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 Disciplina: Ingeniería Civil

Agosto 2006

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

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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]

3

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

4

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

5

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 viscoelástica 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 σ

σ

t

ε(t)

ε

εR

εe εr

εve(t) εe

εP

εp tcarga

t

Tiem po

Figura 1: Evolución de la deformación permanente para a)una carga estática, b) una carga cíclica

6

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.

Secundaria

Terciaria

∆V > 0

∆V = 0

ε P (%)

Primaria

Def. por corte Número de Fluencia ó Tiempo de Fluencia

Número de ciclos ó Tiempo

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)

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

AGREGADO

FACTOR

CAMBIO DEL FACTOR

Textura de la superficial Granulometría Forma

Lisa a rugoso Discontinua a continua Redondeada a angular Aumento del tamaño máximo

Tamaño LIGANTE ASFÁLTICO MEZCLA ASFALTICA

Incremento

Stiffness o Módulo de Rigidez

Incremento

Incremento

Contenido de ligante

Incremento

Disminuye

Incremento

Disminuye

Incremento

Disminuye

Método de compactación

Vibratorio o por amasado

Cambio en la estructura

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

Contenido de vacíos de aire (no menor al 3%) Contenido de vacíos en el agregado mineral (VAM) (no menor al 10%)

CONDICIONES DE ENSAYO

EFECTO SOBRE LA RESISTENCIA AL AHUELLAMIENTO Incremento Incremento Incremento

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

8

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: δip: 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 δip: es la deformación permanente de la capa

Capa de Rodamiento Base 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

9

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:

εP = a ⋅ N

b

(IV)

• ∂ε P ( b −1) = εP = a b N ∂N

(V)

•

ε P a b ( b−1) −α = N =µN εR εR •

εP = µ εR N

εP =

−α

µ εR (1− α ) N (1 − α )

(VI)

α = 1− b

µ=

ab εR

(VII)

(VIII)

Donde, N: número de ciclos εP: deformación específica axial permanente εR: deformación específica axial resiliente

10

•

ε P : 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

TEMPERATURA

MUY ALTA

MUY ALTA

TENSOR DESVIADOR MUY ALTA

MUY ALTA

ALTA

NINGUNA

TIPO AGREGADO (*)

NINGUNA

NINGUNA

NINGUNA

ALTA

NINGUNA

TIPO ASFALTO % ASFALTO (**) % VACIOS

NINGUNA

MODERADA MODERADA NINGUNA

NINGUNA

a

b

MUY ALTA MODERADA

MODERADA MODERADA

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). log ε P = a 1 + a 2 log N

(IX)

11

log ( ε P)

εP = a . N

b

b

log ( εP) = log a + b . log N

log a

log (Número de ciclos)

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) ⎛ε log⎜⎜ P ⎝ εR

⎞ ⎟⎟ = a1 + a 2 log N + a 3 log T + a 4 log σ d + a 5 log η + a 6 log Vbeff + a 7 log Va ⎠

(X)

En particular el Método de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 (3), adopta como criterio de falla de mezclas asfálticas el siguiente ⎛ε log ⎜⎜ P ⎝ εR

⎞ ⎟⎟ = b1 + b 2 log T + b 3 log N ⎠

(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 12

∆h = C m ⋅ h ⋅

σ Smix, visc

(XII)

donde, ∆h: es el ahuellamiento Cm: factor de corrección Cm por efecto dinámico

σ = z ⋅ σ0 tensión promedio de la capa asfáltica σ 0 : 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

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

Sbit , visc =

3 VISC N t0

(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

13

Smix,visc

Smix Sbit,visc

Smix,elast

Sbit

Sbit,elast

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

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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,

Figura 7 : Creep Uniaxial (24)

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

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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 Figura 8: Equipo Fast-Cell (25)

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

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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

El ensayo es fácil de desempeñar. Uniaxial Estático (creep).

ENSAYOS UNIAXIALES.

Uniaxial con Carga Repetida.

Uniaxial con Módulo Dinámico.

