DEFORMACION PERMANENTE ASFALTOS.pdf

Reporte Técnico RT-ID-06/02

Deformación Permanente de Mezclas Asfálticas

Mter Ing. Silvia Angelone, Mter Ing. Fernando Martínez,

Tco. Enrique Santamaría, Tco. Emiliano Gavilán

y alumna Marina Cauhapé Casaux, Laboratorio Vial

Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura

Carrera Investigador Científico Universidad Nacional de Rosario

Secretaría de Ciencia y Tecnología Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura

Universidad Nacional de Rosario Av. Pellegrini 250 - 2000 Rosario – Argentina

http://www.fceia.unr.edu.ar/secyt

Disciplina: Ingeniería Civil

Agosto 2006

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Este documento es publicado por la FCEIA para su consulta externa. El mismo se publica como Reporte de Investigación para divulgación de las tareas científicas que se desarrollan en la FCEIA, Universidad Nacional de Rosario. Los autores conservan los derechos de autoría y copia de la totalidad de su trabajo aquí publicado. Luego de su posterior eventual publicación externa a la FCEIA, los requerimientos deberán dirigirse a los autores respectivos. El contenido de este reporte refleja la visión de los autores, quienes se responsabilizan por los datos presentados, los cuales no necesariamente reflejan la visión de la SeCyT-FCEIA. Tanto la SeCyT-FCEIA como los autores del presente reporte no se responsabilizan por el uso que pudiera hacerse de la información y/o metodologías publicadas. Cualquier sugerencia dirigirla a: [email protected]

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Deformación Permanente de Mezclas Asfálticas

Mter Ing. Silvia Angelone*, Mter Ing. Fernando Martínez, Tco. Enrique Santamaría, Tco. Emiliano Gavilán

y alumna Marina Cauhapé Casaux

Laboratorio Vial Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras

Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Carrera Investigador Científico

Universidad Nacional de Rosario Resumen

Los tipos más frecuentes de falla asociados a la aplicación reiterada de las cargas del tránsito para un pavimento flexible, son la fisuración de las capas asfálticas y la acumulación de deformaciones permanentes en todas las capas componentes de la estructura y en el suelo de fundación. Las deformaciones plásticas conducen a la formación de "ahuellamientos" que comprometen el confort y la seguridad, y en consecuencia, la calidad de la circulación de los usuarios.

Al respecto, el diseño estructural de los pavimentos se ha orientado a establecer valores límites de las tensiones y deformaciones con el objeto de valorar el período de tiempo para el que, bajo determinadas condiciones de solicitación, resultarán profundidades de huellas compatibles para un nivel de servicio esperado o proyectado. Con este objetivo los métodos de diseño actuales deben adoptar criterios de falla.

Estos criterios de falla se pueden obtener a través de distintos mecanismos como ensayos de laboratorio, pistas de ensayo o análisis de datos de rutas reales conseguidos por mediciones periódicas.

En el presente trabajo se describen un estado del arte de la forma de estimar el comportamiento a la deformación plástica de las mezclas asfálticas. Su objetivo es comparar distintos criterios de falla por ahuellamiento o deformación permanente determinados a través de distintos ensayos, así como en que estado se encuentra el tema en la Argentina.

Palabras claves: deformación permanente, ahuellamiento, mezclas asfálticas, materiales

Permanent deformation of asphalt mixes Abstract The main failures of a pavement system produced by traffic loads are the cracking of the surface layers and the rutting as the result of accumulation of permanent deformation through the pavement structure including the subgrade soil. The conventional pavement design parameters considers for flexible pavements the tensile strain at the base of bituminous layer and the vertical compression strain at the top of the soil. This method could be used in structures with known and referenced materials. In the other hand, the mechanistic analysis method requires a definition of a failure criteria of each material of the structure to predict cracking and rutting, as a function of their stress dependence, their characteristics, and hence the non linear response. The present report describes a state of art of the way to evaluate permanent deformation of asphalt mixes. It includes laboratory testing and the analysis of different models in order to compare them to discuss their application in flexible pavement design. And the development test to measure the permanent deformation in Argentina. Key words: permanent deformation, rutting, asphalt concrete mixes, materials

* [email protected]

4

INDICE

1. Introducción

2. Comportamiento de mezclas asfálticas

3. Predicción del ahuellamiento: Ensayos de laboratorio

4. Comparación de normas de ensayo

5. Equipo desarrollado en el Laboratorio Vial del IMAE

6. Análisis de resultados

7. Conclusiones

8. Bibliografía

5

1. INTRODUCCIÓN

El proceso de diseño estructural de los pavimentos por métodos mecanísticos- empíricos, al igual

que para otras estructuras de la ingeniería civil, se basa en la determinación en distintos puntos

del pavimento de los esfuerzos críticos que, introducidos en diferentes leyes de falla, permitan

establecer si para el período de proyecto, los deterioros del pavimento se mantendrán dentro de

ciertos límites de aceptabilidad que no afecten el nivel de servicio ofrecido al usuario. Si esta

condición no se verifica, deberá modificarse adecuadamente los espesores o materiales

empleados en una o más capas componentes. En general, los criterios de falla empleados son:

- la fisuración por fatiga de las capas asfálticas, limitando la deformación de tracción en

la parte inferior de las mismas.

- la acumulación de deformaciones permanentes que afectan a toda las capas

componentes y al suelo de fundación.

Este último modo de falla conduce a la formación de “ahuellamientos” que comprometen el

confort y la seguridad, y en consecuencia, la calidad de la circulación de los usuarios

especialmente en días de lluvia donde la acumulación de agua, hace altamente riesgosa la

conducción de los vehículos. Si bien este fenómeno afecta a todas las capas de la estructura, su

influencia puede ser minimizada en las capas superiores mediante una adecuada dosificación,

formulación y construcción de las mismas. Sin embargo estas circunstancias no son aplicables a

los suelos de fundación que constituyen un condicionante del proyecto y cuya importancia puede

ser muy notable especialmente cuando se producen incrementos de los contenidos de humedad

de los mismos por anegamientos o ineficientes drenajes o solicitaciones extraordinarias por el

exceso de cargas de los vehículos que transitan, por lo que se plantea como necesario la

definición de leyes de falla que los contemple.

Adicionalmente en los últimos años este tipo de falla se ha visto incrementado debido al aumento

del tránsito de camiones pesados con mayores tolerancias de cargas por convenios del

MERCOSUR, el fuerte incremento en la presión del aire usada en los neumáticos de los

camiones, de 80 psi a más de 120 psi, la velocidad de circulación muy lenta, entre otros.

Los métodos de diseño actuales utilizan criterios de falla que se obtienen mediante distintas

líneas de trabajo que pueden complementarse entre sí:

1. Pistas de ensayo a escala natural y/o equipamientos especiales sobre rutas reales (equipos

simuladores de tránsito pesado) o tramos experimentales

6

2. La realización de ensayos en el laboratorio y la obtención de los coeficientes de ajuste

con respecto al comportamiento real de la estructura.

3. Análisis de datos de rutas reales obtenidos del seguimiento periódico de tramos en

servicio.

En el presente reporte se presenta una descripción del comportamiento de las mezclas asfálticas

ante las solicitaciones de tránsito y clima, así como un estado del arte de cómo evaluar dicho

comportamiento a través de distintos ensayos de laboratorio.

2. COMPORTAMIENTO DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS

Las mezclas asfálticas son materiales viscoelásticos cuyas propiedades, dependientes de la

temperatura y la frecuencia de aplicación de las cargas, condicionan su posterior comportamiento

en servicio. Desde el punto de vista estructural, las propiedades mecánicas más importantes son

el módulo de deformación, la resistencia a la fatiga y la resistencia a las deformaciones

permanentes. El comportamiento de estas mezclas ante un proceso de carga es mediante el

desarrollo instantáneo de deformaciones específicas de tipo elástico seguidas luego por otras de

tipo viscoso y dependientes del tiempo. Durante la descarga, la deformación elástica se recupera

en forma inmediata y luego se recuperan otras deformaciones, fundamentalmente de tipo visco-

elástica que dependen del tiempo para quedar finalmente una deformación plástica irrecuperable.

Si la carga que se aplica es de tipo cíclico la acumulación de deformaciones plásticas se va

produciendo en forma gradual a lo largo del tiempo en que se aplique la solicitación.

a b

Figura 1: Evolución de la deformación permanente para

a)una carga estática, b) una carga cíclica

t

ε(t)

εe

εe

tcarga

εr

εp

εve(t)

σ

t

t

ε(t)

εe

εe

tcarga

εr

εp

εve(t)

σ

t

Tiempo

ε

ε P

ε R

σ

7

La evolución de la deformación durante su vida en servicio se desarrolla en tres fases, una inicial

o primaria, que se produce en los primeros ciclos de carga, una secundaria donde la velocidad de

deformación es una característica propia de cada mezcla con ligantes asfálticos y una terciaria,

donde la deformación es a volumen constante y las deformaciones se producen por corte.

Número de ciclos ó Tiempo

ε P (%

)Primaria Secundaria

∆V > 0Terciaria

∆V = 0

Número de Fluencia óTiempo de Fluencia

Def. porcorte

Figura 2: Etapas de la deformación permanente

Las principales variables que afectan el desempeño de las mezclas asfálticas son el tamaño

máximo de los agregados, la distribución granulométrica, el esqueleto granular, el contenido y

tipo del asfalto, los vacíos de aire, la proporción de vacíos llenos con asfalto, forma de

compactación de la mezcla en laboratorio e in situ, la temperatura de la mezcla, la presencia de

agua y tipo y forma de solicitación. Algunos de estos factores pueden ser modificados durante el

proceso de dosificación de la mezcla asfáltica a los efectos de obtener una velocidad de

deformación baja y adecuada a la estructura de la que formará parte.

En la Tabla 1 se detalla la influencia de estos factores sobre la resistencia a la deformación

permanente o al ahuellamiento de las mezclas con ligantes asfálticos.(1)

8

Tabla 1: Factores que afectan la deformación permanente en las mezclas asfálticas

FACTOR CAMBIO DEL FACTOR

EFECTO SOBRE LA RESISTENCIA

AL AHUELLAMIENTO

AGREGADO Textura de la superficial Lisa a rugoso Incremento Granulometría Discontinua a continua Incremento Forma Redondeada a angular Incremento

Tamaño Aumento del tamaño máximo Incremento

LIGANTE ASFÁLTICO

Stiffness o Módulo de Rigidez Incremento Incremento

MEZCLA ASFALTICA Contenido de ligante Incremento Disminuye

Contenido de vacíos de aire (no menor al 3%) Incremento Disminuye

Contenido de vacíos en el agregado mineral (VAM)

(no menor al 10%) Incremento Disminuye

Método de compactación Vibratorio o por amasado Cambio en la estructura

CONDICIONES DE ENSAYO Temperatura Incremento Disminuye

Estado y Nivel de tensiones

Incremento en la presión de inflado de los neumáticos o

el nivel de tensiones Disminuye

Presencia de humedad Seco a saturado Disminuye si la

mezcla es sensible al agua

El procedimiento para estimar la deformación permanente, consiste en establecer para cada

material componente de la estructura del camino, y en particular para la subrasante, una ecuación

constitutiva entre la deformación residual o plástica y el estado de tensiones aplicados, número de

aplicaciones de la misma y las características intrínsecas del material del tipo:

εpi = f(σij, N, Pij) (I)

Donde

εpi: deformación específica permanente

σij: estado de tensiones impuesto

N: número de repeticiones de ese estado de tensiones

Pij: propiedades del material

9

Para una capa en particular es posible entonces estimar la deformación permanente que se

producirá por integración numérica de la deformación permanente respecto al espesor cuando es

dividida en sub-capas de pequeño espesor de la forma:

δip = Σ εpi . ∆z (II)

Donde: δi

p: es la deformación permanente de la capa εpi: es la deformación específica permanente para la sub-capa de espesor ∆z

Y consecuentemente, el ahuellamiento total que sufre toda la estructura del pavimento (Figura 3)

se calculará como la sumatoria de las deformaciones permanentes de cada una de las capas,

∆h = Σ δip (III)

Donde: ∆h : ahuellamiento de la estructura del pavimento δi

p: es la deformación permanente de la capa

Capa de RodamientoBase

Sub -base

Subrasante

Capa de RodamientoBase

Sub -base

Subrasante

Figura 3: Estructura típica de un pavimento flexible

Este procedimiento parece el más razonable por cuanto considera las características propias del

material y su desarrollo debe realizarse a partir de la caracterización del mismo mediante ensayos

que reproduzcan lo más acertadamente las condiciones reales de humedad, densidad y

solicitaciones aplicadas. En ese sentido se plantea generalmente como método de trabajo:

1. establecer una metodología de análisis de la cuestión planteada

2. definir las variables que afectan al proceso de acumulación de deformaciones

permanentes de las mezclas asfálticas, cuantificando sus influencias

3. proponer un modelo de comportamiento que pueda ser aplicado en el proceso de

diseño estructural de los pavimentos

10

2.1. Modelos Matemáticos

La necesidad de desarrollar metodologías para estimar el ahuellamiento de un pavimento en

servicio conduce a vincular el cálculo de tensiones y deformaciones en las distintas capas de la

estructura con modelos de comportamiento de la deformación permanente o la velocidad de

desarrollo de ésta en función del estado de tensiones, número de repeticiones, temperatura y

propiedades del material.

