Caracterización del comportamiento mecánico de neumáticos troceados

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4. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO UTILIZADO

4.1 Equipo de ensayo utilizado Para caracterizar el comportamiento a compresión bajo diferentes condiciones de carga aplicada se ha utilizado el aparato triaxial cíclico del laboratorio de geotecnia de la UPC, si bien es cierto que para los ensayos realizados no se ha utilizado en ningún momento cargas dinámicas (se ha utilizado como aparato triaxial convencional en todo momento). El aparato consta de una célula de con bases de acero de 100mm de diámetro y de una altura máxima de 215mm (ver fotografía 4), rodeada de una campana estanca de acero y metra quilato de 185mm de diámetro interior (ver fotografía 3). Fotografía 3. Célula triaxial con Fotografía 4. Célula triaxial Campana y protección

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La presión de cámara ( 32 σσ ==p en los ensayos convencionales) en el equipo se aplica mediante aire a presión regulado por un regulador manual. La carga aplicada en los ensayos (igual a 21 σσ − en los ensayos convencionales) en el equipo se aplica mediante un cilindro neumático de doble efecto de 6,4’’ de calibre (234,3cm2 superficie de émbolo) y 5,4’’ de recorrido, mediante la regulación manual de la presión de aire. La carga aplicada se mide mediante una célula de carga de 500kg de carga máxima por lo que se realiza un registro continuo y automático de ésta a lo largo del tiempo. La fotografía 5 muestra el aparato triaxial montado para ensayos triaxiales drenados en muestras saturadas.

Fotografía 5. Equipo triaxial con LDVT, célula de carga y manómetro

de presión de cámara

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Las lecturas de las deformaciones verticales en los ensayos se han efectuado mediante un LVDT de 2’’ de recorrido por lo que durante los ensayos éstas se han realizado de manera continuada en el tiempo. No se ha utilizado ninguna medida directa de las deformaciones radiales de la probeta durante el ensayo para la elaboración de resultados, ya que estas han sido evaluadas de manera indirecta mediante los datos de variación del volumen y de la altura de las probetas mediante correlaciones. Para la medida del cambio de volumen de las probetas durante el ensayo se han realizado dos montajes diferentes, según estuviese saturada o no la probeta a ensayar. Se descartó el uso de un controlador de volumen y de densidad para la medida de cambios de volumen debido a la rapidez con que suceden éstos durante el ensayo a causa de la gran permeabilidad, deformabilidad y tamaño de las probetas. Para la medida del volumen de aire expulsado de la probeta seca se ha utilizado una campana de recogida de gases construida mediante una probeta de 1000ml + 10ml y un recipiente lleno con agua para retener el gas. Para la medida del volumen de agua expulsado de las probetas saturadas de ensayos drenados se ha utilizado una probeta de 1000ml + 10ml para medidas durante la consolidación (compresión isótropa) y una probeta de 250ml + 2ml para las medidas durante la aplicación de la tensión desviadora (ver fotografía 6). La saturación de las probetas de neumático se ha realizado mediante la introducción de agua a presión a la cámara triaxial hasta garantizar que no quedasen burbujas de aire dentro del circuito. La presión de agua se subministra a través de un depósito elevado conectado a la célula triaxial. Para los ensayos no drenados se ha utilizado un controlador avanzado de presión-volumen (GDS, 0,05-150MPa, 1000cm3 de capacidad, con tolerancias del 0,1%) para aplicar presión de agua dentro de la probeta a fin de eliminar burbujas de aire dentro de esta antes de realizar ensayos no drenados. Para medir esta presión se ha utilizado un transductor de presiones de 0 a 25 bares.