Resistencia Uniaxial.

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

El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. Muy extendido y conocido. Información muy técnica.


Buenas simulaciones de las condiciones de carga dinámica


Ensayo no destructivo.


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

DESVENTAJAS 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. 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. Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio. El equipo es muy complejo La capacidad para predecir la deformación permanente es cuestionable

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Tabla 4: Ensayos Triaxiales para evaluar las deformaciones plásticas. MÉTODO DE ENSAYO

Triaxial Estático (creep confinado).

ENSAYOS TRIAXIALES.

Triaxial con Carga Repetida.

Triaxial con Módulo Dinámico.

Esfuerzo Triaxial.

3.4.






VENTAJAS 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.

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

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

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

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

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. 18

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 Figura 9: Fatiga por compresión (26)

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

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.

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Tabla 5: Ensayos Diametrales para evaluar la deformación plástica MÉTODO DE ENSAYO


VENTAJAS

DESVENTAJAS

El ensayo es fácil de desempeñar. Diametral Estático (creep).

ENSAYOS DIAMETRALES.

10 cm de diámetro x 7.5 cm. de altura

Diametral con Carga Repetida.


Diametral con Módulo Dinámico.


Resistencia Diametral.

10 cm de diámetro x 7.5 cm. De altura

El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. El espécimen es fácil de fabricar. El ensayo es fácil de desempeñar. El espécimen es fácil de fabricar. El espécimen es fácil de fabricar. Ensayo no destructivo. El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. El espécimen es fácil de fabricar.

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.

Tiempo de ensayo mínimo

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.

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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


VENTAJAS La aplicación del esfuerzo de corte simula las cargas inducidas por el tráfico.

SST Ensayo de Frecuencia de Barrido Módulo de Corte Dinámico.

15 cm de diámetro x 5 cm de altura.

ENSAYOS DE CORTE.

1

DESVENTAJAS

AASHTO estandarizó el procedimiento disponible.

El equipo es extremadamente costoso y de limitada disponibilidad.

El espécimen se prepara con la prueba SGC.

El ensayo es complejo y difícil de ejecutar

La curva maestra podría dibujarse a diferentes temperaturas y frecuencias.

Las muestras obtenidas en el SGC1 se necesitan cortar y pegar a los cabezales

Ensayo no destructivo.

SST Ensayo Repetido de Corte con altura constante.


Ensayo Triaxial de Esfuerzo de Corte.


La aplicación del esfuerzo de corte simula las cargas inducidas por el tráfico.

El equipo es extremadamente costoso y de limitada disponibilidad.

AASHTO estandarizó el procedimiento disponible.

El ensayo es complejo y difícil de ejecutar.

El espécimen se prepara con la prueba SGC.

Las muestras obtenidas en el SGC se necesitan cortar y pegar a los cabezales.

Corto tiempo de ensayo.

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

SGC: Shrp Giratory Compactor

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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. 22

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.

23

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)

24

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

25

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)

26

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)

27

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

28

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)

29

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 Carga de la rueda (N) Presión sobre la probeta (kPa) Frecuencia de carga (Ciclos por minuto) Tipo de rueda Medio del Ensayo Masa de la probeta (kg) Espesor de la probeta (mm) Temperatura del Ensayo (ºC) Máxima deformación permitida

5000 600 60

Hamburgo Georgia 705 1.5 53

700 700 45 Rueda Rueda Rueda de de Neumática acero caucho Aire Agua Aire 20 10 5 100 Variable 75 60 50 40 10 mm. 4 mm. 7 mm.

GB (BS)

BS EN ESPAÑA (NLT) (CEN)

Variable 520 Variable 900 21 26 21 Rueda Rueda de Rueda de de caucho y caucho caucho Neumática Aire Aire Aire Variable Variable Variable 35-55 Variable 51 45 , 60 Variable 60 15 mm Variable -

30

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


VENTAJAS

DESVENTAJAS

Modificado y mejorado del ensayo de Georgia (GLWT) Funcionamiento simple Usado extendidamente como ensayo LWT en EEUU Analizador de Pavimentos Asfálticos (APA)

Se dispone de criterios de límites de Cilíndrico 15cm. x aceptación 9cm ó 11.4 cm ó Simula la acción del tráfico y rectangular condiciones de temperatura.

