiga de mezclas de asfalto templado (WMA)³². El criterio de falla se definió como el número de ciclos de carga necesarios para que la rigidez por flexión disminuyera al 50 % de su valor inicial. De acuerdo con el protocolo de ensayo establecido³³, se aplicó una carga cíclica en forma de una onda sinusoidal continua a una frecuencia de 10 Hz bajo condiciones isotérmicas de 15 °C. Todos los ensayos se realizaron sin períodos de descanso para garantizar una entrada de energía ininterrumpida durante la carga por fatiga^34,35.

Se fabricaron especímenes en forma de viga de acuerdo con los requisitos dimensionales estándar, con una longitud de 381 ± 6,35 mm, un ancho de 63,5 ± 6,35 mm y una altura de 50,8 ± 6,35 mm³⁶³⁷. Bajo condiciones controladas por deformación, el rendimiento a fatiga se caracterizó mediante la representación de curvas características de fatiga para especímenes con diferentes formulaciones de WMA en un sistema de coordenadas doble logarítmico³⁸. Posteriormente, se estableció una relación constitutiva de ley de potencia, y se empleó un análisis de regresión no lineal para ajustar los datos de fatiga de las diversas mezclas de asfalto, proporcionando la base para el modelado posterior de la vida a fatiga y el análisis comparativo^39,40,41. El espécimen en forma de viga se montó simétricamente en el dispositivo de flexión de cuatro puntos, y se verificó el contacto entre las abrazaderas de carga y la superficie del espécimen antes de aplicar la carga. La prueba se realizó a 15 °C bajo una carga sinusoidal controlada por deformación a 10 Hz, sin periodos de descanso. El punto final de la prueba se definió como el número de ciclos en los que la rigidez a flexión disminuyó hasta el 50% de su valor inicial. Las pruebas se consideraron válidas cuando la falla ocurrió dentro de la sección útil, y no se observó deslizamiento anormal de las abrazaderas ni fractura súbita no relacionada con la fatiga. Todos los datos cuantitativos se presentan como media ± desviación estándar (media ± DE), con un tamaño de muestra n = 3 para todos los grupos experimentales, salvo que se indique lo contrario.

Resultados

Propiedades reológicas de la mezcla asfáltica tibia
La zona interfacial entre el asfalto y el árido es ampliamente reconocida como el sitio principal de inicio de las grietas por fatiga. Por consiguiente, el parámetro reológico relacionado con la fatiga G*sin δ, medido a temperaturas intermedias de servicio, se empleó para evaluar el rendimiento por fatiga de los aglutinantes de mezclas en caliente (WMA). Figura 1 presenta la variación de G*sin δ para los aglutinantes originales y modificados de mezcla caliente del Asfalto A, Asfalto B y Asfalto C. Todos los resultados cuantitativos se expresan como media ± DE basada en tres mediciones repetidas (n = 3). Se realizaron comparaciones estadísticas entre los aglutinantes originales y los modificados de mezcla tibia a la misma temperatura mediante una prueba t para muestras independientes, y las diferencias se consideraron significativas en p < 0.05. Como se muestra en Figura 1, G*sin δ disminuye continuamente con el aumento de la temperatura para todos los aglutinantes asfálticos, lo que indica una menor rigidez relacionada con la fatiga a temperaturas intermedias más elevadas. Para el Asfalto A, AP presenta un valor significativamente más alto G*sin δ valores superiores a AO en el rango de temperatura evaluado de 16–25 ˚ Cp = 0,025 (rango: 0,018–0,032), disminuyendo desde 7685 ± 126 a 2480 ± 84 kPa, mientras que AO disminuye desde 5580 ± 112 a 1535 ± 76 kPa. De manera similar, la PA muestra un aumento significativamente mayor G*sin δ valores superiores a BO desde 22 hasta 28 (p = 0,021 (rango: 0,011–0,027), con una disminución de la PA desde 7980 ± 138 a 3985 ± 105 kPa y BO disminuyendo desde 6120 ± 120 a 1725 ± 82 kPa. Estos resultados sugieren que el aditivo de mezcla tibia aumenta el factor de fatiga de los asfaltos A y B, lo que conduce a una mayor disipación de energía viscosa y una susceptibilidad potencialmente mayor a la fatiga a nivel del aglutinante. En contraste, el asfalto C muestra solo una ligera diferencia entre CO y CP; aunque CP es marginalmente mayor que CO a la misma temperatura, la diferencia no es estadísticamente significativa en la mayoría de las temperaturas (p = 0,086–0,214). Específicamente, CP disminuye de 13,420 ± 185 a 4420 ± 96 kPa, mientras que el CO disminuye desde 13,080 ± 172 a 4350 ± 91 kPa, lo que indica que el aditivo para mezcla templada tiene una influencia limitada en el comportamiento reológico relacionado con la fatiga del Asfalto C. En general, los tres aglutinantes presentan respuestas diferentes a la modificación con mezcla templada, lo que refleja la influencia del origen del asfalto en el rendimiento frente a la fatiga. Los Asfaltos A y B son más sensibles al aditivo para mezcla templada, mientras que el Asfalto C mantiene una resistencia a la fatiga relativamente estable tras la modificación.

