LA INFLUENCIA DE LA ARENA TRITURADA EN LA RESISTENCIA DE LA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE CON GRADACIÓN MDC2 INVIAS
DIANA MERCEDES CASTAÑO MARTÍNEZ LINA MARÍA OCHOA LOZANO
Trabajo de Grado para optar el Titulo de Especialistas en Vías y Transporte
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA Manizales, Febrero de 2005
LA INFLUENCIA DE LA ARENA TRITURADA EN LA RESISTENCIA DE LA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE CON GRADACIÓN MDC2 INVIAS
DIANA MERCEDES CASTAÑO MARTÍNEZ LINA MARÍA OCHOA LOZANO
Modalidad: Auxiliares de Investigación
Director: LUIS CARLOS VÁSQUEZ TORRES Ingeniero Civil
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA Manizales, Febrero de 2005
TABLA DE CONTENIDO
1.
INTRODUCCIÓN................................................................................................... 10
2.
ANTECEDENTES .................................................................................................. 11
3.
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA........................................................................... 12
4.
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 14
5.
OBJETIVOS ............................................................................................................ 15
6.
ALCANCE .............................................................................................................. 16
7.
MARCO REFERENCIAL....................................................................................... 17
7.1.
DISEÑO DE MEZCLA SUPERPAVE ........................................................... 18
7.1.1.
El Sistema ................................................................................................ 18
7.1.2.
Deformación Permanente ........................................................................ 20
7.2.
ENSAYO DE TENSIÓN INDIRECTA .......................................................... 21
7.2.1.
Procedimiento del Ensayo ....................................................................... 26
7.3.
PROPIEDADES RELACIONADAS AL DAÑO ........................................... 29
7.3.1.
Fisuramiento por temperatura o expansión térmica................................. 29
7.3.2.
Grietas por Fatiga .................................................................................... 30
7.3.3.
Deformación Permanente ........................................................................ 31
7.4.
ENSAYO DE CARGA DINÁMICA UNIAXIAL DE FLUJO O CREEP ..... 33
7.4.1.
8.
Procedimiento de Ensayo en el Equipo UTM ......................................... 35
METODOLOGÍA .................................................................................................... 37
8.1.
DOCUMENTACIÓN BIBLIOGRÁFICA ...................................................... 37
8.2.
OBTENCIÓN DE MATERIALES .................................................................. 37
8.3.
DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS................................... 38
8.3.1.
Análisis Granulométrico, Peso Específico y Absorción de Agregados... 38
8.4.
ELABORACIÓN BRIQUETAS ..................................................................... 38
8.5.
Ensayos realizados a las briquetas ................................................................... 40
8.5.1.
Ensayo de Tensión Indirecta.................................................................... 41
8.5.2.
Ensayo de Carga Dinámica Uniaxial de Flujo......................................... 42
8.5.3.
9.
Ensayo de contenido de vacíos ................................................................ 44
RECOPILACIÓN Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN.................... 47
9.1.
GENERALIDADES ........................................................................................ 47
9.2.
RESULTADOS OBTENIDOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS ........... 47
9.2.1.
Materiales granulares ............................................................................... 48
9.2.2.
Briquetas .................................................................................................. 49
9.2.3.
Manejo del equipo UTM ......................................................................... 53
9.3.
9.2.3.1.
Ensayos de Tensión Indirecta .......................................................... 53
9.2.3.2.
Ensayo de Fluencia o Creep ............................................................ 54
RECOPILACIÓN DE LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS............... 54
10.
CONCLUSIONES ............................................................................................... 70
11.
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 71
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Pesos de los materiales por gradación de la mezcla MDC2 ……………….. 40 Tabla 2. Pesos específicos de las Arenas ……………………………………………..48 Tabla 3. Contenido de Vacíos en la Arena …………………………………………... 49 Tabla 4. Peso Específico Bulk de las Briquetas ……………………………………... 50 Tabla 5. Determinación del Contenido de Vacíos de Aire de las Briquetas ………… 52 Tabla 6. Módulos de Tensión Indirecta a la temperatura inferior …………………… 56 Tabla 7. Módulos de Tensión Indirecta a la temperatura media …………………….. 57 Tabla 8. Módulos de Tensión Indirecta a la temperatura superior …………………... 58 Tabla 9. Módulos de Tensión a las diferentes temperaturas ………………………… 59 Tabla 10. Variación de los Módulos de Tensión ……………………………………. 61 Tabla 11. Módulos de tensión a una Temperatura de 20ºC …………………………. 62 Tabla 12. Módulos de tensión a una Temperatura de 25ºC …………………………. 63 Tabla 13. Módulos de tensión a una Temperatura de 30ºC …………………………. 64 Tabla 14. Resumen de los Módulos de Tensión calculados a 20ºC, 25ºC y 30ºC …... 65 Tabla 15. Resultados del Ensayo de Compresión Uniaxial …………………………. 66
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Ensayo de Tensión Indirecta. Mecanismos de Carga (a) y Falla (b) ……...... 22 Figura 2. Deformaciones unitarias bajo cargas repetidas …………………………....... 24 Figura 3. Distribución de esfuerzos relativos y centro del elemento mostrando el estado biaxial ………………………………………………………………………….. 25 Figura 4. Relaciones entre el pulso de carga y la deformación asociada para el ensayo de tensión indirecta con carga repetida ……………………………………….. 28 Figura 5. Relaciones entre el número de aplicaciones de carga y las deformaciones vertical y horizontal para el ensayo de tensión indirecta con carga repetida …………. 29 Figura 6. Materiales tamizados ……………………………………………………….. 39 Figura 7. Dosificación al peso de los agregados y del asfalto ………………………... 39 Figura 8. Máquina UTM y cámara de temperatura controlada ………………………. 53 Figura 9. Nube de puntos con los resultados del ensayo de Tensión Indirecta ………. 60 Figura 10. Módulos de Tensión vs. Temperatura …………………………………….. 61 Figura 11. Fluencia vs. Deformación Recuperable …………………………………… 67 Figura 12. Módulo Resiliente vs. Deformación Recuperable ………………………… 67 Figura 13. Deformación Recuperable vs. Porcentaje de Arena Triturada ……………. 68 Figura 14. Fluencia vs. Porcentaje de Arena Triturada ………………………………. 68 Figura 15. Módulo Resiliente vs. Porcentaje de Arena Triturada …………………….. 69
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
BIBLIOTECA ALFONSO CALVAJAL ESCOBAR
SEDE M ANIZALES Resumen de Trabajo de Grado CARRERA ESPECILIACION EN VIAS Y TRANSPORTE 1er Apellido: CASTAÑO 2do Apellido: MARTINEZ Nombre: DIANA PATRICIA er do 1 Apellido: OCHOA 2 Apellido: LOZANO Nombre: LINA MARIA TITULO DEL TRABAJO: LA INFLUENCIA DE LA ARENA TRITURADA EN LA RESISTENCIA DE LA MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE CON GRADACIÓN MDC2 INVIAS NOMBRE DEL DIRECTOR DEL TRABAJO: ING. LUIS CARLOS VÁSQUEZ TORRES RESUMEN DEL CONTENIDO El desempeño de las mezclas asfálticas está influenciado por las propiedades de los agregados, en cuanto forma, angularidad y textura superficial de los agregados finos, que condicionan la estabilidad y resistencia de la mezcla asfáltica. Este trabajo contiene el estudio realizado a la variación que presenta la resistencia de una mezcla asfáltica MDC2 INVÍAS, respecto al porcentaje de arena triturada; evaluada mediante la realización de ensayos de Tensión Indirecta y Fluencia (Creep). Se elaboraron 33 briquetas, variando el porcentaje de arena triturada y natural, desde 100% de arena triturada hasta 0%. El ensayo de Tensión Indirecta se le realizó a las 33 briquetas a tres temperaturas, 20°C, 25°C y 30°C; y el ensayo de Fluencia (Creep) se le efectuó a las 33 briquetas a una sola temperatura, 30°C. Se calculó también el contenido de vacíos en estado suelto de la fracción de arena para las mezclas de material triturado y natural mediante el ensayo de FAA. ABSTRACT The performance of the asphalt mixtures is influenced by the properties of aggregates, as soon as it forms, angularity and superficial texture of the fine aggregates, who condition the stability and resistance of the asphalt mixture. This work contains the study made to the variation that offers the resistance of an asphalt mixture MDC2 INVÍAS, with respect to the percentage of crushed sand; evaluated by means of the accomplishment of tests of Indirect Tension and Flow (Creep). They were elaborated 33 briquets, having varied the percentage of sand crushed and natural, from 100% of sand crushed to 0%. The test of Indirect Tension was made to him to 33 briquets to three temperatures, 20°C, 25°C and 30°C; and the test of Flow (Creep) it carried out to him to 33 briquets to a only temperature, 30°C. The content of voids in loose state of the fraction of sand for the mixtures of material crushed and natural by means of the FAA test also calculated. PALABRAS CLAVES: ARENA TRITURADA-MEZCLA ASFALTICA-INVIAS MCD2
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1. INTRODUCCIÓN
En la producción ce concreto asfáltico para pavimentos se utiliza una gran variedad de agregados. Dentro de los más frecuentemente utilizados están los agregados minerales, los agregados sintéticos y los agregados reciclados. Los agregados minerales se pueden clasificar en naturales y procesados. Los agregados naturales, son extraídos de ríos y los procesados son aquellos que sufren algún tipo algún tipo de tratamiento antes de ser utilizados como material de mezcla asfáltica. El desempeño de una mezcla asfáltica depende de la calidad de los materiales, principalmente por las características de forma, angularidad y textura superficial. Actualmente la deformación permanente y el agrietamiento por fatiga de una mezcla asfáltica, son los principales mecanismos de deterioro de un pavimento. El aumento de la deformación permanente de los pavimentos obedece a factores como: el aumento del volumen de tráfico y las presiones de inflado de las llantas de los camines por encima de los 75 psi. Este trabajo hace parte de la Investigación que adelanta el Ingeniero Luís Carlos Vásquez Torres, en el cual se presenta el estudio realizado a la variación que presenta la resistencia de una mezcla asfáltica MDC2 INVÍAS de acuerdo al porcentaje de trituración de la arena, lo cual se efectuó realizando ensayos de Tensión Indirecta y Creep.