El cálculo de las tensiones y deformaciones en distintos puntos de la estructura del pavimento

puede ser ejecutado mediante procedimientos elásticos o visco elásticos. Más recientemente, el

uso de elementos finitos ha posibilitado introducir consideraciones respecto al efecto localizado

de la interfase neumático – calzada.

En lo que atañe a los modelos de evolución de la deformación permanente o la velocidad de

acumulación de ésta respecto a distintas variables, numerosos modelos han sido propuestos por

diferentes investigadores. En muchos casos, estos modelos matemáticos son ecuaciones

obtenidas por correlación a partir de resultados de ensayos de laboratorio o análisis de tramos de

pavimento en servicio. Algunos de estos modelos se presentan a continuación: b

P Na ⋅=ε (IV)

)( 1bP

P NbaN

−•

=ε=∂ε∂ (V)

α−−

•

µ=ε

=εε NNba 1b

RR

P )( (VI)

α−•

εµ=ε NRP b1−=α (VII)

)(

)(α−

α−εµ=ε 1R

P N1

R

baε

=µ (VIII)

Donde,

N: número de ciclos

εP: deformación específica axial permanente

εR: deformación específica axial resiliente

11

•εP : velocidad de deformación

µ y α: se definen para distintos materiales a partir de ensayos de laboratorios

En la Tabla 2 se detalla la influencia de algunos de los factores sobre los parámetros que rigen el

comportamiento a la deformación permanente de las mezclas asfálticas.

Tabla 2: Influencia de distintos factores en los parámetros

de la deformación permanente

FACTOR εR εP a b

TEMPERATURA MUY ALTA MUY ALTA MUY ALTA MODERADA

TENSOR DESVIADOR MUY ALTA MUY ALTA ALTA NINGUNA

TIPO AGREGADO (*) NINGUNA NINGUNA NINGUNA NINGUNA

TIPO ASFALTO MODERADA MODERADA ALTA NINGUNA

% ASFALTO (**) NINGUNA NINGUNA MODERADA MODERADA

% VACIOS MODERADA MODERADA MODERADA MODERADA

(*) con precauciones, (**) ±1% alrededor del óptimo

El modelo más simple, cuyos primeros antecedentes de remontan a la década del 70 (1), es el que

sólo considera la deformación específica axial permanente en función del número de aplicaciones

de carga para un dado nivel de solicitaciones, su representación en escala bi-logarítmica está dada

por una recta (Figura 4).

Naa 21P loglog +=ε (IX)

12

log (Número de ciclos)

log (ε P)

log a

b

εP = a . Nb

log (εP) = log a + b . log N

Figura 4: Modelo de la deformación acumulada en función del Nº ciclos

Este tipo de modelo evolucionó en el tiempo a modelos más completos que tienen en cuenta la

mayoría de los factores que se mencionan en la Tabla 1, a continuación se muestra la

desarrollada por Kaloush (2)

VaaVbeffaaaTaNaa 765d4321R

P logloglogloglogloglog ++η+σ+++=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛εε (X)

En particular el Método de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 (3), adopta como criterio de

falla de mezclas asfálticas el siguiente

NbTbb 321R

P logloglog ++=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛εε (XI)

Donde,

N: número de ciclos

T: temperatura

σd: tensor desviador

η: viscosidad a 60 ºC

Vbeff: Porcentaje volumen efectivo de ligante

Va: Porcentaje de vacíos

ai, bi: constantes de correlación experimentales

Por otra parte el Método de Diseño de Pavimentos de Shell (4), no modela la deformación

permanente sino que directamente estima el ahuellamiento de la mezcla asfáltica como

13

viscSmixhCh m ,

σ⋅⋅=∆ (XII)

donde,

∆h: es el ahuellamiento

Cm: factor de corrección Cm por efecto dinámico

0z σ⋅=σ tensión promedio de la capa asfáltica

0σ : presión de contacto del neumático

z: un coeficiente de influencia de la distribución de presiones dentro de la capa en estudio

Smix,visc: stiffness o rigidez de la mezcla asfáltica.

σ0

h σ

σ0

h σ

Figura 5: Modelo propuesto por SHELL

Este método propone que la relación existente entre las rigideces de la mezcla asfáltica y el

ligante (Smix y Sbit) es la misma que entre sus partes viscosas Smix,visc y Sbit,visc, como se

muestra en la Figura 6, y donde

0tN

VISC3viscSbit =, (XIII)

VISC: viscosidad del ligante a la temperatura media de la vida del pavimento

N: Número de ejes equivalentes

t0: el tiempo de carga función de la velocidad de los vehículos pesados

14

Smix,elast

SmixSmix,visc

Sbit,elast

SbitSbit,visc

Smix,elast

SmixSmix,visc

Sbit,elast

SbitSbit,visc

Figura 6: Relación de rigideces entre las mezclas asfálticas y el ligante

3. PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO: ENSAYOS DE LABORATORIO

Como se mencionó en el capítulo anterior la deformación permanente en las mezclas asfálticas

es una combinación de densificación (cambio de volumen) y deformación por corte de las

mismas bajo la acción de cargas dinámicas provocadas por el tránsito y el clima, y puede ser

estimado a través de distintas ecuaciones constitutivas. Estas relaciones son alimentadas a través

de datos obtenidos a partir de distintas líneas de trabajo que pueden complementarse entre sí. Las

principales son:

1. Pistas de ensayo a escala natural y/o equipamientos especiales sobre rutas reales (equipos

simuladores de tránsito pesado) o tramos experimentales,

2. La realización de ensayos en el laboratorio y la obtención de los coeficientes de ajuste con

respecto al comportamiento real de la estructura,

3. Análisis de datos de rutas reales obtenidos del seguimiento periódico de tramos en servicio

En el presente trabajo se efectúa un análisis de los ensayos de laboratorio que permiten

caracterizar las mezclas asfálticas desde el punto de su deformabilidad.

Los ensayos de laboratorio tratan de reproducir lo mejor posible las condiciones de solicitaciones

in situ, e incluyen generalmente distintas posibilidades de ensayo de las muestras bajo diferentes

estados de tensiones, temperatura, humedad, etc. Entre los más utilizados se encuentran:

1. Ensayo de creep en compresión axial y triaxial

2. Ensayo de creep en compresión axial y triaxial con carga pulsante

3. Ensayo en compresión triaxial con carga dinámica

4. Ensayo de tracción indirecta por compresión diametral con carga pulsante

5. Ensayo de corte simple

6. Ensayos de rueda cargada o Wheel-tracking tests

15

Las primeras 6 técnicas experimentales del listado son ensayos fundamentales que permiten

encontrar ecuaciones constitutivas en función de los estados de tensiones y para las distintas

condiciones de servicio. Tienen la ventaja que, generalmente, sus resultados son reproducibles

por distintos laboratorios, y las desventajas que presentan alguno de ellos es el elevado costo de

los equipos y las dificultades operativas que conlleva la ejecución de los ensayos.

Los ensayos de rueda cargada, a pesar de estar normalizados, tienen la desventaja que existen

muchos diseños de equipos diferentes y que por lo tanto no es factible comparar la magnitud del

ahuellamiento entre ellos. Sus resultados permiten para un equipo determinado establecer un

“ranking” o clasificación de las mezclas respecto al comportamiento a la deformación

permanente. Una vez calibrados pueden operar como ensayos del tipo “pasa” – “no pasa” .Por lo

tanto, cabe resaltar que la desventaja más importante al presente es que no permite predecir el

ahuellamiento que se va a producir en una determinada capa de concreto asfáltico a lo largo del

tiempo. Por otro lado tienen la ventaja que su costo no es tan elevado como los anteriores, su

operación es más sencilla y permite optimizar el diseño de la mezcla asfáltica.

3.1. Ensayo de creep estático en compresión axial y triaxial

El ensayo de creep con o sin confinamiento lateral y con carga estática ha sido muy usado para

evaluar las características de las mezclas asfálticas

y sus resultados fueron usados en variados métodos

de predicción del ahuellamiento.

Es uno de los ensayos más ampliamente utilizados

debido a su simplicidad. Sus resultados expresan la

evolución de la deformación específica permanente

en función del tiempo, para una carga aplicada y

temperatura de ensayo.

El grupo de investigación liderado por Van de

Loo (5), en los laboratorios de Shell en Ámsterdam,

son los que más han usado esta técnica de ensayo y es la que se adopta en el Método de Diseño

de pavimentos flexibles de Shell (4). Esta técnica fue utilizada, también, en el laboratorio vial

del IMAE (6) en la década del 80.

Se somete a las probetas de tipo Marshall a un ensayo de compresión vertical con carga estática,

sin confinamiento lateral, para condiciones prefijadas de carga y temperatura. Los resultados

Figura 7 : Creep Uniaxial (24)

16

encontrados sólo permiten comparar el comportamiento de las mezclas ante la deformación

acumulada, pero no se encontró un modelo adecuado para predecir el ahuellamiento.

3.2. Ensayo de creep en compresión axial y triaxial con carga pulsante

Para la medición de la respuesta de las mezclas asfálticas con carga repetida (pulso de carga

repetido con determinada frecuencia en el tiempo) existe una variedad muy grande de sistemas

de carga, desde el tipo mecánico pasando por los neumáticos hasta los sistemas electro-

hidráulicos. Los sistemas más sofisticados como el equipo de ensayo Fast-Cell (UI-FC) de la

Universidad de Illinois en EEUU, son capaces de

• Aplicar cargas repetidas tanto axiales como laterales, en

fase una con otra, para pulsos de carga con formas

distintas, para un rango entre 0.01 a 1.0 segundo de

aplicación de carga

• Aplicación de la carga axial tanto en compresión como en

tracción

• Incorporar períodos de descanso entre ciclos de

solicitación

• Medir la deformación permanente y resiliente horizontal y

vertical

• Medir la temperatura con una tolerancia de ± 0.3 ºC

La bibliografía en general marca que los ensayos con carga repetida son más apropiados y

sensibles a la formulación de la mezcla asfáltica que los ensayos de creep estáticos (1).

3.3. Ensayo en compresión triaxial con carga dinámica

Estos ensayos aplican una carga sinusoidal en forma dinámica, para un rango de frecuencias.