En contraste, el asfalto C no presenta un cambio significativo en G*sin δ tras la modificación con mezcla templada, lo que indica que el aditivo para mezcla templada ejerce una influencia limitada sobre sus propiedades reológicas relacionadas con la fatiga. Esta observación sugiere que la composición química intrínseca del asfalto C domina su respuesta viscoelástica, reduciendo así la sensibilidad de los parámetros relacionados con la fatiga frente a modificaciones con aditivos. Estos resultados destacan la naturaleza dependiente de la fuente del petróleo del efecto de la modificación con mezcla templada. Los resultados del barrido de temperatura revelan tendencias reológicas consistentes para todos los ligantes ensayados. A medida que aumenta la temperatura, el factor de deformación permanente G*/sin δ disminuye continuamente, mientras que el ángulo de fase δ aumenta gradualmente, lo que indica una transición progresiva hacia un comportamiento dominado por la viscosidad. Las temperaturas elevadas intensifican el movimiento molecular dentro del ligante, debilitan las estructuras elásticas y reducen la resistencia a la deformación. Por el contrario, un mayor grado de envejecimiento conduce a valores más altos de G*/sin δ y ángulos de fase más bajos, reflejando un aumento de la rigidez y de la respuesta elástica debido al endurecimiento inducido por el envejecimiento.

Figura 1. Factor de fatiga (G*sin δ) de diferentes aglutinantes asfálticos en función de la temperatura. (A) Asfalto A (Karamay); (B) Asfalto B (CNOOC 36-1); (C) Asfalto C (PetroChina/Venezolano Boscan). AO, BO y CO indican los aglutinantes asfálticos originales, mientras que AP, BP y CP indican los aglutinantes asfálticos de mezcla tibia correspondientes. G*sin δ disminuye con el aumento de temperatura para todos los aglutinantes, mientras que la influencia de la modificación con mezcla tibia varía según el origen del aglutinante. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Estas evoluciones reológicas pueden atribuirse a los cambios composicionales de los aglomerantes asfálticos durante el envejecimiento térmico-oxidativo. Los componentes de bajo peso molecular se transforman gradualmente en estructuras de mayor peso molecular mediante reacciones de oxidación y polimerización, lo que incrementa el módulo complejo G*. Al mismo tiempo, la acumulación de productos oxidativos polares mejora el almacenamiento de energía elástica, evidenciado como una reducción en el ángulo de fase. A medida que avanza el envejecimiento, el aglomerante se vuelve cada vez más sensible a las variaciones de temperatura, y la dependencia térmica de los parámetros reológicos relacionados con la fatiga se hace más pronunciada.

En general, los resultados demuestran que la influencia de la modificación para mezclas templadas sobre las propiedades reológicas del aglomerante relacionadas con la fatiga depende fuertemente del origen del petróleo crudo. Aunque el aditivo para mezclas templadas altera el comportamiento de disipación viscoelástica de ciertos aglomerantes, su eficacia está limitada por la composición intrínseca y las características de envejecimiento del asfalto base. Estos hallazgos resaltan la necesidad de considerar las propiedades específicas del origen del petróleo al interpretar los factores de fatiga basados en DSR y al evaluar el desempeño frente a la fatiga de los aglomerantes para asfaltos de mezcla templada. El aumento relacionado con el envejecimiento en G·sen δ se cuantificó utilizando los datos brutos de DSR resumidos en la Figura 1. Los cambios porcentuales se calcularon con respecto a la condición correspondiente del aglomerante no envejecido.

Ensayo lineal de amplitud
Los parámetros clave derivados del marco S-VECD se resumen en la Tabla 3. El índice de integridad C caracteriza cuantitativamente la degradación progresiva de los aglomerantes asfálticos bajo carga mecánica cíclica, donde C = 1 representa el estado prístino, sin daño, y C = 0 corresponde a la falla estructural completa. Además, los coeficientes de regresión C₁ y C₂ describen la evolución de la integridad del material con el aumento del daño. Valores más bajos de C₁ y C₂ indican una estabilidad estructural mejorada a niveles de daño equivalentes, lo cual está directamente asociado con una mayor resistencia a la fatiga a escala del aglomerante. Como se muestra en la Tabla 3, el envejecimiento generalmente incrementa C₁ y disminuye C₂, lo que sugiere una deterioro en la evolución de la integridad del aglomerante y en su resistencia a la fatiga. El asfalto de Karamay presenta la mayor resistencia a la acumulación de daño, con los valores más bajos de C₁ y valores relativamente altos de C₂, mientras que el asfalto de CNPC muestra la tendencia opuesta, lo que indica un desempeño por fatiga más débil.