Relativamente costoso

Pueden ser ensayadas de 3 a 6 probetas al mismo tiempo. Utiliza especimenes cilíndricos y/o rectangulares Usa compactador giratorio, SGC. Usada ampliamente en Alemania. Capaz de evaluar los daños Wheel – Tracking 26cm. x 32 cm. x 4cm producidos por la humedad. de Hamburgo Se pueden ensayar dos probetas al mismo tiempo. Ensayo de Ahuellamiento Francés

PURWheel

Bajo potencial de aceptación por parte de los EEUU

Muy exitoso y usado en Francia. 50cm. x 18cm. x 1a 5 Pueden ensayarse dos muestras de No fue extendido ni cm. mezcla asfáltica en caliente al mismo utilizado en los EEUU tiempo 29 cm. x 31 cm. x 3.3, El espécimen puede ser traído de 5, 7.6 cm campo o preparado en el laboratorio.

Necesita un compactador lineal. Se necesitan mayor volumen de materiales

Modelo Móvil de Simulación de carga (MMLS3)

120cm x 24cm x espesor variable

El espécimen es construido a escala

No es adecuado para usarlo rutinariamente La normativa para la fabricación de estos especimenes necesita ser desarrollado

31

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

32

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)

33

• 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.

34

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 DENOMINACIÓN OBJETO TIPO DIMENSIONES [cm] (en planta)

MUESTRA

ESPESOR [cm]

NORMA BRITÁNICA

NORMA EUROPEA

NLT – 173/84 BS 598 Part 110 BS EN 12697-22:2003 Determinación de resistencia a la deformación plástica en una mezcla bituminosa • probeta de laboratorio • muestra extraída in situ • probeta de laboratorio • muestra extraída in situ • extensión a laboratorio • muestra extraída in situ medida pequeña medida extra medida grande (S) grande (XL) (L) Prismática 30 x 30 Cilíndrica Ø 20±0.5 26x30(mínimo) (70x50)±0.5 (50x18)±0.2 Cilíndrica Ø 30

5

S/ espesor capas pavimento Espesor de la capa ±1cm ≤ 5cm→ 5 (hasta 5 cm) > 5cm→ 10

6

Especificar espesor 3 – 5 – 6 – 7.5 – 10 Cantidad requerida (por cada variable)

GRADO DE COMPACTACIÓN DETERMINACIÓN DE DENSIDAD

3 (mínimo)

6

Mezcla densa, semi-densa 97% densidad de Marshall (mínimo) Otras mezclas 95% densidad de Marshall 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

2(mínimo)

2(mínimo)

Igual espesor que en el pavimento o s/ tamaño máximo del agregado (ver Tabla 10) Procedimiento A (aire): 6 Procedimiento B (aire): 2 Procedimiento B (agua): 2

S/ norma EN 12697-33 ó EN 12697-32

35

NORMA ESPAÑOLA

NORMA BRITÁNICA

NORMA EUROPEA

Diámetro [cm] Ancho (w) Espesor Dureza limpieza

PISTA

Carga

Recorrido [cm] Frecuencia TEMPERATURA ENSAYO

(2) (3) (4)

[cm]

Acondicionamiento previo al ensayo

Banda de rodadura

RUEDA

MUESTRA

L 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

XL

S

Se colocan las muestras Condición: Procedimiento en aire: Acondicionar las en un ambiente función del espesor nominal muestras a la • Ta<75°C si Te ≤60°C controlado a la (NT) temperatura de • Ta=Te +15°C si Te>60°C temperatura del ensayo Donde NT ≤ 6cm ; 4hs (mínimo) ensayo por un durante 4-16hs antes de Ta: Temperatura del aire período entre 12- NT > 6cm ; 6hs (mínimo) ensayar, hasta que la 24hs máximo 18 hs antes de Te: Temperatura de probeta alcance la Procedimiento en agua: ensayar ensayo temperatura de ensayo Mantener estas colocar en agua a la Tensayo ±1°C hasta alcanzarla en ±1°C y condiciones durante 12no menos de 1h. 16 hs antes de ensayar

