UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA Departamento de Obras Civiles Ingeniería Vial
Ensayos de Fatiga, Módulo Resiliente y Dinámico Laboratorio #4
Carlos Wahr. Luis Osorio 2711067-3. Ignacio Elzo 2711021-5. Valparaíso, viernes 29 de Junio de 2012.
Profesor: Alumnos:
Ensayo de Fatiga Tiene como objetivo, caracterizar el comportamiento de los pavimento asfalticos, frente a cargas repetitivas. En el laboratorio se ocupa un compactador compactador de rodillo, y donde la rutina de compactación compactación depende de la altura de la probeta. Se utiliza como temperatura de mezclado 180° y temperatura de compactación 170° Consideraciones.
En Chile se utiliza el método de compactación “Marshall” que qu e depende de la energía de compactación. Para el ensayo se utiliza solo el núcleo de la probeta. La maquinaria utilizada para determinar el ensayo de fatiga es la viga de 4 puntos, Existen dos métodos para su determinación, esfuerzo controlado y deformación controlada, en el laboratorio se utiliza deformación controlada, debido a que es más lento. El ensayo termina cuando se alcanza una rigidez del 50% de la rigidez inicial de la probeta, La frecuencia de ensayo ensayo es de 10 [hz] que representa una velocidad de un vehículo a 90 a 100 [km/h], con tres probetas se encuentra un punto de la curva. Se ocupa una fuerza sinusoidal La deformación se encuentra desfasada por la propiedad viscoelástica viscoelástica de la capa asfáltica.
Datos utilizados.
MEZCLA ASFÁLTICA D Strain
Microstrain
Nf
0,0003 0,000375 0,00065 0,0008 0,001
300 375 650 800 1000
208000 50000 8500 3100 1400
Donde Nf es la cantidad de ciclos de carga para alcanzar 50% de la rigidez.
Regresión en escala logarítmica. logarítmica.
Curva de Fatiga Mezcla D 1000000 100000 ) f N ( g o l
10000
y = 1E+15x-3,997 R² = 0,9901
1000 100 10 1 200
log(ε)
La regresión buscada corresponde a la siguiente ecuación potencial.
Con el fin de comparar las distintas mezclas asfálticas se busca el valor ɛ6, asociado a 1000000 de repeticiones de carga. Resultados k1 k2 Nf ε6
1.32422^15 -3,997 1000000 ciclos 191,515
[microstrain]
Sobre los Resultados:
Para comparar con otras mezclas asfálticas ɛ6 mayor es mejor, debido a que significa que la probeta resiste mayor deformación. Existe un factor de cambio, que sirve para relacionar los resultados del laboratorio con los trabajos de terreno, este factor varía entre 3:150. En el laboratorio se supone que la carga pasa siempre por el mismo lugar.
Modulo Dinámico Datos entregados: MEZCLA ASFÁLTICA D Temp [°C]
Frequency [Hz]
IE*I [MPa]
Log Fr
Log IE*I
-10 -10 -10 -10 -10 -10
25 10 5 1 0,5 0,1
17838 15073 12647 8437 7034 5615
1,397940009 1 0,698970004 0 -0,301029996 -1
4,251351944 4,178195449 4,10198323 3,926162367 3,847231703 3,749370187
4 4 4 4 4 4
25 10 5 1 0,5 0,1
11110 9047 7626 4786 3818 2034
1,397940009 1 0,698970004 0 -0,301029996 -1
4,04572312 3,956518595 3,882313346 3,680012277 3,581874213 3,308414583
21 21 21 21 21 21 38 38 38 38 38 38 54 54 54 54 54 54
25 10 5 1 0,5 0,1 25 10 5 1 0,5 0,1 25 10 5 1 0,5 0,1
4665 3332 2541 1247 901 406 1374 828 574 259 183 96 659 361 245 113 82 48
1,397940009 1 0,698970004 0 -0,301029996 -1 1,397940009 1 0,698970004 0 -0,301029996 -1 1,397940009 1 0,698970004 0 -0,301029996 -1
3,668824437 3,522723067 3,404988159 3,095891765 2,954848329 2,608488109 3,137984376 2,918164085 2,758819782 2,41365192 2,263352928 1,982048147 2,818967142 2,557416968 2,389603925 2,051948077 1,912228993 1,677764994
Gráfico Logarítmico del Modulo Dinámico en función de las frecuencias, para distintas temperaturas.
