Propuesta de Mejora en la Determinación del Grado de Desempeño de los Asfaltos
(PG)
Ing. J. Rafael Menéndez A., Ph.D, P.E.
Fugro Roadware, Inc.
Austin, Texas
Contenido
• Sistema de clasificación por desempeño
• Ecuaciones del SHRP y LTPPBind
• LTPPBind en línea
• Limitaciones del LTPPBind
• Procedimiento propuesto
Introducción
• El Sistema de clasificación de cementos asfálticospor grado de desempeño fue introducido porSUPERPAVE
• Los asfaltos son seleccionados en base al clima enel cual el pavimento se desempeñará.
• El PG especifica la temperatura máxima y la temperatura minima de Servicio del pavimento.
• La temperatura alta se calcula a 20 mm de profundidad y la temperature baja en la superficie.
Introducción• La temperatura en la superficie del pavimento es una
compleja interacción entre el aire, el material, la radiación solar y eventualmente el agua o la nieve que puede estar presente.
Sistema de Clasificaciónpor Desempeño-PG
Clasificación por Desempeño PG
• Se basa en valores de temperatura alta y baja
M 320, PG 64-16 Temperatura alta temperatura baja
• En AASHTO 320 estos valores son corregidos porvolumen y velocidad de tráfico.
• En AASHTO 332 se adiciona una letra a la denominación PG.
M 332, PG 64 S-16
Ecuaciones SHRP y LTPPBind
Ecuaciones SHRP y LTPPBind
• Las primeras ecuaciones fueron desarrolladas porSHRP sobre una base limitada de estacionesmetereológica.
• Posteriormente se corrigen las ecuaciones con la información del Programa de Monitoreo Estacional(SMP).
• La última versiónen línea incorpora conceptosmecanísticos y control de la fallas por deformaciónpara la determinación de la temperatura alta. La ecuación para la temperatura baja se mantiene.
• La ecuaciones de temperature fueron obtenidasinciialmente mediante modelos de balance de energia asumiendo los siguientes parámetros:
• Absortividad=0.90
• Transmisividad a través del aire=0.81
• Radiación atmosférica=0.71
• Velocidad del viento=4.5 m/s
Ecuaciones SHRP y LTPPBind
𝑇𝑝𝑎𝑣 = −1.56 + 0.72 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.004 𝐿𝑎𝑡2 + 6.26 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 4.4 + 0.52 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5
𝑇𝑝𝑎𝑣 = 54.32 + 0.78 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.0025 𝐿𝑎𝑡2 − 15.14 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 9 + 0.61 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5
Ecuaciones SHRP y LTPP
Temperatura del aire Temperatura del pavimento
Grado PG
LTPPBind en líneahttps://infopave.fhwa.dot.gov/
Características del LTPP en línea
LTPPBind en línea proporciona una plataforma para la selección de los cementos asfáticos por el grado de desempeño (PG).
El grado PG del cemento asfáltico es seleccionado enbase a la temperature del pavimento, el ahuellamientomáximo (rodera), nivel deseado de riesgo, volumen y velocidad del tráfico.
Puede emplear la data climática MERRA, LTPP CLM, o datos proporcionados por el usuario.
LTPPBind en Línea
Incorpora la base de datos climática MERRA (Modern Era-Retrospective Analysis for Research and Applications) producida por la NASA
Considera el también el procedimiento indicado en AASHTO M332 que incluye en la clasificación el ensayo de recuperación de fluencia por esfuerzos multiples (MSCR)
Al igual que el LTPPBind 3.1, los cementos asfálticos son selecionados en base a los modelos climáticos, rigidez del asfalto y los conceptos de deformación permanente(roderas).
