(1) Becaria de investigación del Centro de Investigaciones Viales LEMaC, Depto. de Ing. Civil (2) Subdirector del Centro de Investigaciones Viales LEMaC, Depto. de Ing. Civil

“FUNDAMENTOS TEÓRICOS Y DESARROLLO DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE”

Becaria: Natalia Alderete (1) Director: Ing. Julián Rivera (2)

Proyecto de I+D+i de pertenencia: “Análisis modulares de laboratorio y obra para diseño mecanicista de pavimentos flexibles” (Aprobado por Consejo Superior UTN Código UTI1619, Aprobado Programa de Incentivos Código 25/I-053)

1. Resumen En los últimos años se han desarrollado tecnologías con el objetivo de lograr un acercamiento al comportamiento en campo de los materiales de la estructura del pavimento. El ensayo para obtención del módulo resiliente (razón entre el tensor desviador y la deformación específica recuperable [1]) se basa en la aplicación de cargas dinámicas, simulando el paso del tránsito, y de una presión de confinamiento representando el entorno dentro del paquete estructural.. Actualmente aplica la norma AASHTO T307-99, siendo el objetivo del trabajo lograr el conocimiento de la misma y de sus fundamentaciones teóricas implícitas. A su vez se plantea una metodología de ensayo propia para lograr resultados representativos mediante la caracterización dinámica. 2. Abstract In the last years several technologies have been developed so as to have a better understanding of the materials that are part of the pavement structure. The test for the resilient modulus calculation (as the ratio between the deviator stress and the resilient axial strain [1]) is based on the application of dynamic loads simulating the transit and a confinement pressure that simulates the surrounding soil in the field. Currently AASHTO T307-99 is the standard test used to determine the resilient modulus, the main objective of this work is to achieve a complete understanding of it and of its theoretical concepts. Moreover, an own test methodology was developed to obtain representative results throughout the dynamic characterization. 3. Fundamentos El diseño de espesores de pavimentos antes de la primera Guerra Mundial era básicamente empírico, basado en la clasificación de los suelos o la respuesta de la estructura del pavimento a la carga estática [2]. Más tarde, se comenzó a investigar sobre el efecto de la carga móvil del tránsito en el comportamiento de los materiales que constituían el pavimento. Esto conllevó a la consideración de la acción de una carga dinámica aplicada en la estructura del pavimento, a la introducción del concepto de resiliencia y a una nueva manera de diseñar teniendo en cuenta sistemas multicapas que interactúan entre sí. El módulo resiliente (Mr) se basa en el concepto de que, bajo distintos estados de tensiones, el suelo alcanzará una deformación total con una componente

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elástica, recuperable o resiliente, y otra plástica, teniendo en cuenta el comportamiento no lineal del material. Esto permite establecer la presunción de que, siempre y cuando el tensor desviador no supere la tensión de corte, luego de un gran número de repeticiones la única componente de la deformación es elástica. [Figura 1]

DEFORMACIÓN ESPECÍFICA [%]

TEN

SOR D

ESVIA

DO

R [

MPa

]

Mr

εa εr

Figura 1. Definición de Módulo Resiliente

El valor del Mr se calcula mediante el cociente entre la tensión cíclica y la deformación cíclica específica, siendo la primera igual al 90% de la tensión máxima aplicada en forma dinámica y la deformación resiliente la respuesta recuperable del material frente a las cargas. [Ecuación1]

r

dr

ε

σM =

Ecuación 1. Definición de Módulo Resiliente El ensayo de Mr define distintos valores de la presión de confinamiento σ3 y el tensor desviador σd, y evalúa las características de los materiales frente a distintas combinaciones de los mismos, por lo que la diferencia es sustancial con respecto a una simple correlación directa. Los resultados posibilitan la conformación de una curva constitutiva. El ensayo actual, norma AASHTO T307-99: “Determinación del Módulo Resiliente de Materiales de Suelos y Agregados”, evalúa el comportamiento de los materiales no ligados para base y sub-base con las características de entorno dentro de una estructura de pavimento reconociendo características no lineales [3].