Tipo de asfalto	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
Karamay envejecido	1434103	1	0.0132	0.7412	3.00 × 10⁵	2.87 × 10⁶
CNOOC	1415228	1	0.0178	0.7112	2.25 × 10⁵	2.83 × 10⁶
CNOOC envejecido	1400364	1	0.0155	0.7349	2.28 × 10⁵	2.80 × 10⁶
CNPC	1537043	1	0.0335	0.6077	4.38 × 10⁵	3.07 × 10⁶
CNPC envejecido	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

Tabla 3: Parámetros relacionados con el método VECD. La tabla 3 resume los parámetros del modelo ajustado para tres aglomerantes asfálticos en condiciones sin envejecer y envejecidas. Las variaciones de los parámetros reflejan los efectos del tipo de asfalto y del envejecimiento sobre las características del modelo.

Figura 2 ilustra las curvas de evolución del daño de diferentes aglomerantes asfálticos en condiciones modificadas convencionales y de mezcla tibia. Bajo niveles de tensión idénticos, los sistemas de mezcla tibia (WMA) presentan una tasa de acumulación de daño notablemente menor que sus contrapartes convencionales, lo que indica una evolución del daño más favorable. Este comportamiento sugiere que la modificación de mezcla tibia optimiza el mecanismo de disipación de energía interna durante la carga cíclica, mejorando así la resistencia a la fatiga. Los cambios porcentuales en los coeficientes de tasa de daño se calcularon a partir de los parámetros S-VECD ajustados que figuran en la Tabla 3, utilizando el aglomerante no modificado como condición de referencia.

Figura 2: Características de resistencia a la fatiga en distintas formulaciones de aglomerante asfáltico. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. AO, BO y CO representan las muestras originales de asfalto, mientras que AP, BP y CP indican las muestras correspondientes de asfalto de mezcla templada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Un examen detallado de los perfiles de evolución del daño revela diferencias pronunciadas dependientes del aglomerante. El asfalto A modificado con mezcla tibia demuestra una resistencia a la fatiga superior en comparación con el aglomerante sin modificar, como lo evidencia la posición más favorable de su curva de evolución del daño. Este resultado confirma que el aditivo de mezcla tibia mejora eficazmente la durabilidad del asfalto A bajo cargas repetidas. En contraste, el asfalto B muestra una respuesta insignificante a la modificación con mezcla tibia, con ambos aglomerantes, modificado y sin modificar, siguiendo trayectorias de progresión del daño casi idénticas. Para el asfalto C, se observa una mejora dependiente de un umbral: el aglomerante modificado con mezcla tibia supera al asfalto base solo cuando la variable de daño supera las 100 unidades, lo que indica que la eficacia del aditivo se activa principalmente en etapas avanzadas de daño.

Se presentan comparaciones cuantitativas de la vida a fatiga derivadas del ensayo LAS en la Figura 3. Las variaciones observadas en el comportamiento a fatiga resaltan aún más el carácter específico del material en la interacción entre el aditivo de mezcla templada y el aglutinante, cuya eficacia está fuertemente determinada por las características composicionales intrínsecas del asfalto base. Entre los materiales investigados, el asfalto de Qinhuangdao PetroChina presenta la mayor resistencia a la fatiga, reflejando ventajas inherentes asociadas con la composición de su materia prima base. Por el contrario, el asfalto de Karamay muestra la mejora más pronunciada tras la modificación con mezcla templada, destacando el papel fundamental de las propiedades del asfalto base en la determinación del potencial de mejora del desempeño de los aditivos para mezclas templadas.

Figura 3. Comparación de la vida a la fatiga entre mezclas asfálticas en caliente (HMA) y mezclas asfálticas tibias (WMA) para los tres aglutinantes asfálticos. La vida a la fatiga difiere solo ligeramente entre WMA y HMA para los tres tipos de aglutinante. El asfalto C presenta la mayor vida a la fatiga, seguido por el asfalto A y el asfalto B. En general, los resultados indican que la modificación para mezclas tibias produce solo un efecto modesto sobre la vida a la fatiga, siendo la magnitud y dirección del cambio dependientes del tipo de aglutinante. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Aunque la modificación con mezcla tibia generalmente mejoró el rendimiento frente a la fatiga, la magnitud de la mejora fue relativamente modesta para algunos aglomerantes. Este comportamiento puede atribuirse al mecanismo del Evotherm M1, que principalmente reduce la temperatura de producción y mitiga el envejecimiento oxidativo a corto plazo, en lugar de reforzar químicamente la estructura del aglomerante. Por lo tanto, se espera que la mejora en fatiga sea moderada y fuertemente dependiente de las características intrínsecas del asfalto base. La consistencia entre las mediciones replicadas indica que las tendencias observadas son reproducibles a pesar de la magnitud limitada de la mejora. Para interpretar más a fondo el comportamiento frente a la fatiga dependiente del aglomerante desde una perspectiva química, se analizó la influencia de la composición del petróleo crudo en los parámetros S-VECD y en el rendimiento frente a la fatiga. Los tres aglomerantes presentan características composicionales distintas: unas relaciones más altas de aromáticos a saturados generalmente se asocian con una mejor redistribución del esfuerzo y un retraso en la acumulación de daño, mientras que los sistemas más ricos en asfaltenos tienden a acelerar el aumento de rigidez y reducir la resistencia a la fatiga.