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2. ANTECEDENTES
Las especificaciones de Construcción de 1970 del Ministerio de Obras Públicas, vigentes para las obras publicas nacionales hasta 1996, establecían en su sección 23 CONCRETO AFÁLTICO numeral 2.6 Agregado Fino que “La porción de agregado que pasa el tamiz # 4 se denominará agregado fino y consistirá de arena natural, material de trituración o de una combinación de ambos”. En el año de 1966, el Instituto Nacional de Vías (INVIAS), que sustituyó al Ministerio de Obras Públicas y Transportes en la conservación y construcción de vías del orden nacional, publicó unas nuevas normas de construcción que reemplazaron a las mencionadas del año 1970 y en las Normas 400 y 450 de 1996 aparecía la exigencia de utilizar arenas trituradas en las mezclas asfálticas o una mezcla con arenas naturales estableciendo que en cada especificación se fijaría la composición. En las de 2003 se reglamentan valores explícitos como se transcribe enseguida: “El agregado fino deberá proceder en su totalidad de la trituración de piedra de cantera o de grava natural, o parcialmente de fuentes naturales de arena. La proporción de arena natural no podrá exceder del quince por ciento (15 %) de la masa total del agregado combinado, cuando el tránsito de diseño sea superior a cinco millones (> 5*106) ejes equivalentes de 80 kN en el carril de diseño, ni exceder de veinticinco por ciento (25 %) para tránsitos de menor intensidad. En todo caso, la proporción de agregado fino no triturado no podrá exceder la del agregado fino triturado”. Además se reglamenta que los granos del agregado fino deberán ser duros, limpios y de superficie rugosa y angular. El material deberá estar libre de cualquier sustancia que impida la adhesión del asfalto.
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3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Las últimas Especificaciones del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) publicadas en el año 2002 introdujeron en la especificación 400 y 450 la obligación de realizar las mezclas asfálticas con un alto contenido de arena de trituración eliminando prácticamente la presencia de arenas naturales en la mezcla. Esta exigencia de trituración ajena al método de diseño Marshall para mezclas asfálticas, el cual se establece por las mismas normas para diseñarlas, no está respaldada por investigación alguna conocida y proviene de otro método de diseño(Superpave) con poca o ninguna experiencia y aplicación en el país. La investigación directa en vía del proceso constructivo y del comportamiento está fuera del alcance económico del ámbito académico, por lo tanto una solución es conocer si hay influencia en la resistencia de las mezclas asfálticas por el mayor o menor porcentaje de arena de trituración presente en la mezcla. En el caso de muchas plantas de asfalto de la región, los materiales utilizados son gravas aluviales, las cuales al ser trituradas producen partículas de arena triturada con un alto porcentaje de partículas laminares que parecen ser las responsables de problemas de comportamiento en la construcción y comportamiento. La resistencia de una mezcla asfáltica se puede medir por el ensayo de tensión indirecta (BS 213-96) o por el denominado “Método para la resistencia a la deformación permanente de mezclas asfálticas sujetas a una carga uniaxial inconfinada” (BS 1851990) denominado “Creep”.
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Si se evalúan mezclas asfálticas con diferentes contenidos de arena de trituración IR A
empleando los anteriores ensayos, resultados obtenidos podrían indicar la posibilidad de disminuir el contenido de arena de trituración en la mezcla asfáltica sin deteriorar la calidad de la misma o por el contrario confirmar la obligación de exigir el alto contenido de arena proveniente de trituración. Los resultados de esta investigación podrían ser alta utilidad para el sector público de la construcción, en especial para el INVÍAS, porque pude resultar en menores costos de las mezclas asfálticas sin deterioro de la calidad de la construcción Resumiendo, se quiere conocer la variación de la resistencia de acuerdo al porcentaje de trituración de la arena con el fin de encontrar un valor que genere una alta resistencia a un bajo costo.
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4. JUSTIFICACIÓN
El desempeño de los pavimentos de concreto asfáltico depende de las propiedades y proporciones de sus principales componentes, como son: los agregados, cemento asfáltico y volumen de vacíos. El incremento de la resistencia de las mezclas asfálticas puede ser alcanzada a través de la exigencia de mejores propiedades para los agregados, como: tamaño, forma, angularidad y textura superficial de las partículas y granulometría. Hasta el momento en Colombia no se han realizado estudios reales sobre este tema, razón por la cual se pretende hacer este trabajo de grado.
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5. OBJETIVOS
1.1 Objetivo General •
Encontrar la influencia de la arena triturada en los módulos de Tensión Indirecta y Creep de Mezclas Asfálticas, con gradación MDC2 INVIAS.
1.2 Objetivos Específicos •
Elaborar 33 briquetas con diferentes porcentajes de arena pasante tamiz No. 8 y retenida en l tamiz No. 100 producto de la trituración.
•
Realizar en las briquetas los ensayos de Tensión Indirecta (BS 213-96) a tres temperaturas (20, 25 y 30°C).
•
Realizar el ensayo Método para la resistencia a la deformación permanente de mezclas asfálticas sujetas a una carga uniaxial inconfinada (BS 185-1990) (Creep) a una temperatura de 30°C o más.
•
Determinar el contenido de vacíos en estado suelto de la fracción arena para las mezclas de material triturado y arena natural (C1252-98 ASTM).
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6. ALCANCE
Este trabajo se enmarca dentro de la investigación que adelanta el Ingeniero Luís Carlos Vásquez Torres, docente de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Se trata de establecer la influencia de la arena triturada en los agregados de las mezclas asfálticas tipo MDC2 de las normas INVIAS en la resistencia evaluada con ensayos de tensión indirecta (BS 213-96) ejecutados en tres niveles de temperatura para considerar la influencia de la misma y del ensayo Método para la resistencia a la deformación permanente de mezclas asfálticas sujetas a una carga uniaxial inconfinada (BS 1851990) a una temperatura de 30oC o mayor. Se realizarán las briquetas con agregados y asfalto obtenidos de la Planta de asfalto de la firma Murillo - Loboguerrero situada en Andalucía (Valle del Cauca) y se empleará el diseño allí utilizado para la cantidad de asfalto y temperaturas de compactación. Se empleará el ensayo para determinar el Contenido de Vacíos en estado suelto de la fracción arena para las mezclas de material triturado y arena natural (C1252-98 ASTM) a las muestras de arena con los porcentajes de arena triturada y natural empleados en las gradaciones de las briquetas.
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7. MARCO REFERENCIAL
La habilidad para caracterizar los materiales de pavimentos en términos de las propiedades fundamentales ha tomado gran importancia, debido particularmente a los factores que muchas agencias están comenzando a usar en los métodos mecanicistas de diseño de pavimentos basados en la teoría elástica o viscoelástica. Los ensayos empíricos requeridos para los procedimientos de diseño no proporcionan las propiedades fundamentales requeridas de la ingeniería por estos más recientes procedimientos de diseño y generalmente no pueden usarse para evaluar los nuevos materiales que no tienen ninguna historia de comportamiento. Además, es importante poder evaluar las propiedades de los materiales que se relacionan con tres formas de falla de los pavimentos; fisuramiento por temperatura o expansión térmica, agrietamiento por fatiga y deformación permanente o ahuellamiento. El desempeño del concreto asfáltico depende ampliamente de las propiedades y proporciones relativas de sus principales componentes, es decir, de los agregados, del cemento asfáltico y del volumen de vacíos. Los agregados minerales pueden variar mucho en cuanto a las características que condicionan su adecuabilidad como material de la mezcla asfáltica; tales como: mineralogía, granulometría, resistencia durabilidad, forma, angularidad y textura superficial de las partículas. Varios trabajos han demostrado la importancia de los agregados para la obtención de pavimentos de alta calidad. Segundo Kandhal y Parker, Jr. (1998) y Roberts (1991), demostraron que las propiedades de los agregados están relacionadas con los parámetros
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de desempeño de los pavimentos de concreto asfáltico, tales como: deformación IR A
permanente, desgaste, agrietamiento por fatiga y resistencia al deslizamiento.
7.1.