4. Desarrollo experimental El procedimiento desarrollado se basa en los lineamientos establecidos en la norma, con algunas variaciones en función de una optimización de los recursos disponibles en el LEMaC y de que dichos cambios no generan una influencia significativa en los resultados.

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1º Ensamblado del Equipo I. Una vez moldeada y determinado el peso de la probeta colocarla sobre la piedra porosa inferior, luego colocar la piedra porosa superior. A continuación medir la longitud de la probeta (Lo). Finalmente deslizar suavemente la membrana sobre la probeta y sujetarla con bandas elásticas con el fin evitar pérdidas de humedad. II. Colocar vaselina en los anillos de goma superior e inferior de la cámara. Luego colocar el cilindro de acrílico y la tapa de la cámara, ajustando las tuercas. III. Colocar abundante vaselina en el vástago e introducirlo en la tapa de la cámara, logrando un buen contacto con la parte superior de la probeta. Es importante verificar siempre la verticalidad del vástago debido a su gran influencia en los resultados del ensayo. Llevar la cámara triaxial al arco de ensayo y centrar cuidadosamente la misma. [Foto 1]

Foto 1. Cámara triaxial y arco de ensayo

2º Conexiones Generales IV. Conectar en la parte inferior de la cámara a la entrada de aire y en la parte superior la salida. V. El sistema de cargas es del tipo neumático, por lo que como primer paso se debe verificar que el compresor esté encendido para comenzar a ensayar. Luego comprobar que la llave de paso del pulmón del equipo se encuentre abierta. VI. El equipo cuenta con un Módulo Regulador de Presión [MRP], verificar que éste indique cero en ambos manómetros. [Foto 2]

Foto 2. Módulo Regulador de Presión

VII. Conectar Módulo Controlador y Adquisidor Electrónico [MCAE] a la red eléctrica. Resulta conveniente revisar siempre antes de ensayar las conexiones de la parte posterior de la consola. Luego conectar el MCAE y la llave del programa a la PC. 3º Empleo del Software VIII. Abrir el Programa “Ensayo de Módulo Resiliente en Suelos”.

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Foto 3. Pantallas del software

IX. Encender el MCAE y verificar que donde figuran ciclo actual, pulso actual y tiempo restante estén todos en cero, y verificar que se indique cero de presión de cámara. No se deben detectar ni el equipo ni la celda de carga. [ Foto 3] X. Encender la consola y verificar que se indique la correcta conexión del equipo y de la celda a utilizar. En caso de no detectarse ir a herramientas y presionar Selección de puerto serie, una vez que haya detectado el puerto correspondiente (COM1, 2 o 3) presionar aceptar. XI. Descender el vástago del actuador hasta que haga contacto, mediante la celda de carga, con el vástago de la cámara. Controlar que los LVDTs se encuentren desacoplados, con movimiento libre, ya que el acondicionamiento puede proporcionar deformaciones mayores que el rango permitido de los LVDTs. La determinación de la deformación de la probeta producida durante el acondicionamiento se efectúa mediante la colocación de un flexímetro. XII. Presionar el botón “Acond.” de la barra de tareas para comenzar el acondicionamiento. En esta pantalla se podrá seleccionar: Tipo de ensayo, Datos del ensayo, Elementos utilizados. Luego presionar Aceptar, el acondicionamiento intenta eliminar imperfecciones generadas durante el moldeo. XIII. Una vez terminado el acondicionado, girar marco que contiene el flexímetro y verificar que la deformación no haya superado el 5%. XIV. Presionar el botón “Iniciar” de la barra de tareas para iniciar el ensayo, aparecerá una pantalla en la cual se deberá completar (además de los parámetros descriptos previamente) la longitud inicial de la probeta y la deformación medida a través del flexímetro. XV. Al presionar Aceptar aparecerá una pantalla de ajuste de los LVDTs, para ello se deberá ajustar o desajustar los tornillos según corresponda hasta lograr la calibración. XVI. Al concluir ir a Archivo y al presionar Guardar se guardará con el formato .mre, si se desea presionar Exportar a Excel y se guardará con formato .xls. IMPORTANTE: Se deberá prestar especial atención al momento del ajuste de la presión de cámara.