Módulo dinámico en función de la Frecuencia de carga para diferentes Temperaturas 4.5 4 3.5 ) * E 3 ( g o l o c i 2.5 m á n i D 2 o l u d ó 1.5 M
T = -10 ºC T = 4 ºC T = 21 ºC T = 38 ºC T = 54 ºC
1 0.5 0 -3
-2
-1
0
1
2
Frecuencia log(Fr)
II. Explicar la metodología utilizada para realizar la curva maestra de la Mezcla Asfáltica, ¿bajo qué criterio se basa este procedimiento? La metodología utilizada para realizar la curva maestra se basa en una propiedad de los materiales viscoelásticos, conocida como principio de superposición tiempo-temperatura, según este principio, el comportamiento de un material a tiempos altos equivale al obtenido a altas temperaturas y bajas frecuencias de oscilación. Los datos correspondientes correspondientes a la posición posición a la cual aparece el máximo en la tangente pueden ser correlacionados empleando una ecuación del tipo:
Según esto, los valores de los módulos elástico y viscoso, obtenidos a una temperatura T0, pueden ser comparados con los valores de dichos módulos obtenidos a otra temperatura T1, siempre y cuando, se lleve a cabo un desplazamiento desplazamiento en la escala de las frecuencias correspondientes correspondientes a T0, en un factor de a(t) de acuerdo con la ecuación ecuación y se corrijan los módulos. módulos. Así, los módulos módulos o la viscosidad compleja compleja en T0 a una frecuencia f0 pueden ser empleados para calcular los valores que deberían tener a T1 con una frecuencia at f0; analizando más profundamente este hecho es posible llegar a la conclusión de una reducción en frecuencia (por ser a(t)<1, y por tanto f1
puede producir el mismo efecto en la mezcla asfáltica que un aumento en la temperatura, ya que los nuevos módulos calculados calculados corresponden a una temperatura mayor (T1), lo cual establece establece el principio de superposición tiempo-temperatura tiempo-temperatura frecuencia. frecuencia.
Modulo Resiliente I.- Explicar brevemente los conceptos de densidad máxima compactada seca y humedad óptima. Describir brevemente los ensayos respectivos especificados en la norma chilena? Al compactar un determinado tipo de suelo la máxima densidad se alcanza para un único valor de humedad del suelo, este valor máximo de la densidad seca alcanzada se define como “densidad “den sidad Proctor” o “Densidad máxima compactada seca” (DMCS), mientras que al contenido de agua correspondiente se denomina “humedad optima”. Ensayos respectivos en norma chilena. Ensayo de Proctor Modificado. Norma: NCh 1534/2 of 1979. Este ensayo se establece para determinar la relación entre la humedad y la densidad de un suelo compactado en un molde normalizado mediante un pisón de 4.5Kg en caída libre desde una altura de 460mm, con una energía especifica de compactación de 267 J/cm3. Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. Históricamente, el primer método, respecto a la técnica que se utiliza actualmente, se debe a R.R. Proctor el que es conocido como ensayo de Proctor estándar. El más empleado, actualmente, es el denominado ensayo de Proctor modificado en el que se aplica mayor energía de compactación que el estándar siendo el que esta más de acuerdo con las solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo.
II.- Explicar brevemente la definición de Módulo Resiliente. Ayúdese de un gráfico en donde se muestre las deformaciones experimentadas por el suelo en función de la carga repetida. El concepto de módulo resiliente: Hveem y Carmany en 1948 reconocieron que el módulo dinámico de elasticidad para subrasantes es un parámetro de gran importancia para entender el agrietamiento (por fatiga) de las superficies de asfalto y que la carga monotónica podría no ser la adecuada para su determinación. En 1955, Hveem desarrolló el tema “comportamiento resiliente de los pavimentos”. Él propuso la prueba del estabilómetro para caracterizar a las subrasantes. En la Universidad de California siguieron lo establecido por Hveem. Desarrollaron pruebas de carga repetida e introdujeron el término de módulo resiliente. Este término fue completamente definido y especificado como la magnitud del esfuerzo desviador repetido en compresión triaxial dividido entre la deformación axial recuperable y se representa como sigue:
Durante pruebas de carga repetida se observa que después de un cierto número de ciclos de carga, el módulo llega a ser aproximadamente constante y la respuesta del suelo puede asumirse como elástica. Al módulo que permanece constante se le llama módulo resiliente ver figura.
III. Para los resultados del ensaye en el suelo granular ajuste el modelo
Donde Mr: Módulo Resiliente. = Esfuerzo Invariante. Y obtenga las constantes. Grafique y concluya acerca del comportamiento del material. Expresar Mr en [MPa].