20

20 – 20.5

5

5±0.1

2 80 (Esc Dunlop)

1 – 1.3 80±5 (IRHD)(2) 90% acetona 10% kerosene (en volumen) 2 900±25 KN/m 520±5 N (presión de contacto) (s/ muestra en pl normal)

Rueda neumática 400x8

Rueda neumática 6.00 – R9

Presión inf. (600±30)kPa Ancho (11±5)cm

20 – 20.5 5±0.5 2±0.2 80(IRHD)(2) 90% acetona 10% kerosene (en volumen)

(5000±50) N

(10000±100) N

w (700 50 ± 10) N

23±0.5

23±0.5

41±0.5

70±0.5

23±1

42±1 pasada/min(3)

21±0.2 ciclo/min(4)

1±0.1 Hz

24 ciclo/min(4)

26.1±1ciclo/min(4)

60±1°C u otras para estudios especiales

45 o 60 ±1°C

variable

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

36

NORMA ESPAÑOLA DISPOSITIVO DE CONTROL DE TEMPERATURA ELEMENTOS DE MEDICIÓN DURACIÓN ENSAYO

LECTURA DE DATOS

(5)

NORMA BRITÁNICA

NORMA EUROPEA

Termocupla colocada 3 o L XL 4 cm radialmente hacia Dispositivo sensor en la probeta y en el adentro de la probeta recinto hasta la mitad del espesor Dispositivo automático Dispositivo automático u Sensores láser micrómetro o flexímetro otro flexímetro n° de ciclos 45’ o 15mm de n° de ciclos requeridos ó requeridos ó 120’ deformación ahuellamiento ahuellamiento (lo que ocurra primero) promedio(5) ≥18mm promedio(4) ≥20mm Deformación inicial, ro, Lectura inicial(0) en 15 Después de 3 Lectura en 15 y luego c/5’ ±3’’(7) puntos designados(j) pasadas de puntos (Fig 25): moj acondicionamiento distribuidos en 3 Leer a los 1000, 3000, se toman secciones 10000 y 30000 ciclos. Si transversales a deformaciones fuera necesario: 30, 100, los 100, 200, totales iniciales, a 300 y 10000 ciclos.(6) los 1’, 3’ y 5’, luego 500, 1000, 2000, c/5’ hasta completar 3000, 4000, 45’, luego c/ 15’ 6000, 8000, hasta completar 10000, 12000, ensayo 14000 y si fuera necesario 30000 ciclos. Termostatos regulables desde el exterior

S Control de temperatura en el recinto Dispositivo automático o flexímetro PA:1000ciclos ó 15mm huella PB:10000 ciclos ó 20mm huella Procedimiento A Acondicionamiento previo de 5 ciclos Lectura inicial ro y luego cada 25±1 ciclos.(7)

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.

15 m ij − m oj

Ahuellamiento promedio: ∑

j=1

15

(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.

37

NORMA ESPAÑOLA

NORMA BRITÁNICA

ANÁLISIS DE RESULTADOS PARÁMETROS

d tn − d tm tn − tm

[10−3

mm

min

TR 5−7 = 6(rn − r{n − 2} ) TR 3− 4 = 12( rn − r{n −1} ) TR1− 2 = 900

t15

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

donde: Vtn/tm: Velocidad de deformación para el • Velocidad de deformación corregida intervalo de tiempo w tn/tm(10-3 mm/min) WTR = 10.4 * TRm * (mm/h) L dti: Deformación acumulada donde: al tiempo i (µ) 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.