13
LTPPBind
• Mohseni (2005) plantea un nuevo procedimientode calculo de la temperatura alta basada en el control del valor de las roderas
Mohesi, Carpenter y D’Angelo (2005)
LTPPBind
Mohesi, Carpenter y D’Angelo (2005)
• Las temperturas medidas y calculadas con EICM tienenuna alta correlacion
• Hay una tendencia con cierta dispersion entre el calculocon el promedio de 7 días versus la nueva ecuación
LTPPBind
• El PG temperatura alta tiene un valor consistentecomparado con el SHRP y LTPP version anterior
Mohesi, Carpenter y D’Angelo (2005)
PG Temperatura Baja
8
𝑇𝑝𝑎𝑣 = −1.56 + 0.72 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.004 𝐿𝑎𝑡2 + 6.26 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 4.4 + 0.52 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5
Where: Tpav= temperature del pavimento en la superficie, °C; Tair=temperature del aire, ºC; Lat= latitud; H= profundidad, mm; 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟
2 =desviación estándar; Z= valor z para el
nivel de confiabilidad.
Es la temperatura horaria mas baja en la superficie del pavimento enun periodo de por los menos 20 años
PG Temperatura Alta
18
𝑃𝐺𝐻,𝑑 = 48.2 + 14 𝐷𝐷 − 0.96 𝐷𝐷2 − 2 𝑅𝐷
Donde: PGd = PG al nivel determinado de ahuellamiento; DD = Grados-
día>10 °C (x1000 °C) a 20 años; RD = Profundidad de ahuellamiento
(roderas); CVPG = Coeficiente de Variación annual del PG; Z = 2.055 para 98%
de confiabilidad
𝐶𝑉𝑃𝐺 = 0.000034 𝐿𝑎𝑡 − 20 2 𝑅𝐷2
𝑃𝐺𝐻,𝑟𝑒𝑙 = 𝑃𝐺𝐻,𝑑 + 𝑍 𝑃𝐺𝐻,𝑑𝐶𝑉𝑃𝐺
100
Se calcula en función de los grados-día mayores a 10ºC anualizados
para un periodo de 20 años, el valor máximo de rodera y el
variación anual de la temperatura
Ajuste del PG por profundidad
𝑇𝑝𝑎𝑣 = 54.32 + 0.78 𝑇𝑎𝑖𝑟 − 0.0025 𝐿𝑎𝑡2 − 15.14 𝑙𝑜𝑔 𝐻 + 25 − 𝑍 9 + 0.61 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟2 0.5
Donde: Tpav= Temperatura del AC, Deg. C; Tair =temperature del aire; Lat = latitut; H=Profundidad; 𝜎𝑇𝑎𝑖𝑟
2 =Desviación estandar del promedio de los 7 dias con
mayor temperatura; Z= valor z para el nivel de confiabilidad.
• Se aplica este ajuste cuando se desea calcular la temperatura alta a una profundidad mayor a los 20 mm
• Es utilizado cuando se tiene una construcción por capas con diferente cemento asfáltico por capa
Corrección del PG por TráficoAASHTO M320
20
𝐴𝑑𝑗 = 𝑃𝐺𝑛 − 𝑃𝐺𝑠
Donde: 𝐴𝑑𝑗 = ajuste de PG; 𝑃𝐺𝑛= PG para una determinada velocidad
y carga; 𝑃𝐺𝑠= PG a la carga estandar de 3 M ESAL y velocidad rápida.
Volumen de tráfico(𝐿𝑇 )
Velocidad del tráfico(𝑆𝑇)
Rápida (>70 km/h) Lenta (20-70 km/h)
Up to 3M. ESAL 0.0 2.6
3 to 10 M. ESAL 6.5 8.8
10 to 30 M. ESAL 11.3 13.5
Above 30 M ESAL 13.4 15.5
Denominación por el tipo de tráficoAASHTO M332-14
• El ajuste por tráfico no es requerido.
• Se adiciona al PG una letra en base al tráfico y velocidad:
DenominaciónCarga de tráfico
ESAL (𝐿𝑇 )Condicional
Velocidad de tráfico (km/h) (𝑆𝑇)
Estandar “S” < 10 M Y >70
Alto “H” 10-30 M O 20-70
Muy Alto “V” >30 M O <20
Extremadamentealto “E”
>30 M y <20
LTPPBind en LíneaInformación general del proyecto
https://infopave.fhwa.dot.gov/
Selección de los Datos de Clima
LTPPBind PG Calculator Help?