En este estudio, el asfalto basado en Karamay presenta una fracción aromática relativamente más alta y un contenido de saturados más bajo, lo que corresponde a tasas de evolución del daño menores (valores reducidos de C₁) y una mayor vida a fatiga tanto en ensayos LAS como a escala de mezcla. En contraste, el aglutinante derivado de PetroChina muestra una proporción más equilibrada, pero relativamente más alta, de saturados, lo que conduce a un comportamiento intermedio de acumulación de daño S-VECD. El asfalto derivado de CNOOC, con fracciones relacionadas con mayor polaridad inferidas a partir de las características del crudo de origen, muestra un crecimiento más rápido de la rigidez bajo carga cíclica, reflejado en valores más altos de C₁ y una vida a fatiga reducida. Estos resultados sugieren que el equilibrio entre aromáticos y saturados rige las vías de disipación de energía viscoelástica y la evolución del daño microestructural, influyendo así directamente en los parámetros S-VECD y la resistencia a la fatiga. En general, los resultados actuales deben considerarse como un marco basado en mecanismos pero condicionado por las condiciones de contorno, más que como un modelo predictivo completamente universal para todos los sistemas de asfalto.

Resistencia a la fatiga a escala de mezcla
Se evaluó sistemáticamente la resistencia a la fatiga de mezclas de asfalto que incorporan diferentes tecnologías de asfalto templado (WMA), y los resultados correspondientes de las pruebas de fatiga se resumen en la Tabla 4. Estos datos cuantifican la resistencia de las mezclas de asfalto bajo cargas cíclicas y revelan diferencias notorias en la durabilidad a la fatiga entre las formulaciones de WMA estudiadas. La variabilidad observada indica que el comportamiento frente a la fatiga a escala de mezcla depende fuertemente de la composición del material y de la tecnología de mezcla templada.

Tipo de asfalto	ID de muestra	Porosidad (%)	Nivel de deformación (με)	Vida útil por fatiga (ciclos)
Karamay	1	4.5	100	22,36,902
	2	4.3	100	18,30,625
	3	3.7	100	19,49,138
	4	4.5	150	3,06,655
	5	5.3	150	3,97,762
	6	4.9	150	2,98,042
CNOOC	1	4.2	200	52,315
	2	5.1	200	58,828
	3	5.3	200	67,762
	4	3.8	75	6,47,145
	5	4.3	75	5,63,675
	6	4.5	75	6,91,698
CNPC	1	3.6	100	47,343
	2	4.1	100	24,149
	3	4.7	100	18,495
	4	3.5	200	4,412
	5	4.1	200	2,269
	6	4.7	200	3,299

Tabla 4: Resultados de las pruebas de fatiga de mezclas de asfalto con diferentes tecnologías de mezcla en caliente (WMA). La Tabla 4 resume los resultados de las pruebas de fatiga de mezclas de asfalto con distintas tecnologías de mezclado en caliente, incluyendo la vida a fatiga y los parámetros de rendimiento relacionados bajo diversas condiciones de ensayo. Los resultados muestran las diferencias en la resistencia a la fatiga entre las mezclas de asfalto en caliente y proporcionan una base para evaluar su desempeño a la fatiga.

El comportamiento a la fatiga de los compuestos bituminosos se modela matemáticamente mediante la Ecuación (9), que cuantifica la degradación del esfuerzo cíclico en materiales para pavimentos. Esta relación formaliza la respuesta a la fatiga de las formulaciones de asfalto bajo condiciones de carga repetida, sirviendo como un marco computacional para el análisis de durabilidad:

(9)

En la fórmula: N_f——Vida a fatiga de la mezcla asfáltica;
ε——deformación;
k, n——coeficiente.

Basándose en la Ecuación (9), se realizó un análisis de regresión para cada mezcla de asfalto con el fin de calibrar los parámetros correspondientes del modelo de fatiga. Los coeficientes resultantes k y n proporcionan una representación cuantitativa de las características de degradación por fatiga específicas de cada mezcla y permiten la comparación directa del comportamiento a fatiga entre diferentes formulaciones de WMA. Los parámetros calibrados de la ecuación de fatiga se resumen en la Tabla 5.