TAMAÑO GRANDE

Vtn / tm =

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

• Velocidad de deformación (mm/h). Función del n° lecturas TR 8 = 3,6(rn − r{n −3} ) + 1.2(r{n −1} − r{n − 2} )

TAMAÑO EXTRA GRANDE

• 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:

NORMA EUROPEA

Pi = 100 x

15

∑ j=1

m ij − m oj 15 xh

[%]

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

Pi = 100 x

m1 +.....+ m n mxh

[%]

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

38

NORMA ESPAÑOLA

NORMA BRITÁNICA

NORMA EUROPEA PROCEDIMIENTO A • Tasa de ahuellamiento (µ/ciclo), función del n° de lecturas TR 8 = 3rn + r{n −1} − r{n − 2} − 3r{n −3}

• Profundidad de huella (mm)

def < 15mm a los 45'

R = r9 - r0

def = 15mm a los 45'

R = 15 *

TR 5−7 = 5rn − 5r{n − 2} TR 3− 4 = 10rn − 10r{n −1}

45 t 15

TR 1− 2 = 15000

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


TAMAÑO PEQUEÑO

R= (R±0.1) mm

n15 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. w WTR = 10.4 * TRm * L 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) def < 15mm a los 1000 ciclos; R i = r10 - r0 def = 15mm a los 1000 ciclos; R i = 15000 n 15

Se expresa como valor medio de los Ri obtenidos:

R= (R±0.1)mm

39

NORMA ESPAÑOLA

NORMA BRITÁNICA

NORMA EUROPEA

PROCEDIMIENTO B (en aire/ en agua) • Pendiente de ahuellamiento, WTSair/water − d 5000 mm d WTSair / water = 10000 103 ciclos 5 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 INFORMACIÓN OBLIGATORIA • Tipo y características de la • Fecha, hora y lugar de toma de muestras y n° de Para cada muestra mezcla muestra • Identificación de muestra • Origen de la mezcla • Fecha, hora y lugar de ensayo (laboratorio, obra, testigo, • Densidad de la muestra antes del ensayo • Densidad de la muestra antes del ensayo, etc) método de determinación • Temperatura de almacenamiento de • Temperatura del ensayo muestras(tiempo a que estuvieron a una temperatura • Temperatura del ensayo • Presión de contacto • Espesor promedio de la muestra y de capas dada) que pudieran observarse • Deformación total al final • Temperatura del ensayo del ensayo, en mm • N° y fecha de norma • Espesor promedio de la muestra • Representación gráfica • Identificar tamaño de muestra (L, XL, S) y • Velocidad de deformación curva Def. vs tiempo procedimiento(A, Ba/w). • Velocidad de deformación corregida Condiciones de ensayo y operación no • • Valores descartados en el cálculo de la media incluidas en la norma • Profundidad de huella individual y del grupo


REPORTE DE RESULTADOS

]

TAMAÑO PEQUEÑO

[

40

NORMA ESPAÑOLA

NORMA BRITÁNICA

• Velocidad de deformación • Indicar si los rangos de valores de la tasa de donde se manifieste el deformación superan los límites comportamiento de la • Condiciones de ensayos y operación no incluidas en mezcla, como puede ser: la norma V30-45; V75-90; V105-120 • Anomalías que pudieran llegar a afectar los resultados • Certificado de la muestra • Persona responsable del ensayo • N° y fecha de norma


NORMA EUROPEA 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

41

NORMA ESPAÑOLA

NORMA BRITÁNICA

NORMA EUROPEA

PRECISIÓN


Parámetro Tipo muestra Result ensayo Repetibilidad Reproductibil Parámetro N° ciclos

unidad [mm/h]

WTR laboratorio 2.6 0.6 1.2

2.2 0.8 1.4

calada 8.1 13..5 3.1 4.0 5.9 5.7

• 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 WTRair unidad laboratorio calada 2.1 1.7 6.4 10.7 [µ/ciclo] 0.5 0.6 2.5 3.2 1.0 1.1 4.7 4.5 PRDL (muestras de laboratorio) unidad 100 1000 10000 30000

Result ensayo [%]