Permiten determinar sobre una probeta cilíndrica de mezcla asfáltica tanto sus propiedades

dinámicas como de creep. Los ensayos triaxiales dinámicos también permiten la determinación

de propiedades fundamentales como los módulos dinámicos y el ángulo de fase en función de la

frecuencia de carga, el número de ciclos aplicados y la temperatura de ensayo. Este ensayo ha

sido extensamente usado debido a que se aplica un estado uniforme de tensiones sobre la probeta

(sobretodo si los cabezales están convenientemente lubricados), admite la aplicación y

Figura 8: Equipo Fast-Cell (25)

17

combinación de un amplio rango de presiones de confinamiento y de tensores desviadores

permitiendo reproducir gran parte de los estados de tensiones in situ, tiene algunas limitaciones

para reproducir los estados de tensiones de la capa de rodamiento, y finalmente es de relativa

fácil implementación.

Tabla 3: Ensayos Uniaxiales para evaluar deformaciones plásticas

MÉTODO DE

ENSAYO

DIMENSIÓN DE LA

PROBETA VENTAJAS DESVENTAJAS

Uniaxial Estático

(creep).

10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.

El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. Muy extendido y conocido. Información muy técnica.

Predice el funcionamiento, siendo cuestionable. Restringe la temperatura de ensayo y los niveles de carga, no simula condiciones reales. No simula el fenómeno dinámico real. Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio.

Uniaxial

con Carga

Repetida.


Buenas simulaciones de las condiciones de carga dinámica

El equipo es muy complejo Restringe los niveles de carga, no simula condiciones reales. Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio.

Uniaxial con Módulo

Dinámico.


Ensayo no destructivo.

Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio. El equipo es muy complejo

ENSAYOS UNIAXIALES.

Resistencia Uniaxial.


Tiempo de ensayo mínimo El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios.

La capacidad para predecir la deformación permanente es cuestionable

18

Tabla 4: Ensayos Triaxiales para evaluar las deformaciones plásticas.

MÉTODO DE

ENSAYO

DIMENSIÓN DE LA


Triaxial Estático (creep confinado).


Las temperaturas de ensayo y los niveles de carga simulan mejor las condiciones in situ que en el ensayo no confinado. El ensayo y el equipo son relativamente simples.

Predice el funcionamiento, siendo cuestionable Restringe los niveles de carga, no simula condiciones reales. No simula el fenómeno dinámico real. Dificultad para obtener relaciones 2:1de las probetas en el laboratorio.

Triaxial con Carga Repetida.


Las temperaturas de ensayo y los niveles de carga simulan mejor las condiciones in situ que el ensayo no confinado. Buenas simulaciones de las condiciones de carga dinámica

El equipo es muy complejo Restringe los niveles de carga, no simula condiciones reales. Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio.

Triaxial con Módulo Dinámico.


Proporciona una entrada necesaria para el análisis estructural Ensayo no destructivo.

La medición de deformaciones es complejo a bajas temperaturas Posiblemente menos problemas para estudiar la disposición de LVDT. El equipo es muy complejo y costoso. Requiere una cámara triaxial.

ENSAYOS TRIAXIALES.

Esfuerzo Triaxial.


Tiempo de ensayo mínimo El ensayo y el equipo son relativamente simple

Requiere una cámara triaxial. La capacidad para predecir la deformación permanente es cuestionable.

3.4. Ensayo de tracción indirecta por compresión diametral con carga pulsante

El ensayo de tracción indirecta por compresión diametral con cargas repetidas es un ensayo que

ha alcanzado un gran desarrollo a nivel de la técnica vial mundial. Este ensayo, destinado a

caracterizar originariamente la resistencia a la tracción de hormigones de cemento portland, fue

luego adaptado en los Estados Unidos de Norteamérica y en Brasil para la determinación del

módulo de deformación y la resistencia a la fatiga de mezclas asfálticas.

19

Las razones básicas en las que se apoyó esta

aplicación son (1):

• Es sencillo de efectuar y de fácil implementación

• Las probetas requeridas son comunes a las de

otros ensayos (Marshall) pudiendo utilizarse

tanto muestras obtenidas del camino o elaboradas

en laboratorio.

• Posee buena repetibilidad con bajo coeficiente de

variación de sus resultados

• Pueden efectuarse ensayos con cargas repetidas o

en condición de carga estática

A partir de los trabajos realizados por Kennedy y otros en USA y Preussler y otros en el Brasil,

el Laboratorio Vial del IMAE desarrolló en

1983 un prototipo del equipo de ensayo de

Tracción Indirecta con carga pulsante. Una

primera experiencia en la determinación

del módulo dinámico y la resistencia a la

fatiga de un concreto asfáltico se llevó a

cabo en dicha fecha y se continuó con su

utilización en forma ininterrumpida (8,

9,10).

La experiencia de distintos autores indica

que si bien es una herramienta útil para la

determinación de módulos y vida en fatiga

de mezclas asfálticas, no sería apropiada para su caracterización a deformación permanente,

principalmente cuando la temperatura o carga de ensayo produce deformaciones importantes

sobre la probeta. Este hecho hace que las tensiones actuantes no sean constantes y por lo tanto se

dificulta relacionar una deformación permanente con un nivel de tensiones dados. Otros autores

como Kennedy lo siguen considerando aceptable para la comparación del comportamiento a

deformaciones plásticas de mezclas asfálticas.

Figura 9: Fatiga por compresión (26)

Figura 10 : prueba diametral para determinación del módulo de resiliencia (26)

20

Tabla 5: Ensayos Diametrales para evaluar la deformación plástica

MÉTODO DE

ENSAYO

DIMENSIÓN DE LA


Diametral Estático (creep).

10 cm de diámetro x 7.5 cm. de altura

El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. El espécimen es fácil de fabricar.

Diametral con Carga Repetida.


El ensayo es fácil de desempeñar. El espécimen es fácil de fabricar.

Diametral con Módulo Dinámico.


El espécimen es fácil de fabricar. Ensayo no destructivo.

ENSAYOS DIAMETRALES.

Resistencia Diametral.

10 cm de diámetro x 7.5 cm. De altura

El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. El espécimen es fácil de fabricar. Tiempo de ensayo mínimo

El estado de tensión es no uniforme y la fuerza depende de la forma del espécimen. A alta temperatura de carga existen cambios en la forma del espécimen que afectan el estado de esfuerzos y las medidas significativas del ensayo. Tal vez sea inapropiado para estimar la deformación permanente. Se encontró que sobreestimaba el valor de la deformación permanente Para el ensayo dinámico el equipo es complejo.

3.5. Ensayo de corte simple

El ensayo de corte simple ha sido muy usado en mecánica de suelos para la determinación de las

propiedades al corte de los suelos. Para mezclas asfálticas su uso se justifica cuando la causa

predominante del ahuellamiento es la fluencia plástica de corte.

El equipo más apropiado es el que permite la aplicación de una carga repetida o dinámica sobre

un rango de frecuencias que permita además la determinación de los módulos de corte resiliente

y dinámico.

Si bien pocos investigadores han usado esta técnica de ensayo, es aplicable para establecer las

propiedades de las mezclas asfálticas al ahuellamiento ya que éste es provocado principalmente

por la fluencia plástica por corte.

21

Monishmith y Tayeballi (1) han usado esta técnica para comparar la respuesta del

comportamiento de las mezclas asfálticas en probetas compactadas con el compactador

Kneading y especimenes obtenidos del pavimento.

Tabla 6: Ensayos Corte para evaluar la deformación plástica MÉTODO

DE ENSAYO

DIMENSIÓN DE LA


SST Ensayo de Frecuencia de Barrido Módulo de Corte Dinámico.

15 cm de diámetro x 5 cm de altura.

La aplicación del esfuerzo de corte simula las cargas inducidas por el tráfico. AASHTO estandarizó el procedimiento disponible. El espécimen se prepara con la prueba SGC. La curva maestra podría dibujarse a diferentes temperaturas y frecuencias. Ensayo no destructivo.

El equipo es extremadamente costoso y de limitada disponibilidad. El ensayo es complejo y difícil de ejecutar Las muestras obtenidas en el SGC1 se necesitan cortar y pegar a los cabezales

SST Ensayo Repetido de Corte con altura constante.


La aplicación del esfuerzo de corte simula las cargas inducidas por el tráfico. AASHTO estandarizó el procedimiento disponible. El espécimen se prepara con la prueba SGC.

El equipo es extremadamente costoso y de limitada disponibilidad. El ensayo es complejo y difícil de ejecutar. Las muestras obtenidas en el SGC se necesitan cortar y pegar a los cabezales.

ENSAYOS DE CORTE.

Ensayo Triaxial de Esfuerzo de Corte.


Corto tiempo de ensayo.

Espécimen confinado, más requerimientos y complejidad. Mucho menos utilizado.

1 SGC: Shrp Giratory Compactor

22

Figura 12: Corte simple – SUPERPAVE(31)

3.6. Ensayos de Rueda cargada o Wheel-Tracking Tests

Los ensayos de rueda cargada se encuentran dentro de los ensayos de simulación. Para alcanzar

una validación correcta entre lo que sucede en laboratorio e in situ, el ensayo debe reproducir las

condiciones de tensiones que se desarrollan dentro del pavimento y para un rango de

temperaturas amplio que permita abarcar condiciones desfavorables del orden de los 60 ºC.

El procedimiento general de ensayo consiste en medir la velocidad de deformación o la

deformación vertical que se produce en un espécimen de mezcla asfáltica, prismático o

cilíndrico, ante la aplicación de una carga dinámica, aplicada mediante una rueda cargada.

Las características de los equipos difieren de acuerdo a su origen. A continuación se presentan

algunos de los equipos de tipo Wheel-tracking tests más difundidos.

3.6.1. Georgia Loaded Wheel Tester (GLWT)

El GLWT fue desarrollado a mediados de los 80 en Georgia a partir de modificaciones

introducidas a un modelo diseñado por C.R. Benedict de Benedict Slurry Seals.Inc., para

ensayar lechadas de asfalto (slurry seals) a los fines de elaborar un instrumento que permitiera

realizar ensayos de medición de ahuellamiento en laboratorio así como también control de

calidad en obra de mezclas asfálticas en caliente.

23

Figura 13: Georgia loaded wheel tester (GLWT) (29)

Utiliza muestras cilíndricas (de 15cm de diámetro x 7,5cm de altura) o una muestra rectangular

(12,5cm de ancho x 30,0cm de largo x 7,5cm de altura) compactadas por distintos métodos y con

contenidos de vacío de 4% o 7%.

La metodología empleada consiste en la aplicación de una carga de 445N a través de una rueda

metálica, que apoya sobre una manguera neumática presurizada a 690 kPa, ubicada sobre la

muestra, donde a partir de un movimiento de ida y vuelta (1 ciclo) de esta última simula la

circulación vehicular, y permite la medición de ahuellamiento, en particular a los 8000 ciclos,

para condiciones dadas de temperatura que oscilan entre los 35°C y los 60°C. La velocidad de la

rueda es de 55.55 cm/seg (33 ciclos/min), sobre un recorrido de 33cm. (11, 12, 19).

3.6.2. Asphalt Pavement Analyzer (APA)

El APA fue construido por primera vez en 1996 por Pavement Technology, Inc a partir de una

modificación del modelo de Georgia . Su uso se encuentra protocolizado a través de la norma

AASHTO TP 63-03 Standard Test Method for determining Rutting Susceptibility of Asphalt

Paving Mixtures using the Asphalt Pavement Analyzer.

Tiene la capacidad de evaluar ahuellamiento, fatiga y resistencia a la acción de la humedad de

mezclas asfálticas en caliente, a través de un dispositivo similar al de Georgia: una muestra

cilíndrica o rectangular, sometida a una temperatura entre 40.6°C y 64°C, sobre la que apoya una

manguera a una presión de 690kPa o 830kPa y una rueda que aporta, mediante un movimiento

de ida y vuelta(1 ciclo) sobre la manguera, una carga de 445N o 533N (depende de la presión

dada) simulando los vehículos circulantes.