DISEÑO DE MEZCLA SUPERPAVE
7.1.1.
El Sistema
Un producto del Programa Estratégico de Investigación de Carreteras, SHRP, (Strategic Highway Research Program) fue el sistema de diseño de mezcla asfáltica en caliente. SUPERPAVE es un acronismo de Superior Performing Asphalt Pavements. El sistema incluye la especificación de un ligante asfáltico que utiliza un nuevo procedimiento de ensayo de la propiedad física del ligante; una serie de ensayos y especificaciones para agregados (áridos) y un sistema de diseño de mezcla asfáltica en caliente. La especificación Superpave del ligante asfáltico tiene como base procedimientos de ensayos que han demostrado tener relación directa al desempeño en campo de los pavimentos de mezclas asfálticas en caliente. Se usa el reómetro de corte dinámico (DSR) para caracterizar la alta e intermedia rigidez del ligante. El DSR mide el módulo complejo G* y un bajo ángulo de fase “d”. Cuanto mayor sea él valor de G* mayor será la rigidez, de este modo la resistencia al ahuellamiento del ligante asfáltico será mayor. El menor valor del ángulo de fase "d" indicará un ligante asfáltico más elástico. Estos dos valores se combinan para desarrollar el parámetro de G*/sen d, o rigidez a alta temperatura. Ha sido señalado que mayor rigidez a alta temperatura significará menor ahuellamiento. Se desea tener una rigidez a alta temperatura que sea mayor a 1 KPa a la temperatura de la carretera en servicio. La propiedad a baja temperatura del ligante asfáltico es evaluada
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usando el Reómetro de Viga a Flexión (BBR). El reómetro a flexión se caracteriza por el IR A
uso de una carga transitoria "creep" aplicada a una pequeña viga de asfalto simplemente apoyada en sus extremos y mantenida a una temperatura baja constante. El BBR es utilizado para determinar la rigidez a la fluencia del ligante asfáltico y del valor "m". El valor "m" es una línea recta inclinada del logaritmo de la fluencia-rigidez "versus" tiempo de la curva resultante. Una baja rigidez, por debajo de 300 MPa y un valor "m" (mayor que 0,300) es deseable. Las propiedades del agregado especificado en el sistema Superpave están dirigidas directamente a proveer agregados cuya angularidad resistirán a los efectos destructivos del proceso de construcción y a los efectos del clima. La angularidad se garantiza exigiendo que el agregado grueso tenga un alto porcentaje de caras trituradas y requiriendo que los agregados finos sean triturados, evaluados por el ensayo de angularidad fina (FAA). Los efectos destructivos del proceso de construcción y los efectos del clima son evaluados por medio del uso del ensayo de Desgaste en la Máquina de Los Ángeles (Norma ASTM C131) y del ensayo de durabilidad en Sulfato de Sodio (Norma ASTM C88). El componente clave del sistema SUPERPAVE del diseño de mezcla es el Compactador Giratorio Superpave (Superpave Gyratory Compactator) SGC. El SGC fue diseñado para compactar muestras de mezcla asfáltica en caliente a una densidad similar a aquélla obtenida en campo por el proceso constructivo y por la acción del tránsito. Este tipo de compactador también tiende a orientar las partículas del agregado en forma similar a lo observado en el campo. Una mezcla asfáltica en caliente, se compacta por medio de la aplicación de una presión vertical y una acción giratoria simultánea. La presión vertical es fijada en 600 kPa y un ángulo de giro de 1,25º. Los giros se aplican a una velocidad de 30 r.p.m. (revoluciones por minuto). Se varía el número de giros para simular el nivel de tránsito. El SGC se usa para compactar muestras cuyas dimensiones se han fijado en 150 mm de diámetro y alrededor de 115 mm de altura.
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Los tres parámetros que se evalúan con el compactador giratorio Superpave (SGC) son: IR A
N inicial (Número de giro inicial) N diseño (Número de giro de diseño) N máximo (Número de giro máximo) Estos son los giros requeridos para producir la densidad en la mezcla equivalente a la densidad esperada en campo. En el proceso de diseño de la mezcla el contenido de asfalto es seleccionado a fin de obtener 4 % de vacíos de aire cuando la mezcla es compactada a "N diseño". N inicial es una medida de la compactibilidad de la muestra. Las mezclas que se compactan rápidamente se cree que serán "blandas" durante la construcción y podrían ser inestables cuando sean sometidas al tránsito. Las mezclas que contienen 4% de vacíos de aire en N diseño deberían tener al menos 11% (o un máximo de 89 % del máximo de la densidad máxima teórica (Gmm) en N inicial. N máximo es el número de giros requeridos para producir en el laboratorio una densidad que desde ningún punto de vista debería ser excedido en el campo. Los vacíos de aire en N máximo son al menos 2 % (o un máximo de 98 % de la densidad teórica máxima Gmm). Mezclas que tengan menos de 2 % de vacíos de aire en N máximo (o más que 98 % de la densidad máxima teórica) se piensa que serán más susceptibles a los problemas a la deformación permanente que las mezclas que exceden 2 % de vacíos de aire.
7.1.2.
Deformación Permanente
La deformación permanente o ahuellamiento también llamado rodada, se caracteriza por el cambio permanente del perfil del pavimento o de la "carpeta" asfáltica. El tipo de ahuellamiento que más preocupa a los técnicos diseñadores de pavimento es la
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deformación de la carpeta asfáltica. Este tipo de deformación permanente resulta de una IR A
mezcla asfáltica con insuficiencia resistencia al cortante para resistir cargas repetidas. Una débil mezcla acumulará pequeñas pero permanentes deformaciones por cada vehículo que pase sobre la misma, formando eventualmente un ahuellamiento o rodada caracterizado por un movimiento hacia abajo y lateral de la superficie del pavimento. Este tipo de ahuellamiento generalmente aparece en la parte superior de los primeros 100 mm de la estructura del pavimento. Para obtener una mezcla asfáltica en caliente que tenga una suficiente resistencia al cortante para resistir la demanda del tránsito, es necesario dirigir el ahuellamiento considerando la contribución del ligante asfáltico y del agregado para la resistencia de la mezcla asfáltica en caliente. El ligante asfáltico debe tener suficiente rigidez para resistir las fuerzas aplicadas. Bajo el sistema SUPERPAVE este es controlado por la provisión suficiente de rigidez altas temperaturas (G*/sen d) por el clima y condiciones de tránsito de la carretera. Un modo de aumentar la rigidez a alta temperatura es adicionando polímeros al ligante asfáltico. Otra manera de aumentar la resistencia al corte de la mezcla asfáltica, es por la selección de un agregado que tenga un alto grado de fricción interna. Esto se lleva a cabo por la selección de un agregado de forma cúbica, que tenga una textura superficial irregular y cuya gradación sea de tal manera que desarrolle un íntimo contacto de partícula a partícula. Esto se consigue por el uso de agregados gruesos triturados y agregados finos de buena angularidad.
7.2.
ENSAYO DE TENSIÓN INDIRECTA
El ensayo de Tensión Indirecta, se emplea para evaluar el comportamiento relativo de las mezclas asfálticas para el diseño de pavimentos. En este ensayo una carga simple o una carga repetida a compresión se aplica a un espécimen cilíndrico, la cual actúa paralela y a lo largo del plano diametral vertical del espécimen (Figura 1). Ésta
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configuración de carga desarrolla unos esfuerzos a tensión relativamente uniformes IR A
perpendiculares a la dirección de la aplicación de la carga y a lo largo del plano diametral vertical, los cuales usualmente causan la falla del espécimen por rotura a lo largo de dicho plano.
a. Carga a compresión aplicada
b. Especímen fallando por tensión. Figura 1. Ensayo de Tensión Indirecta. Mecanismos de Carga (a) y Falla (b).
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El ensayo de tensión Indirecta ha sido descrito bajo una serie de nombres incluyendo: IR A
Ensayo Brasilero, Ensayo de Rotura, Ensayo de Rotura a Tensión, Ensayo Diametral, Ensayo de Módulo de Resiliencia, Ensayo de Schmidt y el más conocido, el Ensayo de Tensión Indirecta. Además, el ensayo puede ser montado con la configuración de carga repetida o estática, con una carga simple a la falla. Los equipos y montajes descritos para su uso se encuentran en varios documentos de soporte; los cuales, aunque varían de alguna manera, presentan resultados iguales en términos de esfuerzos y de propiedades elásticas y visco - elásticas. El módulo resiliente es el módulo elástico a ser usado con la teoría elástica. Se conoce bien que la mayoría de los materiales del pavimento no son elásticos pues experimentan alguna deformación permanente después de cada aplicación de carga. Sin embargo, si la carga es pequeña comparada con la fuerza del material y se repite para un número grande de aplicaciones, la deformación bajo cada repetición de carga es casi completamente recuperable, proporcional a la carga y puede ser considerada como elástica. En la Figura 2, se muestra la deformación de un especímen bajo una prueba de carga repetida; en la etapa inicial de aplicaciones de carga hay una considerable deformación permanente tal como es hincado por la deformación unitaria plástica en la figura. Como el número de repeticiones aumenta, la deformación plástica debido a cada repetición de carga disminuye. Después de 100 a 200 repeticiones, la deformación es prácticamente toda recuperable, como es indicado por ε r en la Figura 1.