Repetibilidad Reproductibil

3.5

4.8

6.4

7.0

0.76 0.97

1.05 1.32

1.08 1.20

1.11 1.16

Tabla 10: Espesores de probetas en función del tamaño máximo del agregado ESPESOR [cm] TAMAÑO MÁXIMO AGREGADO [mm]

2.5 <8

4 8≤TMT<16

6 8 16≤TMT8≤22 22
42

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 M=10-6*L*l*e*ρmax*(100-υ)/100

CANTIDAD DE MASA

S/ VOLUMEN DE MOLDE Y DENSIDAD RELATIVA MARSHALL

Secado en estufa a 105°C y 110°C de las distintas fracciones componentes VISCOSIDAD DEL MEZCLA COMPACT. LIGANTE (p/ Betún asfáltico 170±20cSt 280±30cSt determinar temperatura) Alquitrán 25±3°Engler 25±3°Engler 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 FABRICACIÓN DE alcanza temperatura de mezcla agregar el ligante LA MEZCLA y mezclar hasta alcanzar mezclado completo y homogéneo(2’ máximo)

Donde: L: largo molde l: ancho molde e: espesor probeta ρmax: densidad máxima de la muestra υ: Contenido de vacíos

ÁRIDOS

S/ norma Pr EN 2697-35

43

NORMA ESPAÑOLA NLT – 173/84 • 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

ELEMENTO DE COMPACTACIÓN

NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33 MÉTODO 3 Amasado utilizando placas deslizantes • Aplicación de carga • Aplicación de carga • Aplicación de carga F, ajustable en 1KN±10% a vertical, F±20%, tal que l*FD 2 ≥ 10 −5 10KN±5% constante y de l: ancho interno del magnitud tal que se • 1 ó más ruedas c/ llantas molde alcance lisas 400x8 D: Ø rodillo volumen/densidad • cilindro metálico • Collar entre 10-30 pases liso(Ø40-80cm, e:4Elemento de • • Collares o placas de 8mm, ancho: l-5mm) compactación base p/ variedad de • Velocidad, Vt, de (mecánico, manual, espesores traslación de la rueda de laboratorio) • Elemento compactador adecuada: C. a volumen 20-50 cm/seg±10% • Vdespl. = 25±10cm/seg especificado: • Posicionamiento de • Tabla p/ apoyar el ruedas en los ≠ ejes en ± • Rodillo más ancho molde que el molde 2cm • Placas de • F tal que llegue al • Operación en modo eje deslizamiento de acero: volumen entre 20- longitud: fijo o carga fija 50 pasadas l-(0.2±0.05)cm • Espacio para almacenar C. a energía ancho: probeta controlada (8 a 12)±0.02cm • Sistema de elevación de • Rodillo de ancho espesor: fondo de modo de igual al interno del (1 a 1.5 )±0.01cm mantener la superficie a molde, l, menos • Rodillo de acero de nivel del borde de la 1cm diámetro tal que superficie del molde permita deslizar s/ las placas, largo ≥ ancho del molde MÉTODO 1 Ruedas neumáticas

MÉTODO 2 Rodillo liso de acero

44

NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33

NORMA ESPAÑOLA 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 COMPACTACIÓN DE Compactar 3 períodos más de 75seg MEZCLA 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

MÉTODO 3 Amasado utilizando placas deslizantes Rociar los moldes y el Se aplica solo a probetas Se utiliza 1 rueda p/ muestras densidad (50x18)cm y 2(separadas 18 ±1mm) rodillo con silicona o de especificada. teflón. p/ muestras (60x40)cm, con Precalentar moldes y Compactar en presiones y cargas determinadas. 9 posicionar Modo eje fijo: Uso al principio y al continuo movimiento. placas, verticalmente las placas C. a energía final del proceso10 la mezcla, Modo carga cte: 11 Uso durante la especificada: Aplicar sobre parte principal fuerza constante ±5% comenzar a mover el rodillo o la mesa, aplicar C. a energía especificada: si es ≥2KN, hasta el la carga requerida, y 2 niveles de energía; ligera y pesada n° de pasadas mantenerla constante C. a contenido de vacíos necesarios. ±20% hasta que el C. a contenido de especificado: Se adapta al método rodillo alcance el filo del vacíos especificado: anterior, eligiendo el que de el molde o se llegue al resultado menor y más cercano a la Aplicar fuerza constante ±20% hasta desplazamiento relativo relación de vacíos buscada, que el rodillo alcance estimado evitando deformaciones en superficie o compactación despareja el filo del molde MÉTODO 1 Ruedas neumáticas