24

Figura 14: APA – Asphalt Pavement Analyzer (2)

Las muestras se compactan mediante vibrado o amasado logrando 4% o 7% de contenido de

vacíos en las cilíndricas y 7% en las rectangulares. Las mismas pueden estar secas o saturadas y

realizadas en laboratorio o extraídas in situ.

Los resultados que se obtienen son la deformación al final del ensayo (8000 ciclos) y una gráfica

deformación vs tiempo. (11, 12, 13)

3.6.3. Hamburg Wheel-Tracking Device (HWTD)

El modelo de Hamburgo fue desarrollado en Alemania en 1970, tomando como idea principal un

modelo de origen Británico. Es ampliamente utilizado en EE.UU. y Europa para evaluar mezclas

asfálticas en relación a su resistencia a la humedad y al ahuellamiento.

Figura 15: Máquina de ensayo(4)

25

En EEUU está normalizado en AASHTO T 324-04 Standard Method of test of Hamburg Wheel-

Track Testing of Compacted Hot Mix Asphalt. En general, permite evaluar dos muestras

simultáneamente, mediante dos ruedas paralelas.

Cada mitad del sistema está compuesta por una rueda de acero de 4.7cm de ancho y 20.36cm de

diámetro que se mueve hacia delante y hacia atrás, a una velocidad aproximada de 34 cm/seg

(53±2 pasadas/min), aplicando una carga de 705N sobre una muestra sumergida en agua a una

temperatura que oscila entre los 25°C y 70°C, siendo 50°C la temperatura mayormente

empleada. Dichas muestras pueden ser prismáticas (26cm x 32cm x 4cm, con un contenido de

vacíos de 6% a 8% para mezclas densamente graduadas y 5% a 6% para mezclas tipo S.M.A,

compactadas por amasado) ó cilíndricas (de 15.2 cm o 25.4 cm de diámetro, 6.2cm de espesor y

densidad del 93%).

El ensayo se realiza hasta un número determinado de pasadas o hasta una deformación

propuesta, lo que ocurra primero. Una vez finalizado el mismo se grafican los resultados en una

curva de deformación en función del número de pasadas, y a partir de ésta se determinan los

parámetros de evaluación: máximo ahuellamiento, pendiente de deformación o “creep slope”

(susceptibilidad al ahuellamiento), pendiente de descubrimiento o stripping slope (deformación

acumulada causada por daños por humedad) y punto de descubrimiento o “stripping point”

(punto donde comienzan a notarse los cambios por humedad).

Existen otros ensayos derivados del de Hamburgo, como el SCRT o el ERSA, en donde se

introducen pequeñas modificaciones en las distintas variables del ensayo (carga aplicada y

velocidad de aplicación, tipo de muestra, condición húmeda o seca, contenido de vacíos,

temperatura de ensayo), o del instrumental (dimensiones de probetas, aplicación de carga sobre

manguera neumática).

Figura 16: Máquina de ensayo ERSA(30)

26

Otro ejemplo a considerar es el modelo realizado en el LEMIT (La Plata – Argentina) a partir del

Wheel Tracking Test WTT, que había sido construido en 1962 siguiendo la norma británica.

El modelo de Hamburgo puede ser empleado para la evaluación de mezclas asfálticas aplicando

un criterio de “pasa”/ “no pasa” en el diseño de las mismas, así como para la comparación con

otros métodos de evaluación. (11, 14, 15, 16, 17, 18, 19)

3.6.4. Equipo de Pista de ensayo de laboratorio según la normativa española e

inglesa

Estos equipos de ensayos permiten determinar la resistencia a la deformación plástica de una

mezcla bituminosa, tanto en los casos de proyectos de mezclas en el laboratorio como en el de

testigos procedentes de pavimentos.

El ensayo consiste en someter una probeta de la mezcla bituminosa, al paso alternativo de una

rueda metálica de 20 cm de diámetro, recubierta con 10 a 20 mm de caucho (dureza 80 Shore A),

en condiciones determinadas de presión y temperatura, midiéndose periódicamente la

profundidad de la deformación producida.

Las características particulares de cada uno de los ensayos normalizados se describen en el punto

de comparación de normas.

Los resultados obtenidos, para una temperatura y una frecuencia de ensayo dada, manifiestan la

deformación acumulada en el centro de la probeta, y la velocidad de deformación expresada en

mm/min, para diferentes períodos de tiempo.

Figura 17: Máquina de ensayo de la universidad de Cataluña (izquierda) y de Mastrad

(derecha)

27

3.6.5. Purdue University Laboratory Wheel-Tracking Device

Este ensayo de rueda cargada se desarrolló en la Universidad de Purdue y presenta similitud con

el ensayo de Hamburgo, ya que permite determinar el ahuellamiento potencial y sensibilidad a la

acción de la humedad. Aplica una presión de 620kPa sobre la muestra (de campo o laboratorio)

con una velocidad de 33,2cm/seg a través de una rueda neumática inflada a una presión de

793kPa.

Las dimensiones de la probeta utilizada son de 50cm de longitud, 18cm de ancho y de 1 a 5 cm

de espesor. Las muestras son rectangulares (29cm x 31cm) y su espesor es función del tipo de

mezcla que se está ensayando: superficiales 3,8cm; mezclas de base 5,1cm y mezclas asfálticas

gruesas para base 7,6cm. Se compactan por medios de compactación lineales con contenidos de

vacíos entre 6% y 8% pudiendo ensayarse en condiciones húmedas o secas.

Figura 18: Máquina de ensayo, Purdue University Laboratory Wheel Tracking (11)

El ensayo se realiza hasta los 20000 pases de ida y vuelta o hasta los 2cm de ahuellamiento.

Finalizado, se procede a obtener el coeficiente de humedad definido como la relación entre el

número de ciclos para los que se alcanza una huella de 1,27cm en condiciones secas y el

correspondiente para condiciones húmedas (el valor 1.27cm define un límite entre buen y mal

comportamiento frente a la humedad)

Cabe destacar que en este ensayo puede adaptarse una rueda móvil con la cual simular un

movimiento en sentido transversal en el ancho de la muestra.(11)

28

3.6.6. French Wheel Tracker (FWT)

El FWT es un ensayo que permite prevenir daños por ahuellamiento en mezclas asfálticas en

caliente. Con ese objetivo ha sido usado en Francia en los últimos 20 años y en la actualidad ha

comenzado a utilizarse en los EE.UU.

La metodología de este aparato es similar a las ya descriptas; una carga de 5000N es aplicada a

una rueda neumática de 400 x 8 con una presión de inflado de 600kPa, a una velocidad de

194.44 cm/seg (67 ciclos/min).

Las dimensiones de la probeta utilizada son de 50cm de longitud, 18cm de ancho y de 1 a 5 cm

de espesor. Cabe destacar que esta máquina permite el ensayo de 2 probetas simultáneamente.

Las mismas pueden corresponderse con la base o la superficie de rodadura, para lo cual varían

las temperaturas de ensayo: 50°C y 60°C, respectivamente.

Finalizado el ensayo se calcula la deformación, definida como la media de 15 mediciones de

profundidad de huella medidas en 5 hileras paralelas al largo y 3 distribuidas a lo largo del ancho

la muestra. Se expresa como un porcentaje del espesor original de la muestra. (11, 19)

Figura 19: Máquina FWT (1), interior(31) y detalle de la probeta(31)

3.6.7. Model Mobile Load Simulator (MMLS3)

El MMLS3, desarrollado en Sudáfrica, es un simulador de carga móvil con una escala 1/3

respecto al real. Se aplica a la evaluación de muestras de mezclas asfálticas en caliente

29

producidas en laboratorio o in situ. Las mismas tienen dimensiones 120cm x 24 cm. Son

ensayadas húmedas y secas.

Las características del ensayo son similares a las del simulador a escala real, en este caso la

carga, aplicada por una única rueda neumática, inflada a una presión de 800kPa que genera una

presión de contacto sobre la muestra de 690kPa, es de 2.1KN (aproximadamente 1/9 de la real

dada por una doble rueda) y se mueve a una velocidad de 7200 pasadas/hora. Las dimensiones

de la rueda son 30cm de diámetro y 8 cm de ancho. La temperatura aplicada varía según la

condición del ensayo: 50°C y 60°C para condición seca y 30°C para condición húmeda. Puede

incorporarse una rueda móvil que simule el movimiento transversal de la misma.

Los valores medidos en el ensayo son los de profundidad de huella en los perfiles transversales,

los cuales se utilizan para determinar el Módulo por Análisis Sísmico de onda de Superficie

(Seismic Análisis of Surface Waves moduli), el cual permite evaluar el ahuellamiento o daños

producidos por agrietamiento o humedad. (11)

Figura 20: MMLS3(1)

30

En la Tabla 7 se muestran las principales características de los equipos más usados y los que

siguen las normativas europeas, española y británica.

Tabla 7: Comparación de las principales características de los ensayos de Rueda Cargada

LCPC Hamburgo Georgia GB (BS)

BS EN (CEN)

ESPAÑA (NLT)

Carga de la rueda (N) 5000 705 700 520 Variable - Presión sobre la probeta (kPa) 600 1.5 700 - Variable 900 Frecuencia de carga (Ciclos por minuto) 60 53 45 21 26 21

Tipo de rueda Rueda Neumática

Rueda de acero

Rueda de

caucho

Rueda de

caucho

Rueda de caucho y

Neumática

Rueda de caucho

Medio del Ensayo Aire Agua Aire Aire Aire Aire Masa de la probeta (kg) 20 10 5 Variable Variable VariableEspesor de la probeta (mm) 100 Variable 75 35-55 Variable 51 Temperatura del Ensayo (ºC) 60 50 40 45 , 60 Variable 60 Máxima deformación permitida 10 mm. 4 mm. 7 mm. 15 mm Variable -

31

Además, a modo de resumen, en la Tabla 8 se realiza una comparación de las principales

ventajas y desventajas de algunos de los ensayos descriptos (29)

Tabla 8: Ventajas y desventajas de los ensayos de Rueda Cargada (LWT)

MÉTODO DE ENSAYO

DIMENSIÓN DE LA PROBETA VENTAJAS DESVENTAJAS

Modificado y mejorado del ensayo de Georgia (GLWT) Funcionamiento simple

Usado extendidamente como ensayo LWT en EEUU Se dispone de criterios de límites de aceptación Simula la acción del tráfico y condiciones de temperatura.

Pueden ser ensayadas de 3 a 6 probetas al mismo tiempo. Utiliza especimenes cilíndricos y/o rectangulares

Analizador de Pavimentos Asfálticos

(APA)

Cilíndrico 15cm. x 9cm ó 11.4 cm ó

rectangular

Usa compactador giratorio, SGC.

Relativamente costoso

Usada ampliamente en Alemania. Capaz de evaluar los daños producidos por la humedad. Wheel – Tracking

de Hamburgo 26cm. x 32 cm. x 4cm

Se pueden ensayar dos probetas al mismo tiempo.

Bajo potencial de aceptación por parte de los EEUU

Muy exitoso y usado en Francia. Ensayo de

Ahuellamiento Francés

50cm. x 18cm. x 1a 5 cm.

Pueden ensayarse dos muestras de mezcla asfáltica en caliente al mismo tiempo

No fue extendido ni utilizado en los EEUU

PURWheel 29 cm. x 31 cm. x 3.3, 5, 7.6 cm

El espécimen puede ser traído de campo o preparado en el laboratorio.

Necesita un compactador lineal.

Se necesitan mayor volumen de materiales No es adecuado para usarlo rutinariamente Modelo Móvil de

Simulación de carga (MMLS3)

120cm x 24cm x espesor variable El espécimen es construido a escala

La normativa para la fabricación de estos especimenes necesita ser desarrollado

32

3.6.8. Equipos de ensayos del tipo LWT en la Argentina

El desarrollo de los equipos de ensayo del tipo Load Wheel Test en la república Argentina data

de los últimos 3 años. En los laboratorios del LEMIT, en la ciudad de La Plata, se encuentran

disponibles un Hamburgo Wheel-Tracking y un equipo de pista de rueda cargada de laboratorio.