Tipos de asfalto	Ecuación de fatiga	k	n	R2
A	y = 2.463 × 1016x−5.029​	2.463 × 1016	5.029	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

Tabla 5: Parámetros de la ecuación de fatiga de mezclas de asfalto con diferentes tecnologías de mezcla en caliente (WMA). La Tabla 5 resume los parámetros de la ecuación de fatiga de mezclas de asfalto con distintas tecnologías de mezclado en caliente, incluyendo los coeficientes de regresión y los parámetros del modelo utilizados para describir la relación entre la vida a fatiga y las condiciones de carga. Estos parámetros proporcionan una base cuantitativa para predecir el comportamiento a fatiga y comparar la resistencia a la fatiga de diferentes mezclas de asfalto en caliente.

Figura 4 presenta las relaciones entre vida a la fatiga y deformación para mezclas de asfalto con diferentes tipos de WMA, basadas en los modelos de fatiga ajustados. Como era de esperar, la vida a la fatiga de todas las mezclas disminuye sistemáticamente con el aumento de la amplitud de deformación, lo cual es consistente con el comportamiento clásico a la fatiga de los compuestos bituminosos. El análisis comparativo de las curvas de fatiga revela una jerarquía clara en la resistencia a la fatiga de las mezclas, con un orden general de rendimiento determinado como Material C > Material A > Material B. Esta clasificación refleja la capacidad relativa de cada mezcla para soportar ciclos repetidos de carga antes de la falla y es coherente con los parámetros de regresión resumidos en Tabla 5.

Figura 4: Patrones de fatiga de mezclas de asfalto con diferentes tipos de mezclado en caliente. Como se muestra en la Figura 4, la vida a fatiga de todas las mezclas de asfalto disminuyó con el aumento del nivel de deformación. Entre las tres mezclas de asfalto mezcladas en caliente, la mezcla C presentó la mayor resistencia a la fatiga, seguida por las mezclas A y B. La vida a fatiga significativamente mayor de la mezcla C indica que esta tecnología de mezclado en caliente mejora eficazmente la resistencia de las mezclas de asfalto al acumulamiento de daños por fatiga. Haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

En condiciones equivalentes de vacíos de aire, la tecnología de mezclas en caliente a temperatura reducida (WMA) proporciona beneficios notables en el rendimiento frente a la fatiga al reducir las temperaturas de producción y compactación en aproximadamente 20–30 °C. Esta reducción de temperatura mitiga el envejecimiento oxidativo a corto plazo de los aglomerantes asfálticos, que es un factor principal de la fragilización a largo plazo. Al preservar la viscoelasticidad del aglomerante y su capacidad de disipación de tensiones, la WMA suprime la iniciación y propagación de microgrietas bajo cargas cíclicas. En consecuencia, se reduce el daño acumulativo por fatiga, lo que resulta en una mayor vida útil a la fatiga de la mezcla y una mejor durabilidad del pavimento. Estas ventajas son fundamentales para prolongar la vida útil, reducir las necesidades de mantenimiento y permitir el desarrollo de infraestructuras de pavimentación más duraderas y rentables. Para examinar la consistencia entre el comportamiento a la fatiga a escala de aglomerante y a escala de mezcla, se analizaron las correlaciones entre el factor de fatiga del aglomerante G*sin δ y la vida útil a la fatiga de la mezcla N_f, como se muestra en Figura 5. Se observa una relación estadísticamente significativa para todos los aglomerantes, lo que indica que las propiedades reológicas del aglomerante ejercen una influencia medible sobre el rendimiento a la fatiga de la mezcla. En particular, el aglomerante B muestra una correlación excepcionalmente fuerte (R² = 0.99, p < 0.001), lo que sugiere que G*sin δ sirve como un predictor confiable de la vida útil a la fatiga de la mezcla para este material. En contraste, los aglomerantes A y C presentan correlaciones comparativamente más débiles (R² = 0.6051 y 0.7933), lo que implica que la reología del aglomerante por sí sola no puede capturar completamente el comportamiento a la fatiga de la mezcla en estos sistemas.

Figura 5: Correlación entre el factor de fatiga del asfalto G*sin δ y la vida útil a fatiga de la mezcla N_f. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. La figura 5 indica que G∗sinδ presenta una correlación positiva con la vida útil a fatiga de la mezcla, siendo el asfalto B el que muestra la mayor consistencia, seguido por el asfalto C y el A. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Se realizó una validación adicional entre escalas mediante la correlación de los parámetros de evolución del daño del aglomerante obtenidos a partir de pruebas LAS, interpretadas utilizando el marco del Daño Continuo Viscoelástico Simplificado (S-VECD), con la vida a fatiga de la mezcla. Como se ilustra en Figura 6, se observan fuertes correlaciones lineales entre la degradación progresiva del aglomerante y el comportamiento a fatiga de la mezcla. Para los tres aglomerantes, los coeficientes de correlación superan 0,9, lo que demuestra un vínculo sólido y consistente entre las características de daño a nivel del aglomerante y la resistencia a fatiga a escala de la mezcla.

