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.
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Artículo de investigación
Caracterización multiescala del daño por fatiga en mezclas asfálticas tibias basada en ensayos de barrido de amplitud lineal y flexión en cuatro puntos
En este artículo
Resumen
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 temperatura5,6. 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 servicio11,12. 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 fatiga17,18,19. 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.
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Protocolo
Materiales
Los tres aglomerantes asfálticos seleccionados en este estudio, resumidos en Tabla 1, son aglomerantes para pavimentos representativos derivados de diferentes fuentes de petróleo crudo y que se han utilizado ampliamente en la ingeniería vial práctica en China. El asfalto Karamay, el asfalto CNOOC 36-1 y el asfalto PetroChina difieren notablemente en origen de 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 la mezcla, mejorando así la relevancia ingenieril del marco propuesto para la caracterización de fatiga de múltiples escalas. Los orígenes geológicos detallados y las características químicas 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 presenta propiedades distintivas, incluyendo bajo contenido de parafina (<2%), concentración mínima de azufre y alta composición de resinas. Cabe destacar que el asfalto Karamay es el único aglutinante para pavimentos con una gravedad específica inferior a 1 g/cm3 en las aplicaciones de ingeniería actuales, y destaca por su viscosidad dinámica superior y 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 crudo pesado raro extraído del campo petrolero offshore Suizhong 36-1, con un alto rendimiento 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.
Agente aglutinante C: Formulado principalmente utilizando crudo pesado venezolano Boscan como materia prima base, logrando un rendimiento de producción del 60 % mediante procesos especializados de refinación. Este petróleo crudo presenta características geoquímicas únicas, incluyendo alto contenido ácido, concentraciones significativas de metales pesados y una marcada tendencia a la formación de residuos de carbono. El aglutinante muestra una composición atípica de hidrocarburos, caracterizada por bajas fracciones de hidrocarburos saturados, complejos de resinas y asfaltenos enriquecidos, 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 datos comparativos detallados en la Tabla 1. 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 de WMA implicó un protocolo estrictamente controlado en múltiples etapas, diseñado para garantizar la reproducibilidad de la modificación del agente aglutinante. Primero, el 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 térmico para eliminar gradientes térmicos. Todos los procesos de calentamiento se realizaron en recipientes sellados con protección de nitrógeno (caudal: 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 cizallamiento elevado, asegurando la dispersión inicial de la fase tensioactiva. Posteriormente, se realizó la mezcla con cizallamiento elevado utilizando un homogeneizador rotor–estator a 3000 rpm durante 25 min, manteniendo simultáneamente la temperatura del aglomerante entre 135–140 °C mediante un sistema de control de temperatura con baño de aceite externo (precisión de ±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 cizallamiento siguió la relación viscosidad–temperatura de los aglomerantes asfálticos, asegurando que todas las muestras se prepararan bajo condiciones comparables de historia de cizallamiento. Este estricto control térmico–mecánico garantiza una alta repetibilidad y minimiza la variabilidad en la preparación de aglomerantes de asfalto modificado con aditivos.
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 fatiga 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 ligante, para cuantificar los cambios en el comportamiento de disipación viscoelástica inducidos por la modificación con mezcla tibia y el envejecimiento. Se realizaron pruebas 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 ligante se sometieron a tres condiciones de envejecimiento: sin envejecer, envejecimiento mediante ensayo de horno de película delgada rotatorio (RTFOT) y envejecimiento combinado RTFOT y envejecimiento en recipiente de 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 ligantes.
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 de temperatura operativa 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 cíclica27,28. 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 %.
Se obtuvieron los parámetros viscoelásticos clave 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 × DC2 (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 para el cálculo de la vida a la fatiga es:
Nf = A(γmax)-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;
γmax — 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 reportados 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 a 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 dispersión experimental, sino que representen diferencias estadísticamente significativas en el comportamiento a 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-16C30,31. La graduación de los áridos, la densidad aparente, la gravedad específica aparente y la 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 diferentes formulaciones de asfalto en frío (WMA).
| Tamaño del tamiz (mm) | Categoría de agregado | 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 agregado (%) | 0,85 | 1,32 | 0,56 | 1,36 | － | － |
Tabla 2: Clasificación de los áridos en la mezcla de asfalto templado. La tabla 2 presenta la granulometría de los áridos en la mezcla de asfalto templado, 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 granulométrica 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 controladas por deformación para evaluar la durabilidad a la fatiga de mezclas de asfalto en mezcla tibia (WMA)32. El criterio de falla se definió como el número de ciclos de carga necesarios para que la rigidez flexional 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 fatiga34,35.