El primero de los equipos es la adaptación del conocido como Wheel Tracking Test (WTT). Este

equipo desarrollado por el Road Research Laboratory de Inglaterra, guarda cierta similitud con el

aparato de Hamburgo, por lo que el grupo de investigaciones viales del Lemit decide adecuarlo a

las actuales exigencias de este aparato. El segundo equipo de rueda cargada responde a la

normativa británica y la compactación de las probetas se realizan en forma dinámica, a través de

un martillo neumático.

YPF cuenta con un equipo de rueda cargada (Cooper) similar al del Lemit, pero las probetas son

compactadas por amasado mediante un arco de cilindro metálico cargado, que simula la

compactación de un rodillo liso.

Figura 21: Hamburgo wheel-tracking del Lemit

Figura 22: Ensayo de Rueda cargada del Lemit

33

Figura 23: Ensayo de Rueda cargada de YPF

Figura 24: Equipo de compactación por amasado de YPF

4. COMPARACIÓN DE NORMAS DE ENSAYO

En este capítulo se lleva a cabo la comparación de normas sobre ensayos de rueda cargada que se

están empleando en nuestro país, por lo tanto la misma se limita a las siguientes normas

• NLT – 173/84 – Resistencia a la deformación plástica de las mezclas bituminosas

mediante la pista de ensayo de laboratorio (España,1984)

• BS 598 Sampling and examination of bituminous mixtures for roads and other

paved areas. Part 110. Methods of tests for the determination of wheel tracking

rate. (Gran Bretaña, borrador revisado al 2001)

• BS EN 12697-22:2003 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt.

Part 22. Wheel Tracking (Comunidad Europea, 2004)

34

• PrEN 12697-33 Specimen Preparation. Slab compactor (Comunidad Europea,

borrador 1998)

Las Tablas 9, 10 y 11 contienen una comparación de las normas citadas en cuanto a las

características de las muestras, los procedimientos de ensayos, análisis de resultados, la

metodología de ejecución de los especimenes y el manejo de probetas caladas obtenidas in situ.

35

Tabla 9: Cuadro comparativo entre las normativas española y británica de ensayos de mezclas asfálticas en pistas de ensayo de laboratorio (20, 21, 22)

NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA

DENOMINACIÓN NLT – 173/84 BS 598 Part 110 BS EN 12697-22:2003 OBJETO Determinación de resistencia a la deformación plástica en una mezcla bituminosa

TIPO • probeta de laboratorio • muestra extraída in situ

• muestra extraída in situ• extensión a laboratorio

• probeta de laboratorio • muestra extraída in situ

DIMENSIONES [cm]

(en planta) Prismática 30 x 30 Cilíndrica Ø 20±0.5

medida grande (L)

(50x18)±0.2

medida extra grande (XL) (70x50)±0.5

medida pequeña (S)

26x30(mínimo) Cilíndrica Ø 30

S/ espesor capas pavimento ≤ 5cm→ 5 > 5cm→ 10

6 ESPESOR [cm] 5 Espesor de la capa ±1cm

(hasta 5 cm)

Especificar espesor 3 – 5 – 6 – 7.5 – 10

Igual espesor que en el pavimento o

s/ tamaño máximo del

agregado (ver Tabla 10)

Procedimiento A (aire): 6

Procedimiento B (aire): 2

Cantidad requerida (por cada variable) 3 (mínimo) 6 2(mínimo) 2(mínimo)

Procedimiento B (agua): 2

Mezcla densa, semi-densa 97% densidad de Marshall

(mínimo) GRADO DE COMPACTACIÓN Otras mezclas

95% densidad de Marshall

MU

ESTR

A

DETERMINACIÓN DE DENSIDAD

Mediante la masa de la muestra y el volumen determinado con las

dimensiones geométricas de la misma

Cálculo de densidad s/ cláusula 4 de BS 598

Part 104:1989 S/ norma EN 12697-33 ó EN 12697-32

36

NORMA

ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA

L XL S

MU

ESTR

A

Acondicionamiento previo al ensayo

Luego de la compactación se

dejan enfriar entre 12-24hs (mínimo) y luego se calientan en

estufa a 60±2°C durante 4

horas(mínimo) antes del ensayo

Se colocan las muestras en un ambiente controlado a la

temperatura del ensayo durante 4-16hs antes de

ensayar, hasta que la probeta alcance la

temperatura de ensayo ±1°C

Condición: • Ta<75°C si Te ≤60°C • Ta=Te +15°C si Te>60°CDonde Ta: Temperatura del aire Te: Temperatura de ensayo Mantener estas condiciones durante 12-16 hs antes de ensayar

Acondicionar las muestras a la

temperatura de ensayo por un

período entre 12-18 hs antes de

ensayar

Procedimiento en aire: función del espesor nominal

(NT) NT ≤ 6cm ; 4hs (mínimo) NT > 6cm ; 6hs (mínimo)

24hs máximo Procedimiento en agua:

colocar en agua a la Tensayo hasta alcanzarla en ±1°C y

no menos de 1h.

Diámetro [cm] 20 20 – 20.5 20 – 20.5 Ancho

(w) 5 5±0.1 Rueda neumática 400x8 Rueda neumática

6.00 – R9 5±0.5

Espesor 2 1 – 1.3 2±0.2 Dureza

[cm

]

80 (Esc Dunlop) 80±5 (IRHD)(2) Presión inf. (600±30)kPa Ancho (11±5)cm 80(IRHD)(2)

Ban

da d

e ro

dadu

ra

limpieza 90% acetona

10% kerosene (en volumen)

90% acetona

10% kerosene (en volumen)

RU

EDA

Carga 900±25 KN/m2

(presión de contacto)520±5 N

(s/ muestra en pl normal) (5000±50) N (10000±100) N )10700( 50w ± N

Recorrido [cm] 23±0.5 23±0.5 41±0.5 70±0.5 23±1

PIST

A

Frecuencia 42±1 pasada/min(3) 21±0.2 ciclo/min(4) 1±0.1 Hz 24 ciclo/min(4) 26.1±1ciclo/min(4)

TEMPERATURA ENSAYO

60±1°C u otras para estudios especiales 45 o 60 ±1°C variable

(2) IHRD: International Rubber Hardness Degree (3) Pasada: corresponde a un recorrido de 23±0.5 cm (4) Corresponde al ciclo de ida y vuelta del recorrido

37


L XL S DISPOSITIVO DE CONTROL DE

TEMPERATURA

Termostatos regulables desde el

exterior

Termocupla colocada 3 o 4 cm radialmente hacia adentro de la probeta

hasta la mitad del espesorDispositivo sensor en la probeta y en el

recinto Control de temperatura en el

recinto

ELEMENTOS DE MEDICIÓN micrómetro Dispositivo automático

o flexímetro Dispositivo automático u

otro Sensores láser

flexímetro Dispositivo automático o

flexímetro PA:1000ciclos ó 15mm

huella DURACIÓN ENSAYO 120’

45’ o 15mm de deformación

(lo que ocurra primero)

n° de ciclos requeridos ó ahuellamiento

promedio(5) ≥18mm

n° de ciclos requeridos ó

ahuellamiento promedio(4) ≥20mm

PB:10000 ciclos ó 20mm huella

Procedimiento A Acondicionamiento previo de 5 ciclos Lectura inicial ro y luego cada 25±1 ciclos.(7)

LECTURA DE DATOS

Después de 3 pasadas de acondicionamiento se toman deformaciones totales iniciales, a los 1’, 3’ y 5’, luego c/5’ hasta completar 45’, luego c/ 15’ hasta completar ensayo

Deformación inicial, ro, y luego c/5’ ±3’’(7)

Lectura inicial(0) en 15 puntos designados(j) (Fig 25): moj Leer a los 1000, 3000, 10000 y 30000 ciclos. Si fuera necesario: 30, 100, 300 y 10000 ciclos.(6)

Lectura en 15 puntos distribuidos en 3 secciones transversales a los 100, 200, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000 y si fuera necesario 30000 ciclos.

Procedimiento B Acondicionamiento previo de 5 ciclos Lectura de la posición vertical de la rueda(8) , inicial, 6 a 7 veces en la 1° hora y luego como mínimo 1 lectura c/500 ciclos.

(5) Ahuellamiento promedio: ∑

−

=

15 ojij1j 15

mm

(6) Se excluye ciclos de acondicionamiento (7) Se tomarán en el centro de la muestra dentro de los 10mm del área de carga en el punto medio transversal. Se realizan detenciones del ensayo p/ medir sino tiene adquisición de datos automática. (8) Se define como el valor medio del perfil de la muestra en una longitud de ±50mm con respecto al centro del área cargada en el punto medio transversal, medidos en al menos 25 puntos equiespaciados. Se mide sin parar el ensayo.

38


TAM

AÑ

O G

RA

ND

E

• Profundidad de huella proporcional, Pi: ahuellamiento proporcional para una muestra

[%] x 100P15

1jxh15mm

iojij∑

=

−=

donde: mij: deformación local[mm] moj: deformación inicial[mm] h: espesor de la probeta [mm] • PLD: la media de los valores de Pi • Gráfico Ln(Pi) vs. Ln(N) donde: N: n° de ciclos • Temperatura de ensayo: Calculada como la media de las temperaturas registradas antes de cada medición

ANÁLISIS DE RESULTADOS PARÁMETROS

• Valores medios de todas las deformaciones registradas correspondientes• Gráfico Deformación de la muestra vs. Tiempo • Velocidad de deformación media del intervalo de tiempo tn/tm:

[ min/ mm310 mn

tmtntmtn tt

ddV −

−−

=

donde: Vtn/tm: Velocidad de

deformación para el intervalo de tiempo tn/tm(10-3 mm/min)

dti: Deformación acumulada al tiempo i (µ)

• Velocidad de deformación (mm/h). Función del n° lecturas

{ } { } { }

{ }

{ }

1521R

1nn43R

2nn75R

2n1n3nn8R

t900T

)rr(12T

)rr(6T

)rr(2.1)rr(6,3T

=

−=

−=

−+−=

−

−−

−−

−−−

donde: n: n° de lecturas(excluye ro) ri: desplazamiento vertical en la i° lectura t15: tiempo para el que se alcanzó deformación de 15mm. • Velocidad de deformación corregida

Lw*T*4.10W RmTR = (mm/h)

donde: TRm: Media de las TR w: ancho banda rodadura real L: carga aplicada real 10,4 = 520 N / 50 mm se expresa como

WTR=(WTR±0.1)mm/h

Si los valores medidos exceden en 1.5mm/h y 1.1 veces la media, se descarta el resultado de mayor discrepancia. Si continúa dicha diferencia deberá aclararse la no uniformidad. TA

MA

ÑO

EX

TRA

GR

AN

DE

• Profundidad de huella proporcional, Pi: ahuellamiento proporcional para una muestra

[%] x 100P h x mm.....m

in1 ++=

donde: mi: profundidad de huella[mm] n: n° de secciones transversales h: espesor de la probeta [mm] • PXLD: la media de los valores de Pi • Temperatura de ensayo: Calculada como la media de las temperaturas registradas antes de cada medición

39



• Profundidad de huella (mm)

t45*15R 45' los a 15mm def

r-r R 45' los a 15mmefd

15

09

==

=<

Se expresa como valor medio de las profundidades de huella obtenidas:

R= (R±0.1) mm

TAM

AÑ

O P

EQU

EÑO

PROCEDIMIENTO A • Tasa de ahuellamiento (µ/ciclo), función del n° de lecturas

{ } { } { }

{ }

{ }

1521

1nn43

2nn75

3n2n1nn8

n15000TR

r10r10TR

r5r5TR

r3rrr3TR

=

−=

−=

−−+=

−

−−

−−

−−−

donde: n: n° de lecturas tomadas c/100 ciclos hasta los1000 ciclos (no incluye ro) ri: desplazamiento en la i° lectura (mm) n15: n° de ciclos en que se alcanzó una profundidad de huella de 15mm. • Tasa media de ahuellamiento, WTR.