Go Search
Riaz Ahmad | Sign Out | My LTPP | Data Bucket (6) | Customer Support | Site Map | Contact Us | About
HOME SEARCH MAP DATA ANALYSIS VISUALIZATION TOOLS LIBRARY HELP MY LTPP NON-LTPPTOOLS
: Tools
Start Projects Reports Help
General Project Information
Project Number: PRJ-003Project Title: PG Binder Selection 003Project Description:
Project Location
Project Location
Latitude, Degree:Longitude, Degree:Elevation, m:
Climatic Data
Lowest Yearly Air Temperature, Degree C:Lowest Air Temperature Standard Deviation:Yearly Degree Days > 10 Degree C:
Temperature Adjustments
Base High Temperature PG:Desired Reliability, %:Depth of Layer, mm:
Traffic Adjustments
Traffic Loading, ESAL:Traffic Speed:
Performance Grade
Performance Grade Temperature at 50% Reliability:Performance Grade Temperature at Desired Reliability:Adjustments for Traffic:Adjustments for Depth:Adjusted Performance Grade Temperature:Selected PG Binder Grade:
Latitude, Degree:
Longitude, Degree:
Elevation, m:
NextPrevious
Tools
MEPDG Inputs
Rigid Pavement Design
WIM Cost Analysis
LTPP Dynamic Modulus Prediction
Pavement Performance Forecast
FWD Calibration
LTPP Bind
Distress Identification Manual
Pavement Loading User Guide
LTPP InfoPave Mobile
*
*
Select Location
Select Location
Please select location from the map or type the address in the search bar below:
CancelSelect
Selected Location
Latitude: 32.4709519
Longitude: -100.40593
Address: Nolan, TX 79556, United States
Please select Data Source from the options below:
MERRA Data LTPP CLM DataData Source:
Resultados de los datos de clima
Ahuellamiento (rodera) Admisible
Maximum Allowable Rut depth
Ajuste por Temperatura y profundidad
Ajuste por Tráfico
Resultados del LTPPBind en Línea
PG grading
Limitaciones del LTPPBind
Ecuaciones LTPPBind
• Valores similares entre la version anterior y la nueva version para grados PG de hasta 52.
• Las mayores diferencias estan entre PG 64 y PG 70.
• Estoindica que se obtienen asfaltos mas rígidos que con las expresiones anteriores
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
40 46 52 58 64 70 76
Nu
mb
er
de
se
ccio
ne
s
PG
SHRP PG 98%
Limitaciones del LTPPBind
31
0
1000
2000
3000
4000
5000
-20
0
20
40
1975 1985 1995 2005 2015
Year
ly-d
egre
e d
ays
ove
r 1
0ºC
Tem
per
atu
re (
ºC)
year
Coldest air temperature Yearly high temperature during 7-day period
Yearly degree-days over 10º C
Limitaciones del LTPPBind
40
50
60
70
80
90
100
0 2000 4000 6000 8000 10000Pre
dic
ted
PG
@ R
ut d
ep
th
Degree-Days>10º5.1 mm 6.4 mm 7.6 mm 8.9 mm
10.2 mm 11.4 mm 12.7 mm
extrapolation
• Las ecuaciones han sido desarrolladas para valores de DD menores a 6000.
• Luego de ese valor se presenta una disminución del PG que no corresponde a la realidad.
Limitaciones del LTPPBind
• La expression del coeficiente de variación es válida para latitudes mayores a 20.
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
10 20 30 40
PG
Co
effic
ien
t o
f va
ria
bili
ty,
CV
PG
Latitude
5.1 mm 6.4 mm 7.6 mm 8.9 mm10.2 mm 11.4 mm 12.7 mm
extrapolation
ProcedimientoPropuesto
Procedimiento Propuesto
• Se propone una mejora la procedimiento actual del LTPPBind con el calculo directo de las temperaturasbasadas en el modelo climático integrado (EICM)
• El modelo climático es similar al empleado enAASHTOWare® ME Pavement Design software peroincorporando el efecto de la lluvia y la nieve.
• Los datos de clima son extraidos de la base climáticaMERRA
• Se calcula el balance de energia en la superficie del pavimento cada hora y luego se obtiene el perfil de temperatura.