Figura 6: Correlación entre el daño por fatiga del asfalto y la vida útil por fatiga de la mezcla N_f. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. Como se muestra en la Figura 6, el daño por fatiga del asfalto mostró una fuerte correlación positiva con la vida útil por fatiga Nf de las mezclas asfálticas. Se obtuvieron altos coeficientes de determinación para los asfaltos A, B y C, lo que indica que los parámetros de daño por fatiga pueden caracterizar eficazmente el comportamiento por fatiga de las mezclas asfálticas. En comparación con el factor convencional de fatiga del ligante G∗sinδ, el daño por fatiga proporciona una representación más directa del comportamiento de deterioro por fatiga de las mezclas asfálticas. Haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

En general, los resultados de fatiga a escala de mezcla confirman que el rendimiento ante fatiga está regido conjuntamente por la composición de la mezcla, la tecnología de mezcla tibia y las características del ligante. Aunque los indicadores reológicos convencionales ofrecen una capacidad predictiva limitada para ciertos ligantes, las métricas de daño basadas en LAS–S-VECD muestran correlaciones fuertes y consistentes con la vida útil a fatiga de la mezcla. Estos hallazgos validan la caracterización del daño a escala del ligante como un sustituto eficaz para evaluar la durabilidad de la mezcla y proporcionan una base mecanicista para el diseño de pavimentos basado en el rendimiento. Las respuestas claramente diferentes de los tres ligantes asfálticos a la modificación con mezcla tibia pueden atribuirse fundamentalmente a variaciones en su composición química derivada del crudo y en las estructuras coloidales resultantes. Por lo general, los ligantes asfálticos se consideran sistemas coloidales compuestos por asfaltenos dispersos en una fase de malténicos que incluye aromáticos, resinas y saturados. El equilibrio entre estas fracciones rige la sensibilidad del ligante a modificadores externos, como los aditivos para mezclas tibias. En el caso del asfalto Karamay (Ligante A), el contenido relativamente alto de resinas y la baja fracción de parafinas conducen a una red de asfaltenos más dispersa con una estabilidad estructural interna más débil. En este sistema, la introducción del aditivo para mezcla tibia altera significativamente la viscosidad y la movilidad molecular, lo que resulta en una mayor disipación de energía y valores incrementados de G*sin δ. Esto indica que el aditivo modifica activamente la interacción entre fases internas, haciendo que el ligante sea más susceptible a la deformación cíclica y, por tanto, acelerando la acumulación de daño por fatiga a escala del ligante.

En contraste, el asfalto derivado de CNOOC (aglutinante B) presenta una composición más equilibrada basada en naftenos, con una estructura coloidal estable. El equilibrio entre asfaltenos y resinas en este aglutinante proporciona una red interna relativamente robusta, que limita la penetración y la influencia estructural del aditivo de mezcla templada. Como resultado, se observan cambios mínimos en el comportamiento reológico y en la evolución del daño, lo que indica que el efecto del aditivo está en gran medida restringido por la estabilidad intrínseca de la microestructura del aglutinante. En el caso del asfalto derivado de PetroChina (aglutinante C), las fracciones relacionadas con mayor polaridad y la mayor complejidad de los asfaltenos dan lugar a una microestructura más rígida y propensa a la agregación. En este caso, el aditivo de mezcla templada parece exhibir un comportamiento de activación dependiente de un umbral, en el que su influencia solo se vuelve más pronunciada tras una acumulación significativa de daño. Esto sugiere que el aditivo no interactúa fuertemente con la estructura coloidal inicial, sino que afecta el proceso de evolución del daño en etapas posteriores al modificar las vías de redistribución de tensiones.

En general, estos resultados demuestran que la eficacia de la modificación con mezcla tibia no es universal, sino que está fuertemente determinada por la estabilidad coloidal intrínseca y la composición química del asfalto base. Las diferencias observadas en la evolución del daño S-VECD y en el rendimiento ante fatiga de la mezcla pueden vincularse directamente a la heterogeneidad microestructural de los tres aglutinantes, lo que proporciona una explicación mecanicista del comportamiento dependiente de la fuente del petróleo observado tanto en las pruebas reológicas como en las de fatiga.

DISPONIBILIDAD DE LOS DATOS:
Todos los datos, modelos y códigos generados o utilizados durante el estudio están disponibles en la carpeta suplementaria denominada “Raw data”.