Lw*T*4.10WTR Rm=

donde: TRm: Media de las TR (µ/ciclo) w: ancho banda rodadura L: carga aplicada, en N Se expresa: WTR = (WTR±0.1) µ/ciclo

• Profundidad promedio de la huella (mm)

15n15000i

010i

R ciclos; 1000 los a 15mm def

r-r R ciclos; 1000 los a 15mmefd

==

=<

Se expresa como valor medio de los Ri obtenidos:

R= (R±0.1)mm

40



TAM

AÑ

O P

EQU

EÑO

PROCEDIMIENTO B (en aire/ en agua) • Pendiente de ahuellamiento, WTSair/water

[ ] 5

ddWTS ciclos 10mm500010000

water/air 3−

=

donde di: profundidad de la huella a los i ciclos • Pendiente media de ahuellamientoa/w: Es

la media de las WTSair/water • Profundidad de ahuellamiento media

proporcional, PRDair/water: Es el promedio de la profundidad de huella respecto del espesor de 2 o más muestras expresadas en porcentaje ±0,1%, para N ciclos de carga.

• Profundidad de ahuellamiento media, RDair/water(mm):Es el promedio de la profundidad de huella de 2 o más muestras ±0,1mm, para N ciclos de carga

REPORTE DE RESULTADOS

• Tipo y características de la mezcla

• Origen de la mezcla (laboratorio, obra, testigo, etc)

• Temperatura del ensayo • Presión de contacto • Deformación total al final

del ensayo, en mm • Representación gráfica

curva Def. vs tiempo

• Fecha, hora y lugar de toma de muestras y n° de muestra

• Fecha, hora y lugar de ensayo • Densidad de la muestra antes del ensayo • Temperatura de almacenamiento de

muestras(tiempo a que estuvieron a una temperatura dada)

• Temperatura del ensayo • Espesor promedio de la muestra • Velocidad de deformación • Velocidad de deformación corregida • Valores descartados en el cálculo de la media • Profundidad de huella individual y del grupo

INFORMACIÓN OBLIGATORIA Para cada muestra • Identificación de muestra • Densidad de la muestra antes del ensayo,

método de determinación • Temperatura del ensayo • Espesor promedio de la muestra y de capas

que pudieran observarse • N° y fecha de norma • Identificar tamaño de muestra (L, XL, S) y

procedimiento(A, Ba/w). • Condiciones de ensayo y operación no

incluidas en la norma

41



• Velocidad de deformación donde se manifieste el comportamiento de la mezcla, como puede ser:

V30-45; V75-90; V105-120

• Indicar si los rangos de valores de la tasa de deformación superan los límites

• Condiciones de ensayos y operación no incluidas en la norma

• Anomalías que pudieran llegar a afectar los resultados

• Certificado de la muestra • Persona responsable del ensayo • N° y fecha de norma

Muestras preparadas en laboratorio • Identificación de componentes y proporciones

de la mezcla • Método de manufactura de la mezcla y tipo de

mezclador • Método de compactación • Fecha de realización de la probeta • Edad de la muestra al momento de ensayo. • Condiciones de almacenamiento • N° de muestras obtenidas con la misma

mezcla • Muestras caladas del pavimento • Fecha, hora y lugar de calado • Fecha de compactación • Si es o no aceptable la muestra Muestras L, o XL • Profundidad de huella proporcional media,

PDL o PDXL, al n° de ciclos requeridos Muestras S Procedimiento A • Tasa de ahuellamiento de cada probeta

individual, TR • Tasa media de ahuellamiento WTR • Profundidad promedia de la huella, RD, a los

1000 ciclos Procedimiento B (en aire) • Pendiente de ahuellamiento p/ c/ muestra • Pendiente media de ahuellamiento p/ c/ grupo

de 2 o más muestras • Profundidad de ahuellamiento proporcional,

PRDair a los 10000 ciclos, individual

42



• Profundidad de ahuellamiento media proporcional, PRDair a los 10000 ciclos,

• Profundidad de ahuellamiento, RDair, a los 10000 ciclos, individual

• Profundidad de ahuellamiento media, RDair, a los 10000 ciclos

Procedimiento B (en agua) • Pendiente media de ahuellamiento, WTSwater

p/ c/ grupo de 2 o más muestras • Profundidad de ahuellamiento media

proporcional, PRDwater, a los 10000 ciclos, • Profundidad de ahuellamiento media, RDwater,

a los 10000 ciclos INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA • Copia de curvas de ensayo

Parámetro WTR WTRair Tipo muestra unidad laboratorio calada unidad laboratorio calada Result ensayo 2.6 2.2 8.1 13..5 2.1 1.7 6.4 10.7 Repetibilidad 0.6 0.8 3.1 4.0 0.5 0.6 2.5 3.2

Reproductibil [mm/h]

1.2 1.4 5.9 5.7 [µ/ciclo]

1.0 1.1 4.7 4.5 Parámetro PRDL (muestras de laboratorio) N° ciclos unidad 100 1000 10000 30000

Result ensayo 3.5 4.8 6.4 7.0 Repetibilidad 0.76 1.05 1.08 1.11

PREC

ISIÓ

N

Reproductibil

[%]

0.97 1.32 1.20 1.16

Tabla 10: Espesores de probetas en función del tamaño máximo del agregado ESPESOR [cm] 2.5 4 6 8 TAMAÑO MÁXIMO AGREGADO [mm] <8 8≤TMT<16 16≤TMT8≤22 22<TMT≤32

43

En la Tabla 11 se vuelca la comparación de los distintos métodos de compactación requeridos por cada norma. En particular, se destaca que la

norma CEN presenta dichos métodos en dos partes, la Pr EN 12697-32: Compactación en laboratorio con vibratorio y la Pr EN 12697-33:

Especimenes preparados mediante “Roller Compactor". Ésta a su vez plantea 3 variantes más

Tabla 11: Comparación de métodos de compactación de muestras de ensayo

NORMA ESPAÑOLA (NLT – 173/84)

NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33

CANTIDAD DE MASA

S/ VOLUMEN DE MOLDE Y DENSIDAD RELATIVA MARSHALL

M=10-6*L*l*e*ρmax*(100-υ)/100 Donde: L: largo molde l: ancho molde e: espesor probeta ρmax: densidad máxima de la muestra υ: Contenido de vacíos

ÁRIDOS Secado en estufa a 105°C y 110°C de las distintas fracciones componentes MEZCLA COMPACT.

Betún asfáltico 170±20cSt 280±30cSt VISCOSIDAD DEL

LIGANTE (p/ determinar temperatura) Alquitrán 25±3°Engler 25±3°Engler

FABRICACIÓN DE LA MEZCLA

Pesar los áridos, calentarlos a 30°C más que la temperatura de mezclado. Calentar en simultáneo el ligante a la temperatura de mezcla(mantener no más de 1h a esa temperatura). Verter áridos en molde p/ mezcla y mezclar en seco. Cuando alcanza temperatura de mezcla agregar el ligante y mezclar hasta alcanzar mezclado completo y homogéneo(2’ máximo)

S/ norma Pr EN 2697-35

44

NORMA ESPAÑOLA NLT – 173/84

NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33

MÉTODO 1 Ruedas neumáticas

MÉTODO 2 Rodillo liso de acero

MÉTODO 3 Amasado utilizando placas deslizantes

ELEMENTO DE COMPACTACIÓN

• Elemento compactador: placa de acero + 2 vibradores (masa excéntrica:9.5Kg, girando hacia el centro de la placa; velocidad angular: 314 rad/seg; fuerza excéntrica:3KN)

• Collar: 33.8x33.8x5 [cm] • Molde: 30x30x5.1[cm] • Angulares: 2x1.9x2.1 [cm] • Base de compactación: De hormigón,

dimensiones mínimas 60x60x20[cm] • Dispositivos de extensión y enrase: madera y

varillas de acero Ø5mm, chapa de acero

• Aplicación de carga F, ajustable en 1KN±10% a 10KN±5%

• 1 ó más ruedas c/ llantas lisas 400x8

• cilindro metálico liso(Ø40-80cm, e:4-8mm, ancho: l-5mm)

• Velocidad, Vt, de traslación de la rueda adecuada:

20-50 cm/seg±10% • Posicionamiento de

ruedas en los ≠ ejes en ± 2cm

• Operación en modo eje fijo o carga fija

• Espacio para almacenar probeta

• Sistema de elevación de fondo de modo de mantener la superficie a nivel del borde de la superficie del molde

• Aplicación de carga tal que 5

D*lF 102

−≥

l: ancho interno del molde D: Ø rodillo • Collar • Elemento de

compactación (mecánico, manual, de laboratorio)

C. a volumen especificado: • Rodillo más ancho

que el molde • F tal que llegue al

volumen entre 20-50 pasadas

C. a energía controlada • Rodillo de ancho

igual al interno del molde, l, menos 1cm

• Aplicación de carga vertical, F±20%, constante y de magnitud tal que se alcance volumen/densidad entre 10-30 pases

• Collares o placas de base p/ variedad de espesores

• Elemento compactador • Vdespl. = 25±10cm/seg • Tabla p/ apoyar el

molde • Placas de

deslizamiento de acero: longitud: l-(0.2±0.05)cm ancho: (8 a 12)±0.02cm espesor: (1 a 1.5 )±0.01cm • Rodillo de acero de

diámetro tal que permita deslizar s/ las placas, largo ≥ ancho del molde

45

NORMA ESPAÑOLA NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33

MÉTODO 1 Ruedas neumáticas

MÉTODO 2 Rodillo liso de acero

MÉTODO 3 Amasado utilizando placas deslizantes

COMPACTACIÓN DE MEZCLA

Calentar molde y collar a 15°C más que la temperatura de compactación. Colocar molde en la base, anclar y colocar el collar. Verter mezcla en el molde a una temperatura como mínimo 10°C más que la de compactación. Distribuir y enrasar. Colocar elemento compactador y compactar durante 75seg. Desmontar el collar y sustituir por los angulares Compactar 3 períodos más de 75seg c/u, girando elemento compactador en 90° respecto a la posición inicial en el mismo sentido y sucesivamente. Compactación correcta: hprobeta = ±2mm respecto borde del molde Enfriar a temperatura ambiente 1 o 2 días antes de ensayarla

Se utiliza 1 rueda p/ muestras (50x18)cm y 2(separadas 18 ±1mm) p/ muestras (60x40)cm, con presiones y cargas determinadas. Modo eje fijo:9 Uso al principio y al final del proceso10 Modo carga cte: 11 Uso durante la parte principal C. a energía especificada: 2 niveles de energía; ligera y pesada C. a contenido de vacíos especificado: Se adapta al método anterior, eligiendo el que de el resultado menor y más cercano a la relación de vacíos buscada, evitando deformaciones en superficie o compactación despareja

Rociar los moldes y el rodillo con silicona o teflón. Compactar en continuo movimiento. C. a energía especificada: Aplicar fuerza constante ±5% si es ≥2KN, hasta el n° de pasadas necesarios. C. a contenido de vacíos especificado: Aplicar fuerza constante ±20% hasta que el rodillo alcance el filo del molde

Se aplica solo a probetas de densidad especificada. Precalentar moldes y placas, posicionar verticalmente las placas sobre la mezcla, comenzar a mover el rodillo o la mesa, aplicar la carga requerida, y mantenerla constante ±20% hasta que el rodillo alcance el filo del molde o se llegue al desplazamiento relativo estimado

9 El eje de la rueda permanece a altura constante respecto al borde del molde en una pasada 10 Puede reemplazarse la compactación final por 4-6 pasadas con el rodillo metálico liso 11 La carga aplicada en la muestra permanece constante durante una pasada

46

1

1.eje de paso de la rueda cargada

Figura 25: Localización de puntos de medición de profundidad para

muestras de tamaño grande

5. EQUIPO DESARROLLADO EN EL LABORATORIO VIAL DEL IMAE

A partir de los estudios de antecedentes, la necesidad de contar con un equipo más para la

caracterización de mezclas asfálticas y la existencia de algunos equipos similares como se

describió en el punto 3.7.8 del presente informe, el Laboratorio Vial del IMAE desarrolló

durante el año 2005 un prototipo del equipo de ensayo del tipo LWT o Ensayo de Rueda Cargada

y una primera experiencia en la determinación de la deformación permanente de mezclas de

concreto asfáltico.