5. Análisis de Resultados Una de las principales cuestiones a tener en cuenta frente al cálculo es que los 15 valores obtenidos del ensayo son calculados mediante el promedio de los últimos cinco ciclos de cada secuencia. Debido a la presunción de que la deformación es primordialmente elástica luego de un gran número de aplicaciones de carga. Sin embargo algunos suelos cohesivos pueden presentar excesivas deformaciones permanentes incluso para aplicaciones de carga pequeñas [4]. Recordando la Ecuación 1 cuanto mayor sea la deformación

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recuperable, menor será el valor del Mr indicando que incluso las deformaciones completamente elásticas pueden dañar la integridad de los pavimentos frente a cargas repetidas si la deformación recuperable es muy grande. La generación de una curva, que describa el comportamiento del material en función de las diferentes solicitaciones a las cuales se encuentre sometida, indica la valoración del comportamiento no lineal del mismo. El comportamiento resiliente de los suelos puede ser descripto mediante el modelo de Uzan, o “modelo universal”:

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1

k

a

d

k

a

arpp

pkM

σ

θ=

Ecuación 3. Modelo Universal Donde: Mr= Modulo Resiliente, [MPa]; pa= Presión atmosférica, [MPa]; θ= Invariante de tensiones, [MPa]; θ= σ1+σ2+σ3; σd= Tensor desviador, [MPa]; σd= σ1-σ3; σ1=Tensión principal mayor, [MPa]; σ2=Tensión principal intermedia, [MPa]; σ3= σ2= para especímenes cilíndricos; σ3=Tensión principal menor/presión de confinamiento, [MPa]; k1= constante propia del material; k2= constante propia del material; k3= constante propia del material Este modelo permite generar la mediante el ajuste de los parámetros k1, k2 y k3, con un coeficiente de determinación R2

≥0,90 para que resulte representativa. El coeficiente k1 es proporcional al Módulo de Young, por lo tanto los valores de k1 deberán ser positivos. El incremento del invariante de tensiones (θ) producirá un aumento de la rigidez del material lo cual resulta en un mayor Mr, por lo que el coeficiente k2 deberá ser positivo. El coeficiente k3 involucra al tensor desviador por lo que debería ser negativo dado que al aumentar la tensión de corte se producirá un “ablandamiento” del material y una disminución del Mr [5]. Para la obtención de las constantes ki, se desarrolló una hoja de cálculo que aplica la regresión múltiple no lineal a los valores del ensayo de laboratorio.

6. Conclusiones El ensayo de Mr resulta complejo, pero el acercamiento que permite lograr en relación a las condiciones de los materiales en campo incentiva su empleo. Los resultados obtenidos deben ser cuidadosamente analizados, ya que a partir de ellos se puede generar una curva constitutiva que resulta fundamental en el cálculo de paquetes estructurales mediante métodos mecanicistas. 7. Bibliografía [1] AASHTO T 307-99 (2003)., “Determining the resilient modulus of soils and aggregate materials”. EEUU. [2] Groeger J., Rada G., y Lopez A. (2003), "AASHTO T307 – Background and Discussion," Resilient Modulus Testing for Pavement Components, ASTM STP 1437, EEUU. [3] Tutumluer E., “Testing of Unbound Aggregates and Subgrade Soils at the University of Illinois”, 1205 Newmark CE Lab., MC-250,University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana. EEUU. [4] Kim D., Ryeol Kim J. (2007), “Resilient behavior of compacted subgrade soils under the repeated triaxial test”; Construction and Building Materials 21. EEUU. [5] NCHRP (2004), “Guide for Mechanicist-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures”, Chapter 2- Material Characterization. EEUU.

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