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 comparativo39,40,41. 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 el 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.
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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 utilizó para evaluar el rendimiento a la fatiga de los ligantes de mezcla asfáltica en caliente (WMA). Figura 1 presenta la var...
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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 indicado...
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Divulgaciones
Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de intereses.
Agradecimientos
Agradecemos al Departamento de Transporte de la Provincia de Zhejiang por el proyecto importante de I&D. Esta investigación fue financiada por un proyecto importante de I&D del Departamento de Transporte de la Provincia de Zhejiang (ZJXL-SJT-202316A).
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Materiales
| 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 |
Referencias
- Autelitano F, Bianchi F, Giuliani F. Airborne emissions of asphalt/wax blends for warm mix asphalt production. J Clean Prod. 2017;164:749-756.
- Bairgi BK, Mannan UA, Tarefder RA. Influence of foaming on tribological and rheological characteristics of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2019;205:186-195.
- Chen H, Bahia HU. Modeling effects of aging on asphalt binder fatigue using complex modulus and the Linear Amplitude Sweep test. Int J Fatigue. 2021;146:106150.
- Cui B, Gu X, Hu D, et al. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. J Clean Prod. 2020;259:120629.
- Diab A, You Z. Rheological characteristics of nano-sized hydrated lime-modified foamed warm mix asphalt. Pavement Materials, Structures, and Performance. 2014:79-89.
- Dong F, Yu X, Wang T, et al. Influence of base asphalt aging levels on the foaming characteristics and rheological properties of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2018;177:43-50.
- Fang Y, Zhang Z, Zhang H, et al. Analysis of wetting behavior and its influencing factors of rejuvenator/old asphalt interface based on surface wetting theory. Constr Build Mater. 2022;314:125674.
- Ferrotti G, Mancinelli E, Passerini G, et al. Comparison of energy and environmental performance between warm and hot mix asphalt concrete production: A case study. Constr Build Mater. 2024;418:135453.
- Gao Z, Fu H, Chen Q, et al. Rheological properties and viscosity reduction mechanism of SBS warm-mix modified asphalt. Pet Sci Technol. 2020;38(6):556-564.
- Ge J, Yu H, Qian G, et al. Enhancement mechanism of aggregate surface roughness structure on interfacial properties of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;449:138388.
- Guo M, Tan Y, Wang L, et al. A state-of-the-art review on interfacial behavior between asphalt binder and mineral aggregate. Front Struct Civ Eng. 2018;12:248-259.
- Hu J, Ma T, Yin T, et al. Foamed warm mix asphalt mixture containing crumb rubber: Foaming optimization and performance evaluation. J Clean Prod. 2022;333:130085.
- Huang W, Guo Y, Zheng Y, et al. Chemical and rheological characteristics of rejuvenated bitumen with typical rejuvenators. Constr Build Mater. 2021;273:121525.
- Wang C, Chen Y, Xie W. A comparative study for fatigue characterization of asphalt binder using the linear amplitude sweep test. Mater Struct. 2020;53:101.
- Jiang Q, Li N, Yang F, et al. Rheology and volatile organic compounds characteristics of warm-mix flame retardant asphalt. Constr Build Mater. 2021;298:123691.
- Kheradmand B, Muniandy R, Hua LT, et al. An overview of the emerging warm mix asphalt technology. Int J Pavement Eng. 2014;15(1):79-94.
- Li B, Li N, Yu X, et al. Evaluation of the field-aged performance of foamed warm mix asphalt: Comparisons with hot mix asphalt. Case Stud Constr Mater. 2023;18:e01750.
- Doković K, Tošović S, Janković K, Šušić N. Physical-mechanical properties of cement stabilized RAP/crushed stone aggregate mixtures. Teh Vjesn. 2019;26(2):385-390.
- Liu H, Zhang Z, Li N, et al. Effect of organic montmorillonite on rheological properties of sasobit warm-mix asphalt and analysis of its ultraviolet aging behaviors. J Mater Civ Eng. 2022;34(12):04022339.
- Liu N, Liu L, Li M, et al. A comprehensive review of warm-mix asphalt mixtures: Mix design, construction temperatures determination, performance, and life-cycle assessment. Road Mater Pavement Des. 2024;25(7):1381-1425.