Discusión

Este estudio propone un marco de evaluación de fatiga multiescala que integra pruebas de barrido de amplitud lineal (LAS) a nivel de ligante con el modelo de daño viscoelástico continuo simplificado (S-VECD) y pruebas de fatiga por flexión de cuatro puntos a nivel de mezcla, con el fin de establecer una conexión mecanicista entre la evolución del daño del ligante asfáltico y el comportamiento a fatiga de la mezcla. A diferencia de los enfoques convencionales de evaluación de fatiga que dependen principalmente de indicadores reológicos empíricos, como G*·sin δ, el marco propuesto utiliza parámetros relacionados con el daño derivados de la mecánica del daño continuo para caracterizar el comportamiento intrínseco de degradación de los ligantes asfálticos bajo cargas cíclicas. Al incorporar el origen del crudo del asfalto como un factor influyente, este estudio demuestra además que la eficacia de la modificación para mezclas templadas no es universal, sino que depende fuertemente de la composición química y de la estructura coloidal del ligante base. Estos hallazgos aportan nuevas perspectivas sobre la interacción entre la fuente de crudo, los aditivos para mezclas templadas, la susceptibilidad al envejecimiento y la resistencia a la fatiga, estableciendo así un enfoque más basado en principios mecanicistas para la evaluación de materiales asfálticos. Estudios previos han destacado el potencial del análisis LAS–S-VECD para la caracterización de fatiga en ligantes; sin embargo, su aplicabilidad directa para predecir el comportamiento a fatiga a escala de mezcla sigue siendo objeto de investigación continua. El presente trabajo contribuye a este campo de investigación mediante la validación de la relación multiescala entre la evolución del daño en el ligante y el comportamiento a fatiga de la mezcla en múltiples sistemas de ligantes.

El marco propuesto mejora la comprensión científica de los mecanismos de fatiga del asfalto al cerrar la brecha entre la caracterización reológica a escala del ligante y el comportamiento estructural a escala de la mezcla. Los métodos tradicionales de evaluación del ligante suelen proporcionar información limitada sobre la acumulación progresiva del daño por fatiga, ya que parámetros como el módulo complejo y el ángulo de fase describen principalmente respuestas viscoelásticas instantáneas, no la evolución del daño. En contraste, el enfoque S-VECD considera a los ligantes asfálticos como materiales viscoelásticos que se degradan continuamente y ofrece descriptores cuantitativos de la pérdida de integridad estructural durante la carga por fatiga. Las fuertes correlaciones obtenidas entre los parámetros LAS–S-VECD y la vida útil a fatiga de la mezcla en este estudio indican que la evolución del daño a nivel del ligante puede proporcionar información significativa respecto a la etapa inicial de fisuración de la mezcla. Hallazgos similares han sugerido que los parámetros mecanicistas basados en el daño podrían ofrecer una capacidad predictiva superior en comparación con los índices reológicos convencionales. Por lo tanto, este estudio amplía la investigación actual sobre la fatiga del asfalto al aportar evidencia experimental de que la mecánica del daño a escala del ligante puede servir como un puente hacia el diseño de materiales para pavimentos basado en el rendimiento.

A pesar de los resultados prometedores, deben reconocerse varias limitaciones. En primer lugar, la investigación actual se realizó utilizando tres aglomerantes asfálticos derivados de fuentes específicas de petróleo crudo y una granulometría de árido; por lo tanto, la universalidad de la relación propuesta requiere una validación adicional mediante un rango más amplio de aglomerantes, tecnologías de modificación y diseños de mezclas. Aunque los aglomerantes seleccionados representan materiales típicos de pavimentación utilizados en la práctica ingenieril, los materiales asfálticos presentan una variabilidad considerable debido a diferencias en el origen del crudo, el proceso de refinación y la composición química. En segundo lugar, las pruebas de fatiga en laboratorio se realizaron bajo condiciones controladas de temperatura y carga, mientras que las estructuras reales de pavimento experimentan factores ambientales complejos, incluyendo fluctuaciones térmicas, infiltración de humedad, variabilidad de las cargas de tráfico y envejecimiento a largo plazo. En tercer lugar, aunque los parámetros LAS–S-VECD mostraron fuertes correlaciones con el comportamiento a fatiga de la mezcla, el conjunto de datos actual es insuficiente para establecer un modelo predictivo universal aplicable a todos los sistemas asfálticos. Por lo tanto, estudios futuros deberían incorporar bases de datos más amplias y observaciones del comportamiento en campo para mejorar aún más la solidez y la transferibilidad del enfoque propuesto.