El equipo desarrollado es operado mecánicamente, habiendo sido diseñado, construido y puesto

a punto por el Laboratorio Vial del IMAE. Un esquema del mismo se muestra en la figura Nº

26.

El equipo está compuesto de cinco sistemas principales:

A. Un sistema de aplicación de cargas integrado por:

1. Una mesa de apoyo del sistema de carga construida con perfiles metálicos

2. Una mesa o carro desplazable que permite que la rueda cargada aplique solicitaciones a lo

largo de toda la probeta de mezcla asfáltica. La misma es comandada por la computadora a

través de sensores magnéticos colocados en sus extremos.

3. Una rueda metálica de 20 cm de diámetro recubierta por una cinta de caucho de 10 mm de

espesor con dureza 80 Shore A. Es posible adaptar ruedas de otras dimensiones.

rueda

47

4. Un brazo de palanca con una relación de carga 1:3

5. Pesas metálicas con pesos diferentes que permiten variar la carga aplicada

desplazable movimientosensor de

brazo de palanca

motor

poleas

LVDT

rueda fija

guías de desplazamiento

mesa

muestramovimientosensor de

estáticade cargasistema

puenteP C

sistema decalefacción

temperaturamedición de

control y

Figura 26: Esquema del equipo de rueda cargada del IMAE

Figura 27: Vista general del equipo

48

Figura 28: Vista del sistema de aplicación de cargas

B. Un sistema de medición, compuesto por:

1. Un transductor del tipo LVDT de carrera y sensibilidad establecido al tipo de ensayo. En

general de 25 mm de carrera y sensibilidad 1 micrón adosados al eje de la rueda mediante

soportes especiales.

2. Sensores de desplazamiento de la mesa con el fin de determinar la posición del LVDT

Figura 29: Detalle de la rueda, probeta y el LVDT

49

C. Un sistema de acondicionamiento de la temperatura

1. Un gabinete termostático, construido en perfiles de aluminio, paneles aislantes y puerta con

vidrio doble aislante

2. Dos unidades calefactoras

3. Un equipo de control y medición de la temperatura

4. Una termocupla

D. Un sistema de procesamiento y control, configurado por:

1. Una computadora del tipo PC provista de una placa de adquisición de datos de 12 bits y

10000 conversiones por segundo, con entradas y salidas analógicas y digitales.

2. Un puente de medida, que alimenta a los sensores y entrega a la placa de adquisición de

datos una señal eléctrica proporcional a la magnitud medida

E. Un sistema de compactación dinámica

1. Un molde metálico de 30cm x 30cm x 5 cm de altura con collar de extensión

2. Una zapata de compactación metálica de 15cm x 15cm

3. Un martillo demoledor eléctrico de compactación dinámico con energías por golpe variable.

Figura 30: Equipo de compactación

50

La computadora controla la operación de la mesa desplazable a través de un programa

especialmente desarrollado, el que también realiza la adquisición de las mediciones durante el

ensayo.

Este programa, desarrollado en BASIC, permite adquirir la posición de la rueda respecto a la

probeta y medir en el tiempo la deformación permanente o plástica que sufre la muestra durante

el ensayo.

El programa solicita datos básicos (dimensiones de la probeta, identificación del archivo de

resultados, número de pasadas de la rueda, carga aplicada, etc) y la confirmación de las

constantes de calibración de los sensores a emplear. Durante el ensayo, muestra en pantalla la

evolución de las magnitudes medidas y genera un archivo que puede ser capturado por otros

programas comerciales de graficación o planillas de cálculo para su posterior procesamiento.

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

En general los distintos tipos de ensayos de rueda cargada permiten la comparación del

comportamiento de distintas mezclas asfálticas o, para un mismo diseño de mezcla asfáltica, la

incorporación de algún aditivo o el cambio de alguna característica de los materiales

componentes.

Para ello es necesario definir algunos parámetros que permiten llevar a cabo el análisis como se

muestra en el cuadro comparativo de las normas. Pero principalmente, con algunas variantes se

definen los siguientes parámetros:

• Velocidad de deformación: Este parámetro expresa la velocidad con la cual se incrementa

la huella en el tiempo. De acuerdo a la Tabla 9, puede determinarse para diferentes tiempos

del ensayo, a partir de la curva deformación vs tiempo.

mn

mn

ttDDVD

−−

=

Donde:

VD: velocidad de deformación en mm/min

Dn: Profundidad de la huella para el tiempo tn (mm)

Dm: Profundidad de la huella para el tiempo tm (mm)

tn: tiempo de ensayo en minutos para la lectura n

tm: tiempo de ensayo en minutos para la lectura m

51

• Velocidad de deformación media: promedio de las velocidades de deformación obtenidas

para las diferentes muestras de ensayo

∑=i

1media i

VDiVD

donde

VDi: velocidad de deformación de cada una de las muestras en mm/min

i: número de muestras

• Velocidad de deformación media corregida, tanto la norma británica como la europea

corrigen el valor de la velocidad de deformación por lo cambios que pudieran presentarse en

el ancho de rueda y la carga aplicada respecto a los de la norma.

LwVD410VD mediacorregida ⋅⋅= .

donde:

w: ancho de la rueda en mm

L: carga aplicada en N

10.4: 520 N / 50 mm

• Tasa de ahuellamiento: otra forma de considerar la velocidad con que se incrementa la

deformación es el incremento de huella respecto al número de ciclos aplicados, definido

como

mn

mn

NNDDTR

−−

=

Donde:

TR: velocidad de ahuellamiento en µ/ciclos

Dn: Profundidad de la huella para el ciclo n (µ)

Dm: Profundidad de la huella para el ciclo m (µ)

Nn: Número de ciclo de ensayo para la lectura n

Nm: Número de ciclo de ensayo para la lectura m

Ciclo: corresponde a dos pasadas, una de ida y otra de vuelta

• Profundidad de ahuellamiento, de acuerdo a las diferentes normas la duración del ensayo

puede ser 45 minutos, 1000 ciclos o acotarlo a una deformación máxima de 15 mm, por lo

tanto la deformación máxima se establece:

52

en tiempo o Deformación < 15 mm, a los 45 minutos, R= Dfinal –Dinicial

o Deformación = 15 mm, a los 45 minutos, R= 15 mm / t15*45´

en ciclos o Deformación < 15 mm, a los 1000 ciclos, R= Dfinal –Dinicial

o Deformación = 15 mm, a los 1000 ciclos, R= 15 mm / N15*1000

• Estabilidad dinámica, este parámetro indica el número de pasadas de la rueda necesarias para conseguir una profundidad de la huella de 1 mm, siendo una pasada equivalente a un recorrido.

6.1. Resultados de ensayos del tipo WTT

A continuación se presentan diferentes aplicaciones y resultados obtenidos mediante este tipo de

ensayos por investigadores tanto a nivel nacional como internacional así como también

resultados propios.

El Dr. Agnusdei y otros (18) del LEMIT (2004), han presentado resultados obtenidos mediante

el aparato de Hamburgo. Este dispositivo posibilita medir el efecto combinado del ahuellamiento

y los daños causados por el agua a una mezcla asfáltica tipo concreto, sumergida en un baño de

agua que se encuentra a una temperatura de 50 °C. Los resultados publicados se detallan en las

figuras 31 a 34, donde se pone de manifiesto la buena capacidad que tiene este ensayo para

evidenciar el cambio de origen del agregado pétreo o la incorporación de un aditivo como lo es

la cal en un único diseño de mezcla asfáltica.

Profundidad de huella

N° de ciclos de carga

Punto de inflexión

Pendiente de descubrimiento

Pendiente dedeformación

Figura 31: Curva de deformación vs Nº de ciclos – Hamburgo LWT

53

Figura 32: Comparación de una mezcla asfáltica con agregado granítico con y sin

incorporación de cal

Figura 33: Comparación de una mezcla asfáltica con agregado cuarcítico con y sin


Figura 34: Comparación de una mezcla asfáltica con agregado basáltico con y sin


54

Otros estudios que ha desarrollado la firma REPSOL YPF y LEMIT (33), para el estudio

comparativo del ahuellamiento de distintos tipos de mezclas asfálticas, con sus respectivos

equipos de ensayos (ver punto 3.7.8), han sido la incidencia de diferentes materiales asfálticos en

el comportamiento frente a las deformaciones permanentes de mezclas patrones y la influencia

de los métodos de compactación empleados. En la Tabla 12 y las figuras 35 y 36 se resumen los

resultados obtenidos, mientras que las figuras 37 a 41 muestran la evolución de la deformación

durante el ensayo.

Tabla 12: Comparación del comportamiento de las diferentes mezclas analizadas

Tipo de mezcla Parámetros de medición Método por

amasado

Método por

vibración

Velocidad de deformación (mm/min) 0.014 0.022

Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 3000 1891 Mezcla Densa

Profundidad total de la huella (mm) 2.2 4.9


Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 21000 3259 SMA – 19

Profundidad total de la huella (mm) 0.82 1.6


Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 21000 10768 Micro-aglomerado F-10

(ligante AM3) Profundidad total de la huella (mm) 1.10 1.7


Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 5727 7000 Mezcla semi-densa S-20

(ligante convencional 50-60). Profundidad total de la huella (mm) 1.65 3.08


Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 12600 6300 Mezcla semi-densa S-20

(ligante modificado AM-3 Profundidad total de la huella (mm) 1.23 1.68


Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 3937 2423

Mezcla semi-densa

S-20

(ligante modificado AM-2). Profundidad total de la huella (mm) 1.74 2.52

55

0

1

2

3

4

5

MezclaDensa

SMA - 19 F-10 (AM 3) S-20 (50-60) S-20 (AM-3) S-20 (AM-2)

Def

orm

ació

n (m

m)

C -Amasado C - Vibración

Figura 35: Comparación de las deformaciones permanentes

0

0.01

0.02

0.03

MezclaDensa

SMA - 19 F-10 (AM 3) S-20 (50-60) S-20 (AM-3) S-20 (AM-2)

Vel

ocid

ad d

e de

f. (m

m/m

in) C -Amasado C - Vibración

Figura 36: Comparación de las velocidades de deformaciones permanentes

WHEEL TRACKING. MEZCLA DENSA

0 1 2 3 4 5 6

0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (minutos)

Def

orm

ació

n (m

m)

método por vibración método por amasado

Figura 37: Mezcla densa

56

WHEEL TRACKING SMA

0

1

2

3

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (minutos)

Def

orm

ació

n (m

m)

Método por amasado Método por vibración

Figura 38: Mezcla SMA -19

WHEEL TRACKING F-10

0

1

2

3

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (minutos)

Def

orm

ació

n (m

m)

Método por amasado método por vibración

Figura 39: Micro-aglomerado F-10

WHEEL TRACKING. S-20 (AM-3)

0

1

2

3

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (minutos)

Def

orm

ació

n (m

m)

método por amasado método por vibración

Figura 40: Mezcla semi-densa con ligante modificado AM-3

57

WHEEL TRACKING. S-20 (AM-2)

0

1

2

3

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (minutos)

Def

orm

ació

n (m

m)

método por amasado método por vibración

Figura 41: Mezcla semi-densa con ligante modificado AM-2

Se evidencia en este estudio que el análisis de resultados que se puede realizar es sólo relativo o

comparativo entre las distintas mezclas. Es imposible obtener un valor absoluto que indique cual

será el ahuellamiento medido ya que el sólo hecho de cambiar la técnica de preparación de los

especimenes de ensayo hace que este valor cambie y no sea único para cada mezcla estudiada

(figura 35 y 36).