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IR A
Figura 2. Deformaciones unitarias bajo cargas repetidas
El módulo resiliente de tensión se basa en la deformación recuperable bajo la acción repetida de cargas; y su expresión es la siguiente:
MR =
σ ε
Donde σ es el esfuerzo aplicado y ε es la deformación recuperable medida. El significado de la distribución de los esfuerzos a lo largo de los ejes horizontal y vertical se muestra en la Figura 3. Bajo condición de carga lineal, el espécimen podría fallar cerca al punto de carga debido a los esfuerzos a tensión. De todos modos, estos esfuerzos a compresión son fuertemente reducidos debido a la distribución en la franja de carga, la cual no solamente reduce la compresión vertical sino que cambia los esfuerzos horizontales a lo largo del diámetro vertical de tensión a compresión, cerca de los puntos de aplicación de la carga. Además, como se ha anotado previamente, un estado de esfuerzos biaxial se desarrolla en el espécimen.
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IR A
Figura 3. Distribución de esfuerzos relativos y centro del elemento mostrando el estado biaxial.
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En el centro de espécimen, los esfuerzos de compresión vertical son aproximadamente IR A
tres veces el esfuerzo de tensión horizontal. Una franja de carga curva de 0.5” ha sido usada porque la distribución de esfuerzos no se altera significativamente en un espécimen de 4” de diámetro y porque los cálculos del módulo de elasticidad y de la relación de Poisson se facilitan manteniendo un ancho constante de la franja curva de carga, en vez de un cambio constante del ancho de la franja de carga, lo cual pudiera ocurrir con una franja de carga plana. Las ecuaciones fueron desarrolladas de manera tal que permiten el cálculo de la resistencia a tensión, esfuerzos a tensión, módulo de elasticidad y relación de Poisson. Estas ecuaciones requieren que el cálculo se efectúe mediante el uso de un programa de computadora, sin embargo para un diámetro y un ancho de franja de carga dado, las ecuaciones pueden ser simplificadas y usadas sin la ayuda del computador.
7.2.1.
Procedimiento del Ensayo
En el ensayo estático un espécimen cilíndrico se carga generalmente a una velocidad de 2” de deformación por minuto. Una velocidad menor puede ser usada, especialmente para temperaturas más frías, desde que los materiales se comportan mas elásticamente y puesto que las cargas o deformaciones asociadas con la fisuración térmica se desarrollan muy lentamente, y para los materiales más frágiles como lo son el concreto de cemento Pórtland. La temperatura de ensayo normalmente es la temperatura ambiente, aproximadamente a 23.9ºC, para eliminar la necesidad de un sistema de control, sin embargo se pueden usar otras temperaturas.
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Para caracterizar completamente un material como el concreto asfáltico, se deben tener IR A
al menos tres temperaturas de ensayo, por ejemplo 38ºC o 23.8ºC (temperatura ambiente) y 38.9ºC podrían ser usadas para obtener los efectos de la temperatura. Las deformaciones
horizontales
totales
(tensión)
y
las
deformaciones
verticales
(compresión), deben ser medidas continuamente durante el proceso de carga. Para el ensayo de carga dinámica o de repetición de carga, con el método de Tensión Indirecta, las mismas ecuaciones básicas son usadas pero no es necesario caracterizar totalmente la relación carga – deformación. El módulo resiliente de elasticidad puede ser obtenido al medir las deformaciones recuperables sobre los ejes y asumiendo una relación lineal entre carga y deformación. Además, este método también puede proveer un estimativo de las deformaciones permanentes que ocurren bajo las repeticiones de carga. Generalmente, los esfuerzos repetidos son aplicados en forma sinusoidal y una pequeña pre - carga es utilizada con el objetivo de mantener un contacto constante entre franja de carga y el especímen Los típicos pulsos carga – tiempo y las relaciones deformación – tiempo se enseñan en las Figuras 4 y 5. Se recomienda que cargas de corta duración se usen solo si se dispone de unos equipos adecuados de medición y registro. Otros tipos de pulsos de carga – tiempo, como onda cuadrada o trapezoidal, pueden ser también usadas.
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IR A
Figura 4. Relaciones entre el pulso de carga y la deformación asociada para el ensayo de tensión indirecta con carga repetida.
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IR A
Figura 5. Relaciones entre el número de aplicaciones de carga y las deformaciones vertical y horizontal para el ensayo de tensión indirecta con carga repetida.
7.3.
PROPIEDADES RELACIONADAS AL DAÑO
Además de las características elásticas y viscoelásticas básicas, las propiedades relacionadas con los modos básicos de daño de agrietamiento térmico y retracción por temperatura, rotura a la fatiga y las deformaciones permanentes son requeridas y pueden ser obtenidas usando el ensayo de tensión indirecta con carga estática y repetida.
7.3.1.
Fisuramiento por temperatura o expansión térmica
El esfuerzo de tensión requerido por el subsistema de agrietamiento por temperatura o expansión térmica, puede obtenerse usando el ensayo de tensión directa o el de tensión
29
indirecta de carga estática. El ensayo de tensión directa es extremadamente difícil y de IR A
ejecución muy lenta, mientras que el ensayo de tensión indirecta es simple y pueden desarrollarse hasta 25 ensayos por hora. Los valores de esfuerzos para concreto asfáltico generalmente tienen una variación entre 50 y 600 psi dependiendo de la temperatura. A 23.9 ºC los valores se encuentran habitualmente dentro de un rango de 100 a 200 psi. Estos esfuerzos son típicos y realistas para el concreto asfáltico. Valores realistas han sido también obtenidos para el concreto de cemento Pórtland y otros materiales. Debido a la facilidad para la ejecución del ensayo estático, este puede ser usado para el control de calidad y tiene aplicaciones definidas para la evaluación de los materiales de pavimentos en áreas donde no se tiene un fácil acceso a los ensayos de laboratorio. Es posible también que la resistencia a la tensión o el módulo de elasticidad estático puedan estar relacionados con el comportamiento bajo cargas repetidas, o que el diseño de la mezcla pueda estar basado en ensayos estáticos.
7.3.2.
Grietas por Fatiga
Varios tipos de ensayos han sido usados para el estudio del comportamiento a la fatiga de las mezclas asfálticas y de otros materiales del pavimento. Los ensayos que han sido usados significativamente para los materiales asfálticos son: el ensayo a flexión, el ensayo en Cantiliver Rotacional, ensayo de Carga Axial y el ensayo de Tensión Indirecta de carga repetida. Dos tipos básicos de solicitación son usados en los ensayos de laboratorio, esfuerzo controlado o deformación controlada. Los ensayos con deformación controlada involucra la aplicación de cargas repetidas las cuales producen una constante y repetida
30
deformación unitaria. En el ensayo de esfuerzo controlado, un esfuerzo constante o IR A
carga es repetido. Los materiales en un pavimento flexible de espesor grueso son evaluados mejor usando el ensayo de esfuerzo controlado. El ensayo de deformación unitaria controlada se aplica más en pavimentos flexibles delgados. A las velocidades de tráfico típicas y temperatura del pavimento, el asfalto se comporta casi elásticamente y su módulo de tensión indirecta es una medida de su resistencia a la flexión y de su habilidad carga - deformación. La acumulación de deformación permanente probablemente es el inconveniente mas grande de la prueba de tensión indirecta. Esto tiende a esconder de alguna manera la evidencia de daño de fatiga, y de acuerdo con la prueba, no caracteriza la conducta de fatiga directamente, esto es particularmente para las temperaturas altas donde la conducta no lineal y visco – elástica del material es más pronunciada. La precisión del aparato de tensión indirecta es muy dependiente de la exactitud con que las deformaciones horizontales son medidas. La necesidad de medir la deformación en el especímen ha dado lugar a montajes diferentes que han sido desarrollados por varias instituciones de investigación. Esto incluye medidores de deformación unitaria, un LVDT (deformímetro) pegado al especímen, unos LVDTs montados sobre columnas que son independientes del especímen, extensómetros colocados sobre tiras de acero pegadas a los lados del especímen y micro LVDTs que son colocados en el lado plano del especímen.
7.3.3.
Deformación Permanente
Tres ensayos de carga básica repetida han sido usados para obtener la deformación permanente para los materiales asfálticos.
31
IR A
Estas tres pruebas son:
•
Ensayo de Compresión Triaxial
•
Ensayo Triaxial en el que el esfuerzo axial es la tensión, y
•
Ensayo de Tensión Indirecta de Carga repetida
Con base en la comparación de los valores obtenidos usando el ensayo de Carga Repetida de Brampton, fue concluido que el ensayo de tensión indirecta con carga repetida y el ensayo triaxial en los cuales la deformación axial es una tensión, provee estimaciones razonables de deformaciones permanentes. Además de las características normales de la deformación permanente, las propiedades de la deformación permanente usada por Vesys pueden ser determinadas usando el ensayo de tensión indirecta con carga repetida y el ensayo triaxial. Dos parámetros básicos GNU y ALFA, son usados para describir las características de la deformación permanente de las mezclas asfálticas y para predecir el ahuellamiento. La teoría asume que la relación logarítmica entre el número de cargas repetidas y las deformaciones permanentes es esencialmente lineal sobre un rango de aplicaciones de carga y puede ser descrito por la ecuación:
ε α = IN S Donde:
ε α = Deformación permanente acumulada I = Intercepto con el eje de deformación permanente N = Número de aplicaciones de carga S = Valor máximo de la porción lineal en la relación logarítmica
32
GNU, es definido como: µ = IR A
IS
εr
Y alfa es definido como: α = 1 − S Donde ε r = deformación resiliente, que se considerada se pone constante después de unas aplicaciones de carga.