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Fotografía 6. Imágenes de las probetas utilizadas en los ensayos, de

1000ml (izquierda) y 250ml (derecha). 4.2 Montaje del equipo triaxial Antes de su utilización con muestras de NFU saturadas, el equipo requirió una puesta a punto de sus uniones roscadas para garantizar la impermeabilidad de sus circuitos y por tanto las correctas medidas de presión y volumen de agua en las probetas. Se procedió a inundar la campana exterior con agua y a inyectar aire a presión en una probeta de prueba para observar las fugas de aire en el sistema y detectar las uniones en mal estado. El resultado fue la substitución de 2 roscas de adaptación de diámetro partidas, la substitución de todas las juntas de teflón de las uniones roscadas y la substitución de 2 juntas tóricas de goma en 2 de los tornillos que fijan la tapa superior de la célula triaxial a la tapa inferior. Un tratamiento especial requirió la unión de la tapa superior del aparato (donde se transmite la tensión desviadora a las probetas) con el circuito interno del aparato, ya que debido a que un filete de la rosca estaba partido el sellado con teflón resultaba insuficiente (ver fotografía 7). Se optó por sustituir el

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teflón por film de plástico, flexible y más grueso, para garantizar la impermeabilidad en ese punto.

Fotografía 7. Detalle de la impermeabilización en la unión roscada rota

Una vez garantizada la impermeabilidad del circuito interno del aparato triaxial, se efectuó la instalación de los aparatos de medida de presión, deformaciones y carga aplicada. Se optó por medir directamente las deformaciones verticales a través de un LVDT sujeto a una de las columnas que sostiene el pistón de carga. Las deformaciones se miden apoyando el extremo móvil del LVDT a un soporte metálico con base plana unido al eje del aparato triaxial. El aparato triaxial está adaptado a cargas cíclicas, por lo que la unión entre el eje del aparato y la probeta no consta de un apoyo como en los triaxiales al uso sino de una unión roscada (para permitir aplicar “tracciones” a la probeta) por lo que el empotramiento en el extremo inferior del eje garantiza que éste no cabecee durante la aplicación de cargas desviadoras. Así, las deformaciones medidas corresponden siempre a la deformación de la probeta y no están distorsionadas por el posible cabeceo del eje.

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Las deformaciones volumétricas se miden mediante la recogida en probetas de diferentes capacidades del agua o el aire saliente o entrante en las probetas ensayadas a través del circuito interno del aparato triaxial. Para la recogida de agua (ensayos drenados de muestras saturadas) la medida se efectuó directamente midiendo en las probetas, mientras que para la recogida de aire (ensayos drenados en etapas con la muestra sin saturar) se utilizó una campana de gases montada a partir de un recipiente cilíndrico y una probeta. En la fotografía 8 se puede ver una vista general del montaje para ensayos triaxiales drenados de muestras saturadas.

Fotografía 8. Vista general del montaje para ensayos drenados.

Se tuvieron en cuenta diversos procedimientos para la medida de las deformaciones laterales de las probetas ensayadas, pero finalmente se optó por calcularlas indirectamente mediante un modelo analítico relacionado con el volumen de las probetas y sus deformaciones verticales. Para la medida de la carga aplicada se utilizó una célula de carga unida a una base roscada en el extremo superior del eje del aparato triaxial mediante tornillos para garantizar su fijación durante los ensayos. Es decir,

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que la célula de carga está unida al eje del aparato pero no al pistón que aplica la carga. El pistón de carga se conectó a la consola de mando del triaxial cíclico por lo que la carga aplicada se debe regular manualmente durante todo el ensayo (ya que corresponde a una carga estática y por tanto ajustable solo manualmente). En cuanto a la presión de cámara se regula mediante un manómetro manual conectado al circuito de baja presión e instalado en las columnas que sostienen el pistón en el aparato triaxial. Para los ensayos saturados no drenados se modificó todo el esquema del aparato triaxial adaptando un GDS y un transductor de presiones para medir las presiones de poro. En las fotografías 9 y 11 se pueden ver los detalles de la colocación del transductor en el aparato triaxial para ensayos no drenados y en la fotografía 10 la conexión del controlador de volumen y densidad con el aparato triaxial. Los esquemas de los montajes utilizados en este trabajo se muestran en las figuras 6 y 7.

Fotografía 9. Célula triaxial para ensayos no drenados.