MÉTODO 2 Rodillo liso de acero

9

El eje de la rueda permanece a altura constante respecto al borde del molde en una pasada 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 10

45

1

rueda

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. 46

4. Un brazo de palanca con una relación de carga 1:3 5. Pesas metálicas con pesos diferentes que permiten variar la carga aplicada PC

puente

LVDT

control y medición de temperatura sistema de calefacción

rueda fija sistema de carga estática

brazo de palanca

sensor de movimiento

sensor de movimiento

mesa desplazable muestra

guías de desplazamiento poleas

motor

Figura 26: Esquema del equipo de rueda cargada del IMAE

Figura 27: Vista general del equipo

47

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

48

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

49

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. VD =

Dn − Dm tn − tm

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

50

•

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

para las diferentes muestras de ensayo i

VD media = ∑ 1

VDi i

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.

VD corregida = 10.4 ⋅ VD media ⋅

w L

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 TR =

Dn − Dm Nn − Nm

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: 51

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

Pendiente de descubrimiento

Pendiente de deformación

Punto de inflexión

N° de ciclos de carga

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

52

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 incorporación de cal

Figura 34: Comparación de una mezcla asfáltica con agregado basáltico con y sin incorporación de cal 53

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 Método por

Método por

amasado

vibración

Velocidad de deformación (mm/min)

0.014

0.022

Estabilidad dinámica (pasadas/mm)

3000

1891

Profundidad total de la huella (mm)

2.2

4.9


0.002

0.0128


21000

3259


0.82

1.6


0.002

0.0039


21000

10768


1.10

1.7


0.0073

0.006


5727

7000


1.65

3.08


0.0033

0.0066


12600

6300


1.23

1.68

Mezcla semi-densa


0.0106

0.0173

S-20


3937

2423

(ligante modificado AM-2).


1.74

2.52

Tipo de mezcla

Mezcla Densa

SMA – 19

Micro-aglomerado F-10 (ligante AM3)

Mezcla semi-densa S-20 (ligante convencional 50-60).

Mezcla semi-densa S-20 (ligante modificado AM-3

Parámetros de medición

54

5

Deformación (mm)

C -Amasado

C - Vibración

4 3 2 1 0 Mezcla Densa

SMA - 19

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

Figura 35: Comparación de las deformaciones permanentes

Velocidad de def. (mm/min)

0.03

C -Amasado

C - Vibración

0.02

0.01

0 Mezcla Densa

SMA - 19

F-10 (AM 3) S-20 (50-60) S-20 (AM-3)

S-20 (AM-2)

Figura 36: Comparación de las velocidades de deformaciones permanentes

WHEEL TRACKING. MEZCLA DENSA Deformación (mm)

6 5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

40

50

60

Tiempo (minutos) método por amasado

método por vibración

Figura 37: Mezcla densa

55

WHEEL TRACKING SMA Deformación (mm)

3

2

1

0 0

10

20

30

40

50

60

Tiem po (m inutos) Método por amasado

Método por vibración

Figura 38: Mezcla SMA -19

WHEEL TRACKING F-10 Deformación (mm)

3

2

1

0 0

10

20

30

40

50

60

Tiem po (m inutos) Método por amasado


Figura 39: Micro-aglomerado F-10

WHEEL TRACKING. S-20 (AM-3) Deformación (mm)

3

2

1

0 0

10

20

30

40

50

60

Tiem po (m inutos) método por amasado


Figura 40: Mezcla semi-densa con ligante modificado AM-3 56

WHEEL TRACKING. S-20 (AM-2) Deformación (mm)

3

2

1

0 0

10

20

30

40

50

60

Tie m po (m inutos) método por amasado


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).