Una evaluación de los tres ensayos, enunciada a continuación, indicó que la relación de las deformaciones permanentes para los dos últimos ensayos, el cual involucra el esfuerzo a tensión, son similares pero diferentes de los ensayos de compresión triaxial. Para los ensayos de compresión la relación semilogarítmica tiene una porción lineal, sin embargo la relación logarítmica es no lineal. Para los ensayos de tensión, la relación aritmética tiene significado en la porción lineal, pero, con la relación de compresión esfuerzo, la relación logarítmica es no lineal. Este comportamiento es característico de las relaciones obtenidas de ambos ensayos: el ensayo de tensión indirecta de carga repetida y el ensayo triaxial en el cual el esfuerzo axial es tensión.
7.4.
ENSAYO DE CARGA DINÁMICA UNIAXIAL DE FLUJO O CREEP.
Este ensayo permite determinar la resistencia a la deformación unitaria permanente de mezclas bituminosas sujetas a una carga uniaxial no confinada. En este ensayo una carga estática de magnitud fija es aplicada a lo largo del eje diametral de un especímen preacondicionado para una duración fija de tiempo. Se usan las deformaciones horizontales y verticales medidas cerca del centro del especímen para calcular la tensión en una duración particular de tiempo. Se seleccionan las cargas que
33
contienen deformaciones en el rango lineal viscoelástico (generalmente inferiores a 300 IR A
microstrains). Midiendo las deformaciones horizontales y verticales
en regiones donde las
deformaciones son relativamente constantes y las localizadas por fuera de los efectos no lineales y por fuera de los efectos lineales inducidos por la carga de las barras de acero, la relación de Poisson puede determinarse con mayor precisión. La relación de Poisson se usa para predecir tres dimensiones de tensión y deformación. Sin embargo al soltar la carga una porción constante de deformación vertical se aplica al especímen hasta la falla. La determinación de los límites de falla pueden usarse en los modelos mecanicistas basados Rotura a la Fatiga o usados para comparar la calidad de las mezclas. Los valores de creep pueden usarse para evaluar la calidad relativa de los materiales, así como para generar la entrada para el diseño de pavimentos y modelos de evaluación. Del ensayo de Creep, estos valores incluyen el intercepto y la línea de fuerza vs el tiempo de carga. La prueba puede usarse para estudiar los efectos de temperatura, magnitud de la carga, volumen de la carpeta (binder content) y tiempo de carga. Cuando se usa en conjunto con otras propiedades físicas de mezclas, la fluencia creep puede contribuir a la caracterización gomal de la mezcla. Este es un factor para determinar las ventajas de una mezcla para usarla como material de pavimento en una carretera para un tráfico dado y ciertas condiciones medio ambientales.
34
7.4.1.
Procedimiento de Ensayo en el Equipo UTM
IR A
El ensayo inicialmente aplica un esfuerzo estático de condicionamiento al especímen y mide la deformación acumulada resultante. La magnitud y la duración de la aplicación del esfuerzo de condicionamiento tienen valores por defecto de 10KPa y 600 segundos, respectivamente, pero estos valores pueden ser alterados por el operador si se requiere. Luego del tiempo de condicionamiento, 20 segundos, periodo después del cual se determina un nuevo nivel de deformación unitaria igual a cero y luego comienzan los pulsos de carga del especímen. Cuando este tiempo expira, el especímen es sujeto a pulsos repetidos de carga durante 1800 ciclos con un nivel de esfuerzo por defecto de 100 KPa. Al igual que con los parámetros del periodo de condicionamiento, la magnitud del esfuerzo por defecto y el número de ciclos aplicados, pueden ser modificados de acuerdo con los requerimientos. Durante la aplicación de los pulsos de carga, la deformación unitaria acumulada se mide y muestra una gráfica con ejes en escala lineal. La deformación del especímen, durante los estados de condicionamiento y pulsos de carga del ensayo, se miden en el mismo eje que el esfuerzo aplicado, usando dos LVDT. La fuerza aplicada es de ciclo abierto controlado, de forma rectangular esencialmente. Los datos se recogen de los pulsos de carga en un intervalo de tiempo lineal (equidistante) y luego almacenados en un buffer. Si el buffer se llena, se usa un proceso d decimización binaria para recoger los datos y cada vez que esto ocurra, el intervalo de tiempo para captura de datos es duplicado. Usando esta técnica, el estado de pulso de carga del ensayo puede continuar indefinidamente, sin embargo, con incremento en la calidad de la resolución de la medida del tiempo. Se aplica un filtrado digital a los datos en varios estados de su captura y procesamiento, para logra suavidad en los datos reportados y mostrados.
35
Un esfuerzo de carga estática es aplicado para un periodo de tiempo especificado; una IR A
vez concluida la etapa de condicionamiento, el esfuerzo aplicado al especímen cesa y un periodo de ajuste de 20 segundos tiene lugar, periodo después del cual se determina un nuevo nivel de deformación unitaria cero y luego comienzan los pulsos de carga del especímen. A medida que el ensayo avanza se grafica la deformación unitaria resultante del especímen contra el número de pulsos de carga aplicados. El ensayo continúa hasta que cualquiera de las condiciones de finalización (tiempo final o máxima deformación unitaria de control) sea alcanzada.
36
IR A
8. METODOLOGÍA
Para el desarrollo de este trabajo de grado se llevó a cabo el proceso que se describe a continuación:
8.1.
DOCUMENTACIÓN BIBLIOGRÁFICA
Se realizaron investigaciones acerca de los Ensayos de Tensión Indirecta, de Creep y del Ensayo de Angularidad de los Agregados Finos (FAA), Especificaciones, y todo lo referente al tema de investigación.
8.2.
OBTENCIÓN DE MATERIALES
Para el desarrollo de esta investigación se obtuvieron materiales que utilizan en la Planta de Asfalto de la firma Murillo-Loboguerrero situada en Andalucía (Valle del Cauca); estos materiales fueron: asfalto, fracción gruesa y fina triturada. La arena natural se obtuvo del Río Chinchiná.
37
8.3.
DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS
IR A
8.3.1.
Análisis Granulométrico, Peso Específico y Absorción de Agregados
Primero se efectuó la separación por tamaños de todos los materiales, tanto de la fracción gruesa, como de la fracción fina (arena natural y triturada). Se realizaron ensayos de Peso específico y absorción de Agregados para los dos tipos de arena; Triturada y Natural. (NTC 237 1ª actualización). Se realizó la gradación a los dos tipos de arena, a la Natural y a la triturada.
8.4.
ELABORACIÓN BRIQUETAS
Después de haber tamizado los materiales mecánicamente, y luego de realizar los respectivos ensayos a los agregados de fracción gruesa y fina, se realizó el diseño de la mezcla para un contenido de asfalto igual al 5%, y usando la granulometría media especificada por la Norma 450 del INVIAS para una mezcla MDC2. Se usó el 5% porque este valor corresponde al porcentaje de diseño de la mezcla de Murillo Loboguerrero, y las briquetas se compactaron a una temperatura de 140ºC.
38
IR A
Figura 6. Materiales tamizados
En la Figura 6 se aprecian los materiales separados por tamaños; en la parte inferior se encuentra el llenante mineral, en el medio las fracciones de arena natural y en la parte superior fracciones arena triturada y material grueso triturado.
Figura7. Dosificación al peso de los agregados y del asfalto
La dosificación de cada uno de los materiales de la mezcla MDC2 se realizó al peso, con los siguientes valores de pesos:
39
Tabla 1. Pesos de los materiales (gr) por gradación de la mezcla MDC2
IR A 100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
84
84
84
84
84
84
84
84
84
84
153.6
153.6
153.6
153.6
153.6
153.6
153.6
153.6
153.6
153.6
153.6
248.4
248.4
248.4
248.4
248.4
248.4
248.4
248.4
248.4
248.4
248.4
234
210.6
187.2
163.8
140.4
117.0
93.6
70.2
46.8
23.4
0.0
0
23.4
46.8
70.2
93.6
117.0
140.4
163.8
187.2
210.6
234.0
270
243.0
216.0
189.0
162.0
135.0
108.0
81.0
54.0
27.0
0
0
27.0
54.0
81.0
108.0
135.0
162.0
189.0
216.0
243.0
270
78
70.2
62.4
54.6
46.8
39.0
31.2
23.4
15.6
7.8
0
0
7.8
15.6
23.4
31.2
39.0
46.8
54.6
62.4
70.2
78.0
68.4
68.4
68.4
68.4
68.4
68.4
68.4
68.4
68.4
63.6
63.6
63.6
63.6
63.6
63.6
63.6
63.6
63.6
3/4 84 1/2
3/8 No. 4
No. 10
No. 40
No. 80
68.4 68.4
No. 200 63.6
68.4 63.6
•
Los números en rojo indican los pesos de arena natural
•
El material pasante No. 80 y retenido de No. 20 es el correspondiente a la arena triturada.