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Fotografía 10. Vista general del montaje para ensayos no drenados

Fotografía 11. Detalle del transductor de presiones para ensayos no

drenados.

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Depósito de agua elevado

Aire a presión

F

Célula de carga

PC

LVDT

PC

Figura 6. Esquema del montaje para ensayos drenados saturados

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Depósito de agua elevado

Aire a presión

GDS

Transductor de presionesPC

Célula de carga

PC

LVDT

PC

Figura 7. Esquema del montaje para ensayos saturados no drenados

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4.3 Calibración del equipo triaxial Como ya hemos mencionado el aparato dispone de tres elementos para realizar las lecturas: un LVDT para las deformaciones verticales de las probetas, una célula de carga solidaria al eje del aparato y un transductor de presiones conectado al circuito interno del aparato (solo para ensayos no drenados). Cada uno de estos aparatos requiere de calibración para efectuar lecturas correctamente. A causa de problemas en el software de adquisición de datos las calibraciones se calcularon externamente y se introdujeron manualmente en la configuración del programa. Para la calibración del LVDT de utilizó un soporte de bronce y un micrómetro mecánico de precisión de lectura analógica. La calibración se hizo en los dos sentidos, es decir obteniendo lecturas de voltaje correspondientes a 22 puntos, 11 aumentando las deformaciones del LVDT (rama de subida) y 11 disminuyéndolas (rama de bajada). El resultado de las lecturas, así como el ajuste lineal de éstas (recta de calibración) se muestran en la figura 8:

Recta de calibración del LVDT

y = -72,519878x + 39,24762805R2 = 1

02468

1012

0,3 0,4 0,5 0,6

Voltaje (mV)

Des

plaz

amie

nto

(mm

)

Figura 8. Recta de calibración del LVDT utilizado

Para la calibración de la célula de carga se utilizaron pesas de 10kg, efectuando lecturas de voltaje en los 2 sentidos (para carga y descarga). Se midieron un total de 16 puntos (8 en carga y 8 en descarga) para calibrar la célula. La recta de calibración obtenida se muestra en la figura 9:

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Recta de calibración de la célula de carga

y = 372,534386x + 7,003527692R2 = 1

0

20

40

60

80

100

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Voltaje (mV)

Car

ga (k

g)

Figura 9. Recta de calibración de la célula de carga utilizada

Para la calibración del transductor de presiones se realizaron medidas de presión justo a la salida del manómetro que ajusta la presión de cámara. Se utilizaron 30 puntos en los dos sentidos (15 para incrementos de presión y 15 para decrementos); la recta de calibración obtenida se muestra en la figura 10:

Recta de calibración del transductor de presiones

y = 470,12x - 35,592R2 = 0,9994

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Voltage (mV)

Pres

ión

(kPa

)

Figura10. Recta de calibración del transductor de presiones utilizado

Anteriormente hemos comentado que para la medida de la deformación radial utilizamos un modelo analítico basado en las medidas de deformación axial vertical y de la deformación volumétrica. Para la formulación del modelo separamos el comportamiento deformacional de las

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probetas en 2 estadios: la primera etapa en la que se conserva su forma cilíndrica inicial (si bien varían sus dimensiones) y la segunda etapa en la que la probeta se abarrila y por tanto no conserva ni su forma ni sus dimensiones. La separación entre estas 2 etapas no se produce siempre para el mismo valor de deformación axial, aunque para ilustrar la variación del área de las muestras con la deformación axial y volumétrica, se ha establecido para una deformación axial del 20%. Cabe destacar que este valor del 20% es un valor aleatorio para poder representar el modelo de variación de área de la probeta, si bien una vez expuestos los resultados de los ensayos se podrá ver que este valor es algo elevado. Para la primera etapa de los ensayos sin cambio de volumen utilizamos la ecuación clásica de corrección de área en ensayos triaxiales no drenados:

zz

Ahh

VA

εε −=

−=

1·0

00

0

siendo A el área de la probeta, V0 el volumen inicial, h0 la altura inicial y εz la deformación axial adimensional:

0

0

hhh

z

−=ε

En el caso de tener variación de volumen además de deformación axial (en ensayos drenados), la ecuación se escribe de la siguiente forma:

)1()1(

···

· 000

00

00 z

v

z

v

z

Ahh

VVhh

VVoAεε

εε

ε −−

=−−

=−

∆−=

siendo εv la deformación volumétrica adimensional, es decir:

0

0

VVV

v

−=ε

Para la segunda etapa se ha obtenido un modelo basado en la ecuación del volumen de un tonel, que no es más que el volumen de un cilindro pero sustituyendo el radio de éste por un radio equivalente, representativo de la media entre los radios del extremo y del centro del tonel:

200

2 )···(·· eqzeq rhhrhV εππ −== , donde )( rRrreq −+= α

siendo r el valor del radio cualquiera de los extremos del tonel y R el radio de la sección central de éste.

Caracterización del comportamiento mecánico de neumáticos troceados

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En este caso el parámetro ha sido ajustado de acuerdo con observaciones directas mediante cámara digital de las probetas deformadas durante la etapa de calibración del aparato. Para las medidas del radio de las probetas en función de la deformación axial y de la deformación volumétrica se efectuaron medidas indirectas en un ensayo grabado: manteniendo fijo el punto de observación (cámara de video) y teniendo una medida de referencia (la base de la célula triaxial, de 50mm de radio), se puede establecer un factor de conversión entre las medidas efectuadas en el video y las reales. En las fotografías 12, 13 y 14 se muestran fotogramas del video del que se han extraído las medidas del área de la muestra.

Fotografía 12. Fotograma de la probeta sin "abarrilamiento"

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Fotografía 13. Fotograma correspondiente al inicio del “abarrilamiento”

Fotografía 14. Fotograma de la probeta “abarrilada”

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El resultado es un valor de α = 1/2, por lo tanto:

200 ))(

21·()·''·'( rRrhhV z −+−= πε , o lo que es lo mismo,

2

00000 ))(21·()·''·'(''·''' rRrhhVVVVV zv −+−=−=∆−= πεε

siendo V0’ el volumen de la probeta en el inicio de la 2ª etapa, εv’ las deformaciones volumétricas referidas al inicio de la 2ª etapa, εz’ las deformaciones axiales a partir del inicio de la 2ª etapa y h0’ la altura de la probeta al inicio de la 2ª etapa (“ abarrilamiento”). De la ecuación anterior podemos extraer el radio de la sección media del tonel:

rrhVR

z

V +

−

−−

=πε

ε)·1()1(

·20

0

y por lo tanto, el área de la sección media del tonel:

2

0

)·1()1·(

·2·

+

−

−−

= rrAAz

V

πεε

π

De acuerdo con este modelo, la sección central de una probeta ficticia de 100mm de diámetro, suponiendo que el "abarrilamiento" comienza para una deformación vertical del 30% variará según la figura 11.

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Evolución teórica del radio de la muestra

-0,35

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

00 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

εz

∆r/r

0

εv = 0εv = 3/2εz

Figura 11. Evolución teórica del radio de la probeta

Para la utilización del modelo para el cálculo del área de la sección central de las probetas requerimos la medida de los siguientes parámetros en cada ensayo realizado:

- A0 , área inicial de la probeta antes de empezar el ensayo - h0 , altura inicial de la probeta antes de empezar el ensayo - V0 , volumen inicial de la probeta antes de empezar el ensayo - εz , deformación axial adimensional durante el ensayo durante la

1ª etapa - εv , deformación volumétrica adimensional durante el ensayo

durante la 1ª etapa - r , el radio del extremo de la probeta al inicio de la 2ª etapa - h0 , la altura de la probeta al inicio de la 2ª etapa - V0 , volumen de la probeta al inicio de la 2ª etapa - εz’ , deformación axial adimensional referida al inicio de la 2ª

etapa - εv’ , deformación volumétrica adimensional referida al inicio de la

2ª etapa Los procedimientos seguidos para la medida de los parámetros anteriores se detallan en el capítulo de procedimientos de ensayo