- Madeira NC, Ferreira PDS, Allochio Filho JOF, et al. Study of thermal aging of model compounds present in asphalt cement by GC/MS, ESI-MS, NMR, and FTIR. Energy Fuels. 2021;35(18):14553-14568.
- Menapace I, Cucalon LG, Kaseer F, et al. Application of low-field nuclear magnetic resonance to evaluate asphalt binder viscosity in recycled mixes. Constr Build Mater. 2018;170:725-736.
- Pouranian MR, Notani MA, Tabesh MT, et al. Rheological and environmental characteristics of crumb rubber asphalt binders containing non-foaming warm mix asphalt additives. Constr Build Mater. 2020;238:117707.
- Qu X, Wang D, Wang L, et al. The State-of-the-Art Review on Molecular Dynamics Simulation of Asphalt Binder. Adv Civ Eng. 2018;1:4546191.
- Sabouri M, Mirzaiyan D, Moniri A. Effectiveness of Linear Amplitude Sweep (LAS) asphalt binder test in predicting asphalt mixtures fatigue performance. Constr Build Mater. 2018;171:281-290.
- Shi C, Ge J, Yu H, et al. Interfacial adhesion properties and debonding mechanisms in rejuvenated asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;425:135973.
- Sukhija M, Saboo N, Pani A. Effect of warm mix asphalt (WMA) technologies on the moisture resistance of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2023;369:130589.
- Sun X, Guo D, Li J, et al. Compaction Characteristics of a Foam Asphalt Hot In-Place Recycling Asphalt Mixture. Buildings. 2023;14(1):58.
- Tang N, Yang K-K, Alrefaei Y, et al. Reduce VOCs and PM emissions of warm-mix asphalt using geopolymer additives. Constr Build Mater. 2020;244:118338.
- Wang W, Cheng H, Sun L, et al. Multi-performance evaluation of recycled warm-mix asphalt mixtures with high reclaimed asphalt pavement contents. J Clean Prod. 2022;377:134209.
- Xia W, Dong M, Xu T. Synergistic suppressions of porous warm mix agent and composite flame retardant on combustion and fume release of asphalt pavement. J Clean Prod. 2024;443:141003.
- Xiu M, Wang X, Morawska L, et al. Emissions of particulate matters, volatile organic compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons from warm and hot asphalt mixes. J Clean Prod. 2020;275:123094.
- Zhang M, Li W, Li Y, Ma Q, Zhao G. Preparation of low rolling resistance modified asphalt and analysis of its rolling resistance and viscoelasticity. Teh Vjesn. 2021;28(4):1297-1305.
- Yao Y, Chen H, Li G, et al. Effect of asphalt surface properties and genetic components on ice-asphalt interface adhesion behaviors. Constr Build Mater. 2025;471:140635.
- Yu S, Shen S, Steger R, et al. Effect of warm mix asphalt additive on the workability of asphalt mixture: From particle perspective. Constr Build Mater. 2022;360:129548.
- Yuan H, Liu J, Ding H, et al. Evaluation of physical hardening of wax-based warm mix asphalt binders from low-temperature rheological properties. Constr Build Mater. 2024;419:135496.
- Zhang S, Wang D, Guo F, et al. Properties investigation of the SBS modified asphalt with a compound warm mix asphalt (WMA) fashion using the chemical additive and foaming procedure. J Clean Prod. 2021;319:128789.
- Medjdoub A, Abdessemed M. Tests on the influence of cyclic loading and temperature on the behavior of flexible pavement reinforced by geogrids with numerical simulation. Teh Vjesn. 2023;30(2):521-529.
- Milad A, Babalghaith AM, Al-Sabaeei AM, et al. A comparative review of hot and warm mix asphalt technologies from environmental and economic perspectives: towards a sustainable asphalt pavement. Int J Environ Res Public Health. 2022;19(22):14863.
- Zhang F, Zhu J, Sun Y, et al. Effect analysis of using tall oil pitch (TOP) to partially extend bitumen in asphalt pavements: Comparison of different TOPs. Road Mater Pavement Des. 2025:1-20.
- Zhang F, Cannone Falchetto A, Wang D, et al. Prediction of asphalt rheological properties for paving and maintenance assistance using explainable machine learning. Fuel. 2025;396:135319.
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