8.5.
Ensayos realizados a las briquetas
A las 33 briquetas se les efectuaron ensayos de Tensión Indirecta y ensayos de Carga Dinámica Uniaxial de Flujo (Creep). Los primeros se realizaron a tres temperaturas diferentes, 20, 25 y 30ºC; y los segundos se hicieron a una sola temperatura, 30ºC.
40
8.5.1.
Ensayo de Tensión Indirecta
IR A
El ensayo del módulo con cinco pulsos controlados de circuito abierto, es un ensayo de rigidez del material, que cumple con el DD 213: 1996 y publicado por British Standard Institute (BSI). Este ensayo se le realizó a todas las briquetas a tres temperaturas diferentes, aproximadamente a 20, 25 y 30ºC; usando el equipo UTM (Universal Testing Machine). Estas temperaturas fueron controladas mediante los transductores insertados en un especímen de control, localizado cerca del especímen de ensayo, el cual informa la temperatura en la superficie y en el núcleo del especímen. En el ensayo una fuerza de carga diametral en pulsos se aplica a un especímen, y la deformación unitaria diametral horizontal resultante se mide en un eje de 90º de la fuerza aplicada. Posteriormente el especímen es girado 90º aplicándole la misma fuerza y midiéndole la deformación unitaria respecto a la nueva horizontal. La deformación unitaria en el eje en que se aplica la fuerza no se mide, por lo que la relación de Poisson debe estimarse. La secuencia del ensayo consiste en un conteo fijo de cinco pulsos de carga, durante los cuales el sistema automáticamente ajusta la magnitud de la fuerza para que la deformación unitaria horizontal diametral transitoria pico especificada por el operados sea alcanzada. Los cinco pulsos de carga del ensayo se aplican entonces para su posterior adquisición de datos. Los siguientes resultados se calculan de los datos de cada cinco impulsos de carga:
•
Módulo de rigidez del especímen (Stiffness).
•
Módulo de rigidez ajustado por temperatura y relación de área cargada.
41
IR A
•
Tiempo de carga del pulso de fuerza, medido en fuerza cero.
•
Tiempo de incremento del pulso de fuerza, medido desde fuerza cero al pico.
•
Fuerza de carga pico.
•
Deformación unitaria diametral horizontal transitoria pico del especímen.
•
Factor del área de carga.
Además, usando los datos de todos los cinco impulsos de carga, se calcula la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación. Los resultados del ensayo se almacenan en un archivo binario que está por lo general identificado con el nombre del especímen. La información almacenada en el archivo binario permite revisar los ensayos, producir informes impresos, o crear un archivo ASCII que da medio para que los resultados del ensayo sean importados en una hoja de cálculo.
8.5.2.
Ensayo de Carga Dinámica Uniaxial de Flujo
Este ensayo se le realizó a las 33 briquetas a una temperatura de aproximadamente 30ºC, con el fin de obtener representatividad del ensayo. Este ensayo cumple con los requerimientos del “Draft for Development” publicado por el British Standard Institute (BSI) como un método para la determinación de la resistencia a la deformación unitaria permanente de mezclas bituminosas sujetas a una carga uniaxial no confinada. A medida que el ensayo avanza, los datos graficados se muestran en un sistema con ejes vertical y horizontal lineales. El operador puede seleccionar una gráfica de las siguientes opciones:
42
IR A
•
Deformación unitaria acumulada (deformación unitaria permanente o creep).
•
La derivada de la deformación unitaria acumulada (pendiente):
•
Esfuerzo pico aplicado.
•
Deformación Unitaria Resiliente.
•
Módulo Resiliente
•
Módulo de Rigidez al Flujo.
•
Temperatura del núcleo del especímen “dummy”.
Los siguientes datos se calculan para cada pulso:
•
Tiempo de duración del ensayo (horas, minutos y segundos).
•
Conteo del pulso de carga.
•
Esfuerzo pico y fuerza pico de carga.
•
Deformación unitaria acumulada en el especímen, durante el estado de pulso de carga.
•
Conteo de pulso entre 10000 y 30000 microdeformaciones acumuladas.
•
Pendiente de la deformación unitaria mínima acumulada; conteo del pulso y deformación unitaria acumulada en la mínima pendiente.
•
Deformación unitaria resiliente del especímen y módulo resiliente.
•
Módulo de rigidez al flujo del especímen.
•
Temperatura del núcleo y superficie del especímen “dummy”.
•
Señal de los LVDT, mostrados como un porcentaje de su escala total.
•
Esfuerzo de condicionamiento aplicado.
•
Deformación unitaria acumulada durante el estado de condicionamiento.
•
Duración del estado de condicionamiento.
Un archivo binario es creado y es renovado constantemente durante un ensayo. La información almacenada en el archivo binario, permite continuar el ensayo, revisarlo e imprimirlo; también permite crear un archivo ASCII, que es un medio para que los
43
resultados del ensayo puedan ser vistos en una hoja de cálculo. El archivo ASCII IR A
almacena los últimos parámetros del ensayo leídos, y luego tabula los datos del ensayo para cada pulso almacenado. Estos datos incluyen:
•
Conteo de pulsos.
•
Esfuerzo pico aplicado (PrStress).
•
Deformación acumulada (Acc Strn).
•
Derivada de la deformación unitaria acumulada (Slope (PS)).
•
Deformación unitaria resiliente (Resi Strn).
•
Módulo Resiliente (Resi Mod).
•
Temperatura en el núcleo del especímen “dummy” (TmpPrb1).
•
Módulo o rigidez al flujo (Stiffness).
Un archivo de definición de parámetros de las variables del ensayo, es utilizado por el software para almacenar los parámetros de control, opciones y arreglos para la próxima vez que el programa sea llamado con este tipo de ensayo y variables.
8.5.3.
Ensayo de contenido de vacíos
La angularidad del agregado fino es evaluada a través de la determinación de vacíos en un material no compactado, cuando una muestra ha fluido de una altura ya establecida dentro de un cilindro de volumen conocido (100cm3). El cual se realiza de acuerdo a la norma ASTM 1252. El material que sobra sobre la parte superior del cilindro es retirado suavemente con una espátula, para no causar compactación o acomodación de partículas por vibración. Se determina la masa del agregado fino dentro del cilindro, siendo el volumen del agregado
44
fino el contenido en el cilindro calculado usando su masa específica aparente, IR A
determinada de acuerdo a la norma ASTM C128. Los vacíos no compactados son calculados por la diferencia entre el volumen del cilindro y el volumen del agregado; de acuerdo a la siguiente ecuación:
Vc − U=
ma
ρ ap
Vc
× 100
Donde, U: Vacíos no compactados (%) ma: Masa el agregado contenida en el cilindro (gr) ρap: Densidad específica bulk del agregado fino (gr/cm3) Vc: Volumen del cilindro (cm3) El ensayo puede ser realizado de acuerdo a tres métodos distintos (A, B o C). El Método A usa una combinación de fracciones específicas de agregado fino; el resultado final de los vacíos no compactados (FAA) referente al agregado fino ensayado corresponde al promedio entre dos determinaciones. El Método B utiliza fracciones individuales específicas realizando un ensayo para fracción de agregado separadamente con un valor de FAA correspondiente al promedio de los tres valores. En el Método C el ensayo se hace con una muestra de 190 gr de agregado fino pasante Tamiz #4. Estudios realizados muestran que de los métodos A, B y C resultan valores de FAA diferentes, porque los vacíos entre las partículas aumentan cuando la granulometría del agregado es cada vez mas uniforme. Estudios sobre deformación permanente desarrollados por el Centro Nacional de Tecnología en Asfalto (NCAT), relacionan empíricamente la deformación permanente con valores de FAA.
45
Las partículas de agregados redondas y lisas permiten un acomodamiento más fácil entre IR A
sus partículas; presentando menor volumen de vacíos no compactados cuando se compara con partículas de agregados con mayor angularidad y rugosidad. La granulometría del agregado también afecta el volumen de vacíos no compactados, pues los agregados que son bien gradados presentan menor volumen vacíos no compactados que los agregados que contienen partículas uniformemente gradadas.
46
IR A
9. RECOPILACIÓN Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
9.1.
GENERALIDADES
Nuestra participación como auxiliares de investigación en este trabajo, se basó principalmente en la preparación de las muestras, elaboración de las briquetas, elaboración de los ensayos e interpretación de los resultados, con el seguimiento del Ingeniero Luís Carlos Vázquez Torres. En este trabajo se recopilara la información obtenida de los diferentes ensayos realizados a los materiales granulares y finos de la mezcla asfáltica, y a las briquetas elaboradas. En total se elaboraron 34 briquetas, a las cuales se les realizó el ensayo de Peso específico Bulk, el ensayo de Tensión Indirecta a tres temperaturas; y a 22 de ellas se les realizó el ensayo de Creep a una sola temperatura. La información fue recopilada en formatos manuales para cada ensayo y también fue registrada en medio magnético.