Procedimiento de Análisis
• Información climática horaria para un periodomínimo de 20 años : • Temperatura del aire, • velocidad del viendo, • nubosidad, • porcentaje de radiación solar, • radiación de onda corta de la superficie, • albedo, • emisividad de la superficie, • humedad relativa y • precipitación.
Procedimiento de Análisis
• Calcular el balance de energía y la temperaturasuperficial con el modelo EICM
• Calcular el perfil de temperature en el pavimento
• Seleccionar la temperatura superficial mas baja en20 años
• Obtener la function de densidad de probabilidad(PDF) para la temperatura a 20 mm de profundidad
• Obtener la temperature alta para el nivel de confiabilidad deseado.
Modelo Climático Integrado
𝑄𝑖 − 𝑄𝑟 + 𝑄𝑎 − 𝑄𝑒 ± 𝑄𝑐 ± 𝑄ℎ±𝑄𝑝 ± 𝑄𝑔= 0
𝑄𝑖 = radicación de onda corta
𝑄𝑟 = onda corta reflejada
𝑄𝑎 = radiación onda larga
𝑄𝑒 = onda larga reflejada
𝑄𝑐 = tranferencia de calor
𝑄ℎ = evaporación, condensación
𝑄𝑝 = precipitación
𝑄𝑔 = conducción al pavimento
Base de Datos Climática MERRA
MERRA es un modelo de reanálisis que combina campos de
modelos computarizados y observaciones basadas en satélites
(NASA)
Proporciona una resolución horaria temporal y una resolución
espacial de 0,5 grados por 0,67 grados (latitud / longitud) desde
1979 hasta el presente.
39
Resultados
Balance de Energía Superficie del Pavimento
• Se calcula el balance energético en la superficie del pavimento
-20.0
0.0
20.0
40.0
-750.0
250.0
1250.0
12:00 AM 12:00 PM 12:00 AM 12:00 PM 12:00 AM
radiacion solar directa radicación atmosférica
energía radiación superf. energía de conducción
Temperatura en el Pavimento
• Por diferencias finitas se puede calcular el perfil de temperatura en la estructura del pavimento
-20
-10
0
10
20
30
40
50
10/18 10/19 10/20 10/21 10/22 10/23
Te
mp
era
tura
ºC
Día
Tº aire Tº superf. Tº 20 mm
0
20
40
60
80
100
-20.0 0.0 20.0 40.0
Pro
fundid
ad (
cm
)
Temperatura en ºC
11/9/15 12:00 AM11/9/15 4:00 AM
Temperatura Mínima and Máxima
• Luego de calcular el perfil de temperatura en el pavimento se puede conocer la frecuencia de temperaturas altas y bajas
0%
10%
20%
30%
40%
10 15 20 25 30 35 40
fre
cu
en
cia
Tmax 0 mm Tmax 20 mm
0%
10%
20%
30%
40%
50%
-12.5 -7.5 -2.5 2.5 7.5 12.5
fre
cu
en
cia
Tmin 0 mm Tmin 20 mm
Frecuencia de Resultados
• El CDF se obtiene para el period de 20 años.
• A partir del CDF the high temperature se obtiene el PG a la confiabilidad deseada.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60
CD
F
Fre
quency
Pavement highest daily temperature at 20mm depth
Conclusiones
• Las ecuaciones originales de SHRP fueron cambiadas porque para el Sur de los Estados Unidos no fueron adecuadas porque.
• El promedio de temperatura de 7 días no tiene en cuenta la longitud extendida de calor.
• Los resultados de LTPPBind no son correctos cuando DD es mayor a 6000 y la latitud menor a 20.
• Se propone una mejora del cálculo del PG de temperatura alta y baja basado en la base de datos MERRA y el modelo climático integrado
Conclusiones
• Al contar con el perfil completo de temperatura del pavimento se puede obtener el PG de varias capas
• La información climática disponible en MERRA permite la aplicación completa del modelo EICM
• La temperatura alta se obtiene de la curva de probabilidades acumuladas al nivel de confiabilidad deseado.
• Se puede complementar la determinación de la temperatura alta con la verificación mecanística de desempeño en caso de contar con modelos calibrados.