Datos:
Esfuerzo Invariante 420,9 427,8 448,5 483 517,5 552 317,4 324,3 345 379,5 414 448,5 213,9 220,8 241,5 276 310,5 110,4 117,3 138 172,5 207 27,6 34,5 55,2 72,45 89,7
Módulo resiliente 10^3 172,802404 198,875919 220,067615 232,738557 234,292764 243,06901 175,038052 193,20966 201,166181 213,028713 221,073542 235,075676 145,11041 150,416916 151,728384 147,382361 207,77083 97,299584 104,64455 119,439155 138,09114 140,066447 79,1556728 116,790792 98,6249678 123,091195 120,885089
Regresión:
Modulo Resiliente v/s Esfuerzo Invariante 1000
y = 24,37x0,349 R² = 0,836
) a P k 3 ^ 100 0 1 ( e t n e i l i s e R o l u 10 d ó M
1 1
10
100
1000
Esfuerzo Invariante (kPa)
Resultados k1 k2
24,37 0,3495
Se concluye que la relación entre el esfuerzo invariante y el módulo resiliente es lineal en una escala logarítmica (relación potencial) donde a mayor esfuerzo invariante aumenta el módulo resiliente de los suelos granulares. g ranulares. IV. Para los resultados del ensaye en el suelo fino ajuste el modelo bilineal y encuentre las constantes k1, k2, k3, k4, del mismo. El modelo bilineal viene dado por:
Datos: Esfuerzo Desviador(Kpa) 6,9 6,9 6,9 13,8 13,8 13,8 27,6 27,6 27,6 55,2 55,2 55,2 69 69 69
Módulo resiliente 10^3 116,1909573 110,5060858 102,1768103 121,7575437 115,0431412 97,28929465 101,9861432 94,35413569 70,08544838 74,96180614 60,35887286 45,72507797 69,81403161 48,47054361 33,73151183
Regresión:
Modulo Resiliente v/s Esfuerzo Desviador 140 y = -1.0954x + 120.9 R² = 0.4168
] 120 a p M [ 3 100 ^ 0 1 * e t 80 n e l i s 60 e R o l u d 40 o M
y = -0.7012x + 99.055 R² = 0.1146 Series1 Series2 Linear (Series1) Linear (Series2)
20 0
0
10
20
30
40
50
Esfuerzo Desviador [Mpa]
60
70
80
Modulo Resiliente v/s Esfuerzo desviador 140.0000 ] a 120.0000 p M [ 3 100.0000 ^ 0 1 * 80.0000 e t n e 60.0000 l i s e R 40.0000 o l u d 20.0000 o M
serie 3 Series1 Series2
0.0000 0.0000
50.0000
100.0000
150.0000
Esfuerzo Desviador [Mpa]
Las pendientes de las curvas representan k3 y k4 respectivamente, luego el intercepto de las dos curvas respresenta k1 y k2 según esto.
Valor 60174,7 55,4569 1095 701
Resultados Constante K1 K2 K3 K4
Gráfico Y X m1 m2
Luego reemplazando en las expresiones anteriores se obtiene:
IV.- Investigue acerca del tratamiento que se le da en la Guía de Diseño de Pavimentos EmpíricoMecanicista AASHTO 2008 al módulo resiliente para el caso de pavimentos flexibles y pavimentos rígidos. ¿Cuál es el modelo usado? En el valor de MR obtenido en laboratorio influyen diversos parámetros como: granulometría, angularidad de los áridos, densidad, presión de confinamiento, humedad y tensión aplicada. En terreno, este módulo es influenciado, además de los parámetros antes indicados, por el módulo de la capa subyacente, que afecta su valor en mayor o menor grado según el espesor de la capa granular. Por tanto, el módulo en terreno queda con un valor diferente al módulo que se obtiene en laboratorio, al cual se le denomina módulo resiliente compuesto (MRC).
Con respecto al valor de la capacidad estructural de las capas granulares, existe una problemática general de inconsistencia en el uso de parámetros entre las etapas de: diseño, especificación y construcción de las mismas. Los métodos actuales de diseño estructural de pavimentos, incluida la nueva Guía AASHTO 2008, utilizan como parámetro de capacidad estructural de las capas granulares, su MRC. Sin embargo, los materiales de estas capas se especifican para la construcción con el valor de CBR (California Bearing Ratio), granulometría y densidad. Y por otro lado, el control in-situ de las capas granulares se realiza tomando valores de densidad. La utilización del valor de CBR como capacidad estructural en la especificación técnica se debe a que la realización de este ensayo es mucho más simple y económica que la del ensayo del módulo resiliente. Por este motivo existen diversas correlaciones entre CBR y MR, pero cada una de ellas fue determinada para escenarios puntuales y no pueden ser aplicadas para todos los casos. Además, el CBR es un valor empírico que se puede interpretar como una medida relativa de resistencia al corte bajo condiciones muy particulares de carga, pero no representa el comportamiento real de las capas granulares. El procedimiento de control in-situ se basa en el hecho de que como estas capas son construidas con materiales especificados, especificados, tendrían el CBR CBR esperado si es que cumple cumple con el mínimo mínimo de densidad exigido, que es el 95% de la Densidad Máxima Compactada Seca (DMCS). También como control en la construcción, se pueden retirar muestras del material granular para realizar ensayos de CBR en laboratorio pero estos ensayos sirven para corroborar que el material utilizado sea el mismo que se especificó no para evaluar cuál es el módulo resiliente compuesto de la capa granular. Por tanto, existe la necesidad de evaluar in-situ el módulo resiliente compuesto de las capas granulares para comprobar el cumplimiento de la hipótesis de diseño estructural. *Obtenido desde “METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN IN-SITU DEL MODULO RESILIENTE DE CAPAS GRANULARES DE PAVIMENTOS FLEXIBLES CON EL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO LIVIANO”, Alelí Osorio Lird,, Guillermo Thenoux, Felipe Halles.