9.2.
RESULTADOS OBTENIDOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS
A continuación se presentan los resultados obtenidos de los diferentes ensayos realizados a los materiales y a las briquetas.
47
9.2.1.
Materiales granulares
IR A
Se realizaron los ensayos de Peso específico, Absorción de Agregados y Contenido de Vacíos a las arenas provenientes de la planta de Asfalto de Andalucía, del Río Chinchiná y Cascarero. Se sacaron dos muestras en cada ensayo para cada una de las arenas. Los resultados de los ensayos de Peso Específico de las Arenas se muestran a continuación: Tabla 2. Pesos específicos de las Arenas
Arena Triturada Andalucía Natural, Río Chinchiná Natural, Cascarero
Peso Específico Bulk 1 2 2,722 2,746 2,494 2,495 2,485 2,471
En el ensayo de Contenido de Vacíos en las arenas se obtuvieron los siguientes resultados:
48
Tabla 3. Contenido de Vacíos en la Arena
IR A
Porcentaje de
Porcentaje de
Arena Triturada
Arena Natural
(%)
(%)
100
Peso de la
Gravedad
Contenido de
muestra (gr)
Específica
Vacíos (U)
0
179.1
2.849
43.5
90
10
179.0
2.827
43.1
80
20
180.3
2.807
42.2
70
30
179.2
2.726
42.2
60
40
178.7
2.766
41.8
50
50
175.5
2.746
41.2
40
60
178.5
2.726
41.1
30
70
177
2.707
41.2
20
80
176.6
2.688
40.9
10
90
175.9
2.869
40.7
0
100
176.1
2.650
40.2
De este ensayo se tiene que el contenido de vacíos es mayor en la arena triturada, que en la arena natural, pues vemos que para la muestra de arena 100% triturada y 0% natural el contenido de vacíos es de 43.5, mientras que para la muestra de 0% arena triturada y 100% de arena natural el contenido de vacíos es de 40.2.
9.2.2.
Briquetas
En total se elaboraron 34 briquetas usando el procedimiento del Método Marshall, debido a que una de las briquetas se compactó a una temperatura inferior de 140ºC. Se elaboraron tres briquetas para cada combinación de arena triturada y arena natural, variando el contenido de arena triturada desde 100% hasta 0%, con el fin de obtener un tamaño de muestra apropiado para promediar los valores obtenidos de los ensayos.
49
A todas las briquetas de les calculó el Peso específico Bulk y el contenido de vacíos de IR A
aire, cuyos resultados se describen a continuación: Tabla 4. Peso Específico Bulk de las Briquetas Peso briqueta
Peso briqueta
Peso sumergido
Volumen
seca sin
seca mas
briqueta mas
briqueta mas
Volumen
Peso
briqueta
específico
parafina (gr)
parafina (gr)
parafina (gr)
parafina (cm3)
(cm3)
Bulk
1
1247.7
1260.4
754.4
2
1235.5
1252.3
748.5
14.1
491.9
2.536
18.7
485.1
2.547
3
1217.7
1236.7
4
1233.1
1252.0
19.0
21.1
479.0
2.542
18.9
21.0
486.1
2.537
5
1234.5
512.2
19.2
21.3
490.9
2.515
6 7
742.1
503.7
15.8
17.6
486.1
2.530
736.6
503.0
18.5
20.6
482.4
2.531
1283.3
765.7
517.6
16.4
18.2
499.4
2.537
1257.4
749.6
507.8
8.6
9.6
498.2
2.507
1221.5
1236.2
734.3
501.9
14.7
16.3
485.6
2.515
1235.9
1251.1
736.6
514.5
15.2
16.9
497.6
2.484
12
1241.5
1260.1
738.0
522.1
18.6
20.7
501.4
2.476
13
1235.4
1254.1
732.3
521.8
18.7
20.8
501.0
2.466
14
1235.7
1252.2
724.4
527.8
16.5
18.3
509.5
2.425
15
1227.2
1244.9
729.0
515.9
17.7
19.7
496.2
2.473
16
1242.3
1258.4
731.0
527.4
16.1
17.9
509.5
2.438
17
1232.6
1249.3
724.2
525.1
16.7
18.6
506.5
2.434
18
1219.0
1238.4
721.0
517.4
19.4
21.6
495.8
2.459
19
1241.4
1258.7
719.0
539.7
17.3
19.2
520.5
2.385
20
1229.6
1247.8
719.0
528.8
18.2
20.2
508.6
2.418
21
1243.2
1250.3
733.8
516.5
7.1
7.9
508.6
2.444
22
1244.8
1250.6
730.3
520.3
5.8
6.4
513.9
2.422
23
1235.7
1244.1
723.3
520.8
8.4
9.3
511.5
2.416
24
1241.2
1250.8
726.3
524.5
9.6
10.7
513.8
2.416
25
1237.3
1246.8
721.0
525.8
9.5
10.6
515.2
2.402
26
1248.9
1264.4
715.7
548.7
15.5
17.2
531.5
2.350
27
1244.5
1260.2
721.2
539.0
15.7
17.4
521.6
2.386
28
1231.5
1247.7
711.9
535.8
16.2
18.0
517.8
2.378
29
1244.4
1259.5
719.4
540.1
15.1
16.8
523.3
2.378
30
1244.7
1257.9
718.6
539.3
13.2
14.7
524.6
2.373
31
1258.2
1269.9
718.3
551.4
11.5
12.8
538.6
2.336
32
1232.5
1256.4
712.9
543.5
23.9
26.6
516.9
2.384
33
1239.7
1248.2
709.5
538.7
8.5
9.4
529.3
2.342
Briqueta
Peso
Volumen de la
parafina (gr)
parafina (cm3)
506.0
12.7
503.8
16.8
736.6
500.1
744.9
507.1
1253.7
741.5
1230.0
1245.8
1221.1
1239.6
8
1266.9
9
1248.8
10 11
No.
50
Debido a que la briqueta No. 9 se compactó a una temperatura inferior de 140ºC, no se IR A
tendrá en cuenta en los análisis; por lo tanto la briqueta No. 34 pasará a tomar ese lugar con el número 9. De este ensayo se obtiene que el mayor peso específico lo tienen las briquetas que se elaboraron con mayor porcentaje de arena triturada, cuyos valores son 2.336 para una briqueta con 0% de arena triturada y 100% de arena natural y 2.547 para una briqueta con 100% de arena triturada y 05 de arena natural. A continuación se presenta la tabla con los resultados del contenido de Vacíos de Aire de las briquetas: Densidad Bulk Grava: 2.916 Densidad Bulk Arena Triturada: 2.849 Densidad Bulk Arena Natural: 2.495 Contenido de Asfalto: 5%
51
Tabla 5. Determinación del Contenido de Vacíos de Aire de las Briquetas
IR A
Brique ta % Are na % Are na % Re te nido Grave dad e spe cífica De nsidad C onte nido de No. Triturada Natural tamiz No. 4 ponde rada agre gado Bulk Brique ta Vacíos de Aire 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
100 100 100 90 90 90 80 80 80 70 70 70 60 60 60 50 50 50 40 40 40 30 30 30 20 20 20 10 10 10 0 0 0
0 0 0 10 10 10 20 20 20 30 30 30 40 40 40 50 50 50 60 60 60 70 70 70 80 80 80 90 90 90 100 100 100
40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5 40,5
2,876 2,876 2,876 2,851 2,851 2,851 2,828 2,828 2,828 2,804 2,804 2,804 2,781 2,781 2,781 2,758 2,758 2,758 2,736 2,736 2,736 2,714 2,714 2,714 2,692 2,692 2,692 2,671 2,671 2,671 2,650 2,650 2,650
2,536 2,547 2,542 2,537 2,515 2,530 2,531 2,537 2,507 2,515 2,484 2,476 2,466 2,425 2,473 2,438 2,434 2,459 2,385 2,418 2,444 2,422 2,416 2,416 2,402 2,350 2,386 2,378 2,378 2,373 2,336 2,384 2,342
3,5 3,1 3,3 2,8 3,6 3,1 2,3 2,1 3,2 2,2 3,4 3,7 3,4 5,0 3,2 3,8 4,0 3,0 5,3 3,9 2,9 3,1 3,3 3,3 3,2 5,3 3,9 3,5 3,5 3,7 4,6 2,6 4,3
Se puede observar que el contenido de vacíos de aire de la mayoría de las briquetas varía entre el 3 y 5%.
52
9.2.3.
Manejo del equipo UTM.
IR A
Antes de iniciar con los ensayos de Tensión Indirecta y de Fluencia Creep, fue necesario estudiar un poco sobre el manejo del Equipo UTM (Universal Testing Machine), con el fin de aprender, como era el montaje, el manejo y la toma de resultados. También se recibió una capacitación por parte del Laboratorista encargado, y entrenado para manejarlo
9.2.3.1.
Ensayos de Tensión Indirecta
Antes de iniciar ensayos, era necesario controlar la temperatura con un mismo valor durante 24 horas y se realizaba un chequeo de la temperatura de la nevera antes de comenzar el ensayo. Una vez controlada se procedía a realizar el montaje de la briqueta en un soporte, y la colocación de sensores que registraban la temperatura en el núcleo y en la superficie, los cuales transmitían la información al computador por medio de una interfase. Ver Figura 8.