2.5

Ahuellamiento [mm]

50ºC 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0

2000

4000

6000

8000

10000

Ciclos de carga PG 70-22

PG 64-22

SBS 76-22

Airblown 76-22

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

57

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

Westrack: ahuellamiento luego de 582.000 ciclos ESALs [mm]

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

40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

5

10

15

20

25

APA: ahuellamiento a 8000ciclos [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.

58

40

8

35

7

30

y = 2.1141x - 7.0558 R2 = 0.5257

6

25 5 20 4

y = 0.3658x - 1.0165 R 2 = 0.6844

3

15

10

2

RLCC Deformación Permanente [%]

RSCH Deformación por corte [%]

9

5

1 0

0 2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

APA: Profundidad de huella [mm] 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. 20

Profundidad de huella [mm]

18 16 14

Límite especificado

12 10 8 6 4 2 0 sin aditivo

1% cal

2% cal

0.5%HP (antistrip)

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

59

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 Mezclas base Laboratorio (DOT Standard -39 muestras) Probeta calada (coarse -32 muestras) Mezclas “binder” Laboratorio (DOT Standard -35 muestras) Probeta calada (coarse -39 muestras) Mezclas superficiales Laboratorio (DOT Standard -15 muestras) Probeta calada (coarse -14 muestras)

AHUELLAMIENTO PROMEDIO (mm)

RANGO DE VARIACIÓN (mm

DESVÍO ESTÁNDAR

5.33

2.29 – 8.64

1.78

4.06

1.78 – 7.11

1.52

6.10

2.29 – 10.16

2.29

5.33

2.29 – 8.64

1.78

7.62

3.30 – 11.18

2.79

6.35

2.79 – 8.38

1.78

60

Distancia [0.1 in] 3

4

5

6

7

P lano de referencia

8

9

10

0.00

Ahuellamiento [in]

0.03 0.05 0.08 0.10 0.13 0.15 0.18 0.20 500 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 Tipo Mezcla Temperatura de ensayo Carga aplicada Duración del ensayo

PROBETA 1 convencional 60ºC 520 N 1000 ciclos

PROBETA 2 convencional 60ºC 700N 1000 ciclos

61

3.00

Ahuellamiento [mm]

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00 0

200

400

600

800

1000

Nº de ciclos de carga 520 N L ít i

700 N L ít i

(520 N)

(700 N)

Figura 47 Deformaciones en el centro de la probeta

Posición eje longitudinal [mm] -120

-60

0

60

120

0.0

profundidad de huella [mm]

0.5 Carga: 520N 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

100 ciclos

500 ciclos

1000 ciclos

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

62

Posición eje longitudinal [mm] -120

-60

0

60

120

0.0

profundidad de huella [mm]

0.5

Carga: 700N

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

100 ciclos

500 ciclos

1000 ciclos

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 Profundidad de huella a los 50’ [mm] Intervalo [50-35] Velocidad de deformación Intervalo [45-30] [10-3mm/min] Intervalo [40-25]

520 N 1.857 18.91 5.16 12.04

700 N 2.399 22.35 18.91 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 Profundidad de huella a los 45’[mm] Velocidad de deformación [mm/h], TR9

520 N 1.805 0.464

700 N 2.308 1.13

Profundidad de huella: Lectura final (45’)-lectura inicial Velocidad de deformación: 3.6*(L45’-L30’)+1.2*(L40’-L35’) 63

Tabla 17 Norma Europea: CEN 12697-22: 2003 Procedimiento A Carga aplicada Profundidad de huella a los 1000 ciclos [mm] Tasa de ahuellamiento [µ/ciclo], TR10

520 N 1.947 0.315

700 N 2.321 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 64

(Universidad Nacional de La Plata) y LEMAC (Universidad Tecnológica Regional de La Plata), con el fin de llegar a proponer una norma nacional.

8.

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