También se pueden considerar enfoques alternativos para investigar más a fondo la relación entre la evolución del daño del aglutinante y el rendimiento del material frente a la fatiga. Por ejemplo, técnicas avanzadas de caracterización química, incluida la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la resonancia magnética nuclear (NMR) y la simulación de dinámica molecular, podrían proporcionar información adicional sobre los mecanismos moleculares que rigen el comportamiento frente a la fatiga dependiente de la fuente del aceite. Estudios previos han demostrado que las variaciones en la estructura molecular del asfalto, incluida la agregación de asfaltenos, la distribución de compuestos aromáticos y las interacciones relacionadas con la polaridad, influyen significativamente en la respuesta reológica y en la susceptibilidad al envejecimiento. Además, técnicas avanzadas de imagen, como la microscopía de fuerza atómica (AFM) y los métodos de caracterización basados en rayos X, podrían emplearse para observar directamente la evolución microestructural durante la acumulación de daño por fatiga. Combinar estos enfoques con el análisis LAS–S-VECD podría proporcionar una comprensión más completa de la relación entre la estructura molecular, la mecánica del daño del aglutinante y el rendimiento macroscópico del pavimento.

La metodología propuesta basada en LAS–S-VECD tiene aplicaciones potenciales importantes en varias áreas de la ingeniería de pavimentos asfálticos y la ciencia de materiales. Desde una perspectiva práctica, este marco puede utilizarse como una herramienta eficiente de cribado para evaluar aglutinantes candidatos, seleccionar aditivos adecuados para mezclas templadas y evaluar la sensibilidad al envejecimiento antes de realizar experimentos de fatiga a escala de mezcla que consumen mucho tiempo. En comparación con las especificaciones empíricas tradicionales, el enfoque propuesto proporciona una base mecanicista para el diseño de pavimentos orientado al rendimiento, vinculando directamente las características de daño del aglutinante con la durabilidad estructural. Esto es particularmente valioso para las tecnologías de pavimentación sostenible, donde la creciente aplicación de asfaltos en mezcla templada, materiales reciclados y aglutinantes alternativos requiere métodos confiables para predecir el rendimiento a largo plazo. Además, la metodología podría contribuir al desarrollo de sistemas de diseño de pavimentos basados en datos al proporcionar descriptores físicamente significativos de fatiga que pueden integrarse con modelos predictivos y marcos de evaluación del ciclo de vida.

La investigación futura debería centrarse en ampliar la aplicabilidad del marco propuesto hacia predicciones más completas y orientadas al campo del desempeño de pavimentos. Los estudios futuros deberían incluir bases de datos más amplias de ligantes que cubran diferentes fuentes de crudo, ligantes modificados con polímeros, materiales de asfalto reciclado y modificadores sostenibles emergentes, con el fin de establecer modelos de predicción de fatiga más generalizados. Además, la integración del análisis LAS–S-VECD con métodos de caracterización multiescala, enfoques de inteligencia artificial y simulaciones a nivel molecular podría mejorar aún más la comprensión y la precisión predictiva del comportamiento a fatiga del asfalto. También se debería incorporar el monitoreo prolongado en campo y pruebas aceleradas de pavimentos para validar las predicciones basadas en laboratorio bajo condiciones reales de servicio. En última instancia, se espera que la combinación de modelado mecanicista del daño, caracterización avanzada de materiales y estrategias de diseño basadas en el desempeño facilite el desarrollo de sistemas de pavimentación asfáltica más duraderos, sostenibles y confiables.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Agente aglutinante A / AO, asfalto Karamay	Origen de petróleo crudo Karamay, China	N/A	Aglutinante asfáltico base
Agente aglutinante B / BO, asfalto CNOOC 36-1	Origen de petróleo crudo marino CNOOC 36-1, China	N/A	Aglutinante asfáltico base
Agente aglutinante C / CO, asfalto PetroChina	Origen basado en petróleo crudo venezolano Boscan de PetroChina	N/A	Aglutinante asfáltico base
Aditivo para mezcla tibia Evotherm M1	Ingevity / MeadWestvaco	Evotherm M1	Aditivo para preparación de aglutinante de mezcla tibia (WMA)
Rheómetro de cizallamiento dinámico	Malvern	Kinexus DSR+	Utilizado para barridos de temperatura en DSR y pruebas LAS
Dispositivo de prueba de horno de película delgada rotatorio	Shanghai Changji	SYD-0610	Utilizado para envejecimiento a corto plazo
Recipiente de envejecimiento por presión	InstroTek	PAV-9300	Utilizado para envejecimiento a largo plazo
Sistema de prueba de fatiga por flexión de cuatro puntos	Cooper Research Technology	SA4PT	Utilizado para pruebas de fatiga en mezclas controladas por deformación
Marco de análisis S-VECD	análisis de datos	N/A	Utilizado para calcular parámetros de daño derivados de LAS
Software de análisis de datos	Origin	OriginPro 2024	Utilizado para ajuste por regresión, análisis de correlación y elaboración de gráficos