En 2003, Brian D. Prowell, muestra algunos resultados obtenidos a través del APA para mezclas

con asfaltos con distintos grados de perfomance (PG) y para una temperatura de ensayo de 50ºC,

(figura 42) y a su vez compara resultados obtenidos in situ con los de laboratorio (figura 43).

50ºC

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 2000 4000 6000 8000 10000

Ciclos de carga

Ahu

ella

mie

nto

[mm

]

PG 70-22 PG 64-22 SBS 76-22 Airblown 76-22

Figura 42: Estudio efectuado por Brian D. Prowell (27)

58

A partir de estudios efectuados con diferentes técnicas de ensayos para predecir la deformación

permanente o ahuellamiento en mezclas asfálticas concluye que ninguno ha demostrado tener la

habilidad para predecir e identificar el comportamiento a deformaciones plásticas para un rango

amplio de mezclas y climas, siendo Repeated Load Creep Test el más promisorio.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25

APA: ahuellamiento a 8000ciclos [mm]

Wes

trac

k: a

huel

lam

ien

to lu

ego

de

582

.000

cic

los

ESA

Ls [

mm

]

Ahuellamiento de toda la estructura Ahuellamiento de la capa de mezcla asfáltica

Figura 43: Estudio comparativo entre ensayos de laboratorio con el APA y mediciones

realizadas in situ en el ensayo de pista Westrack, efectuado por Brian D. Prowell (27)

Colley y Kandall (12), comparan los resultados obtenidos con el equipo APA con los que se

obtienen de los ensayos fundamentales RLCC (Repeated Load Confined Creep test: Ensayo de

creep de carga repetida, confinado) y el RSCH (Repeated Shear at Constant Height: Ensayo de

corte a altura constante) con el fin de investigar la respuesta de los diferentes ensayos. En la

figura 43 se observa que los valores de profundidad de huella en el APA tienen la misma

tendencia que las deformaciones obtenidas de los ensayos fundamentales, las correlaciones

encontradas son 68 % y 52 % respectivamente para cada uno de ellos.

Además en base a antecedentes bibliográficos se pueden adoptar como límites aceptables 2-3%

de deformación para el ensayo RLCC y 10-13% para el ensayo RSCH, para esperar un buen

comportamiento de las mezclas al ahuellamiento, y si se lo superpone a la gráfica, se puede

deducir que la profundidad máxima de huella admisible en el APA está en el rango de 8.2 a 11.0

mm. Por lo tanto han adoptado un valor conservativo crítico máximo de 8 mm.

59

y = 0.3658x - 1.0165R2 = 0.6844

y = 2.1141x - 7.0558R2 = 0.5257

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

APA: Profundidad de huella [mm]

RSC

H D

efor

ma

ció

n po

r co

rte

[%]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

RLC

C Defo

rmación

Permanen

te [%

]

Lineal (Deformación RLCC ) Lineal (Deformación RSCH)

Figura 44: Resultados de APA vs RSCH y RLCC

Gary Fitts del Instituto del Asfalto de EEUU (14), presenta algunos resultados obtenidos en el

Hamburg wheel – tracking device (HWTD) para 20000 pasadas. En la figura 45 se muestran los

valores de deformación de una mezcla asfáltica con agregado calcáreo y con un ligante asfáltico

con PG 76-22. Sobre la misma se estudia la aptitud a la deformación plástica que resulta de la

incorporación de distintos porcentajes de cal o el uso un aditivo líquido especial. Los valores de

la huella en laboratorio son comparados con un límite especificado considerado como máximo

admisible. Como se dijo anteriormente se ve que este ensayo es apropiado para poner en

evidencia las mejoras que aportan los aditivos a las mezclas asfálticas.

Límite especificado

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

sin aditivo 1% cal 2% cal 0.5%HP (antistrip)

Prof

undi

dad

de h

uel

la [

mm

]

Figura 45: Estudio de la influencia de aditivos (14)

60

Richard D. Barksdale et al (35) desarrolla en 1993 un equipo de ensayo para evaluar el

ahuellamiento en mezclas asfálticas denominado Georgia DOT LWT. Dentro de los resultados

que muestra se destaca (figura 46) la medición del ahuellamiento transversal tomados en la parte

central de una probeta ensayada mediante el aparato Georgia DOT LWT. Dichas medidas son

obtenidas utilizando una plantilla, diseñada con una serie de ranuras y perfectamente ubicada en

la probeta, de modo que mediante un flexímetro es posible determinar la profundidad de huella a

lo largo de toda y cada una de dichas ranuras. El valor de ahuellamiento final corresponde al

mayor de los obtenidos para cada una de ellas. La figura 46 muestra como varía la profundidad

con el número de ciclos. Las diferencias de los valores encontrados, o sea la irregularidad de la

deformación, el autor la asocia a la presencia de los agregados.

La Tabla 13 expresa un resumen de mediciones de profundidad de ahuellamiento para muestras

de mezclas asfálticas de laboratorio y obtenidas del pavimento empleando el ensayo Georgia.

Tabla 13: Resultados obtenidos en Georgia Institute of Technology

TIPO DE MEZCLA AHUELLAMIENTO

PROMEDIO (mm)

RANGO DE VARIACIÓN

(mm

DESVÍO ESTÁNDAR

Mezclas base Laboratorio (DOT Standard -39 muestras) 5.33 2.29 – 8.64 1.78

Probeta calada (coarse -32 muestras) 4.06 1.78 – 7.11 1.52

Mezclas “binder” Laboratorio (DOT Standard -35 muestras) 6.10 2.29 – 10.16 2.29


Mezclas superficiales Laboratorio (DOT Standard -15 muestras) 7.62 3.30 – 11.18 2.79


61

Plano de referencia

0.00

0.03

0.05

0.08

0.10

0.13

0.15

0.18

0.20

3 4 5 6 7 8 9 10

Distancia [0.1 in]

Ah

uel

lam

ien

to [

in]

500 ciclos 1000 ciclos 2000 ciclos 8000 ciclos

Figura 46: Estudio de la deformación transversal en la probeta de ensayo

6.2. Primeros resultados del equipo del Laboratorio Vial del IMAE

A continuación se presentan los primeros resultados obtenidos con el equipo Wheel Tracking desarrollado en el Laboratorio Vial IMAE. Sobre una mezcla de concreto asfáltico en caliente convencional se realizaron ensayos para una misma temperatura y distintas condiciones de carga, que se detallan en la Tabla 14, mientras que en las figuras 47 y 48, se muestra el comportamiento de la mezcla al cabo de 1000 ciclos de carga con una frecuencia de ensayo de 21 ciclos por minuto. Particularmente es interesante observar la variación de la deformación a lo largo de la circulación de la rueda. Se ve que las deformaciones no son homogeneas, dependiendo de la distribución de los agregados y que deformación máxima no ocurrió en el centro de la probeta que es donde las normas indican que es el lugar donde se debe medir.

Tabla 14: Condiciones de ensayo

PROBETA 1 PROBETA 2 Tipo Mezcla convencional convencional

Temperatura de ensayo 60ºC 60ºC Carga aplicada 520 N 700N

Duración del ensayo 1000 ciclos 1000 ciclos

62

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 200 400 600 800 1000

Nº de ciclos de carga

Ahu

ella

mie

nto

[mm

]

520 N 700 NL ít i (520 N) L ít i (700 N)

Figura 47 Deformaciones en el centro de la probeta

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

-120 -60 0 60 120Posición eje longitudinal [mm]

pro

fun

dida

d de

hue

lla [

mm

]

100 ciclos 500 ciclos 1000 ciclos

Carga: 520N

Figura 48 Perfil longitudinal de la huella a los 100, 500 y 1000 ciclos, con 520N

63

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

-120 -60 0 60 120Posición eje longitudinal [mm]

prof

undi

dad

de h

uella

[mm

]

100 ciclos 500 ciclos 1000 ciclos

Carga: 700N

Figura 49 Perfil longitudinal de la huella a los 100, 500 y 1000 ciclos, con 700N

A modo de ejercicio académico se procede a determinar los diferentes parámetros que solicitan las normas analizadas, con el sólo objetivo de mostrar lo dificultoso que es comparar los resultados obtenidos y la necesidad de armonizar las mismas, o bien el planteo de una norma IRAM que regule el desarrollo del ensayo en la Argentina y compatibilice los equipos en nuestro país. Las Tablas 15 a 17 indican los valores de los distintos parámetros de evaluación determinados por las normas española, británica y la nueva europea.

Tabla 15 Norma Española: NLT 173/84

Carga aplicada 520 N 700 N Profundidad de huella a los 50’ [mm] 1.857 2.399

Intervalo [50-35] 18.91 22.35 Intervalo [45-30] 5.16 18.91 Velocidad de deformación

[10-3mm/min] Intervalo [40-25] 12.04 7.74 Profundidad de huella: Lectura fina l(50’)-lectura inicial Velocidad de deformación: (L50-L35)/(50-35)*1000

Tabla 16 Norma Británica: BS 598 Part 110

Carga aplicada 520 N 700 N Profundidad de huella a los 45’[mm] 1.805 2.308 Velocidad de deformación [mm/h], TR9 0.464 1.13

Profundidad de huella: Lectura final (45’)-lectura inicial Velocidad de deformación: 3.6*(L45’-L30’)+1.2*(L40’-L35’)

64

Tabla 17 Norma Europea: CEN 12697-22: 2003 Procedimiento A

Carga aplicada 520 N 700 N Profundidad de huella a los 1000 ciclos [mm] 1.947 2.321

Tasa de ahuellamiento [µ/ciclo], TR10 0.315 0.446 Profundidad de huella: Lectura final (1000ciclos)-lectura inicial Tasa de ahuellamiento: 3*(L1000-L700)+(L900-L800) NOTA: Se tomó como lectura inicial para todos los cálculos el primer dato provisto por el software.

7. CONCLUSIONES

En el presente reporte técnico se ha realizado un enfoque de los principales conceptos que rigen

el comportamiento de la deformación plástica de las mezclas asfálticas, así como la descripción

de las principales técnicas experimentales que se usan a nivel internacional y nacional

Se ha hecho el análisis comparativo de las normas española, británica y europea para llevar a

cabo el ensayo de pista con rueda cargada en laboratorio o Load Wheel Tracking Test, señalando

las principales diferencias en las características de los equipos usados, las propiedades físicas de

las muestras, forma de fabricación de las mismas, formas de solicitación (carga y temperatura) y

análisis de resultados.

Se presentan algunos de los principales resultados publicados así como los avances realizados

en nuestro país por los laboratorios de ensayos viales del LEMIT, REPSOL-YPF y propios.

Se presenta el equipo de Wheel Tracking Test desarrollado, construido y puesto a punto en el

Laboratorio Vial del IMAE, así como los primeros resultados obtenidos.

Se considera que siendo este el tercer equipo en funcionamiento en el país, su aporte al

laboratorio vial del IMAE va a repercutir positivamente en la investigación del comportamiento

de las mezclas asfálticas, la transferencia de tecnología al medio y en la docencia tanto de grado

como posgrado.

Se pone de manifiesto la necesidad de compatibilizar y armonizar la forma de trabajo en la

determinación de la deformación permanente a través de ensayos Wheel Tracking Test en

nuestro país, proponiéndose un “Interlaboratorio” entre los diferentes laboratorios que poseen el

ensayo en funcionamiento y los que los están poniendo a punto como los laboratorios LAPIV

65

(Universidad Nacional de La Plata) y LEMAC (Universidad Tecnológica Regional de La Plata),

con el fin de llegar a proponer una norma nacional.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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66

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