Figura 8. Máquina UTM y cámara de temperatura controlada
53
Las briquetas se ensayaban una vez por día, era necesario esperar como mínimo 24 horas IR A
para ensayar la misma briqueta a otra temperatura, de acuerdo al procedimiento establecido en el Manual. Antes de iniciar el ensayo la briqueta era referenciada en el computador, dándole un nombre especial y algunos parámetros como la altura y la temperatura deseada.
9.2.3.2.
Ensayo de Fluencia o Creep
Al igual que en el ensayo de tensión indirecta era necesario tener controlada la temperatura de las briquetas, antes de iniciar cada ensayo. Las briquetas se instalaban con los transductores bien ajustados, con el objeto de evitar que cuando la máquina mandara los pulsos durante los 600 segundos, no se desajustaran y así iniciar el ensayo.
9.3.
RECOPILACIÓN DE LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
Una vez realizados los ensayos, se procedió a la recopilación de los resultados, para lo cual se organizaron carpetas en el computador para agrupar por ensayo y por temperatura cada uno de los ensayos; también se realizó la captura manual mediante formatos de los datos más importantes, como el módulo de tensión, la desviación estándar y el coeficiente de variación. Posteriormente se organizaron y se agruparon en tablas y gráficos los parámetros más importantes para cada una de las briquetas.
54
Para el caso del ensayo de Tensión Indirecta los valores de los módulos y de la IR A
temperatura fueron promediados, debido a que se obtiene un valor con la briqueta sin girar y otro valor con la briqueta girada a 90º, de acuerdo con lo especificado en las normas del ensayo. Se tuvo en cuneta también para promediar estos valores, que el módulo de la briqueta girada a 90º no fuera ni un 10% mayor ni un 20% menor del módulo de la briqueta sin girar; de no cumplirse esto, el ensayo se repetía, pero solo 24 horas después. A continuación se presentan las tablas con estos resultados del ensayo de Tensión Indirecta, a las tres temperaturas a las cuales se realizaron los ensayos a las 33 briquetas.
55
Tabla 6. Módulos de Tensión Indirecta a la temperatura inferior.
IR A
Briqueta Espesor No. (mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
60,7 59,8 59,1 60,0 60,6 60,0 59,5 61,6 61,5 59,9 61,4 61,8 61,8 62,8 61,2 62,8 62,5 61,2 64,2 62,7 62,7 63,4 63,1 63,4 63,6 65,6 64,3 63,9 64,5 64,7 66,4 63,8 65,3
Temperatura (ºC) Interior Exterior 21,7 21,9 21,7 21,7 20,2 20,5 21,0 21,4 20,0 19,6 19,9 20,1 20,3 20,4 20,5 19,7 20,6 20,8 21,0 19,5 19,6 19,8 19,8 19,7 19,5 19,6 19,9 19,8 19,9 19,8 19,8 19,9 20,0
21,7 21,7 21,7 21,9 20,1 20,4 21,0 21,4 20,1 19,7 20,0 20,1 20,3 20,3 20,4 19,8 20,6 20,8 21,0 19,6 19,7 19,8 19,8 19,8 19,6 19,8 20,0 20,0 19,9 19,9 19,9 20,0 20,0
Media individual 21,7 21,8 21,7 21,8 20,1 20,5 21,0 21,4 20,0 19,6 19,9 20,1 20,3 20,3 20,4 19,7 20,6 20,8 21,0 19,6 19,7 19,8 19,8 19,8 19,6 19,7 19,9 19,9 19,9 19,8 19,9 19,9 20,0
Módulo de Tensión (Mpa) No Girada 2.334 2.416 2.493 2.704 3.313 3.094 2.517 2.953 3.625 3.939 2.602 3.377 2.865 3.442 3.324 3.214 2.479 2.999 2.702 2.538 2.815 3.265 2.758 2.662 3.094 2.054 2.553 3.318 2.766 2.830 2.608 2.078 2.830
Girada 2.337 2.360 2.328 2.565 3.053 3.007 2.239 2.798 3.451 3.696 2.472 3.043 2.756 3.421 3.066 3.092 2.469 2.881 2.449 2.487 2.642 3.031 2.721 2.573 2.804 1.849 2.524 3.264 2.747 2.562 2.390 2.262 2.813
Media individual 2.336 2.388 2.411 2.635 3.183 3.051 2.378 2.876 3.538 3.818 2.537 3.210 2.811 3.432 3.195 3.153 2.474 2.940 2.576 2.513 2.729 3.148 2.740 2.618 2.949 1.952 2.539 3.291 2.757 2.696 2.499 2.170 2.822
56
Tabla 7. Módulos de Tensión Indirecta a la temperatura media.
IR A
Briqueta No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
Temperatura (ºC) Espesor Media (mm) Interior Exterior individual 60,7 59,8 59,1 60,0 60,6 60,0 59,5 61,6 61,5 59,9 61,4 61,8 61,8 62,8 61,2 62,8 62,5 61,2 64,2 62,7 62,7 63,4 63,1 63,4 63,6 65,6 64,3 63,9 64,5 64,7 66,4 63,8 65,3
24,4 24,4 24,5 24,1 24,3 24,3 24,4 24,2 25,0 25,5 25,6 25,6 25,6 25,6 25,7 25,7 25,8 24,2 24,1 24,1 24,1 24,2 24,5 24,6 24,7 24,7 24,7 24,8 24,8 24,8 24,9 24,9 25,1
24,1 24,3 24,4 24,2 24,3 24,3 24,2 24,1 25,1 25,5 25,5 25,5 25,6 25,6 25,7 25,7 25,6 24,2 24,2 24,1 24,1 24,3 24,5 24,6 24,7 24,8 24,8 24,7 24,8 24,9 25,1 25,0 25,2
24,3 24,3 24,4 24,1 24,3 24,3 24,3 24,1 25,1 25,5 25,5 25,5 25,6 25,6 25,7 25,7 25,7 24,2 24,1 24,1 24,1 24,2 24,5 24,6 24,7 24,7 24,7 24,7 24,8 24,9 25,0 25,0 25,1
Módulo de Tensión (Mpa) No Media Girada Girada individual 1.802 2.025 1.969 2.095 1.997 2.276 2.534 2.284 2.154 1.903 1.454 1.679 1.488 1.867 1.612 1.329 1.263 2.136 2.003 1.354 1.993 2.213 1.528 1.486 1.634 1.060 1.893 2.047 1.767 1.732 1.563 1.170 1.690
1.766 1.964 1.900 2.015 1.931 2.118 2.227 2.122 2.033 1.908 1.309 1.589 1.368 1.834 1.519 1.321 1.335 1.943 1.847 1.284 1.915 1.961 1.447 1.329 1.491 989 1.870 1.851 1.656 1.623 1.418 1.154 1.573
1.784 1.995 1.935 2.055 1.964 2.197 2.381 2.203 2.094 1.906 1.382 1.634 1.428 1.851 1.566 1.325 1.299 2.040 1.925 1.319 1.954 2.087 1.488 1.408 1.563 1.024 1.882 1.949 1.712 1.678 1.491 1.162 1.632
57
Tabla 8. Módulos de Tensión Indirecta a la temperatura superior.
IR A
Temperatura (ºC) Briqueta Espesor Media No. (mm) Interior Exterior individual 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
60,7 59,8 59,1 60,0 60,6 60,0 59,5 61,6 61,5 59,9 61,4 61,8 61,8 62,8 61,2 62,8 62,5 61,2 64,2 62,7 62,7 63,4 63,1 63,4 63,6 65,6 64,3 63,9 64,5 64,7 66,4 63,8 65,3
29,1 29,2 29,2 29,3 29,4 29,3 29,3 29,3 30,3 29,0 29,2 29,1 29,4 29,4 29,7 29,5 29,6 29,6 29,6 29,6 29,5 29,6 29,5 29,5 29,5 29,5 29,8 29,8 29,9 30,1 30,1 30,2 30,2
29,0 29,0 29,1 29,1 29,2 29,1 29,1 28,9 30,4 28,5 29,3 28,9 29,1 29,2 29,3 29,3 29,5 29,4 29,4 29,4 29,5 29,5 29,4 29,4 29,4 29,7 30,0 30,0 30,1 30,1 30,2 30,3 30,3
29,1 29,1 29,2 29,2 29,3 29,2 29,2 29,1 30,3 28,7 29,2 29,0 29,2 29,3 29,5 29,4 29,5 29,5 29,5 29,5 29,5 29,5 29,4 29,5 29,5 29,6 29,9 29,9 30,0 30,1 30,2 30,2 30,3
Módulo de Tensión (Mpa) Media No Girada Girada individual 1516 1591 1570 1515 1633 1514 1483 1454 1149 1485 1016 1296 1114 1382 1251 1033 957 1241 1138 865 951 1026 824 854 1050 654 1179 1094 962 1074 838 592 853
1477 1450 1490 1392 1393 1328 1331 1349 1074 1465 974 1134 1061 1407 1206 919 940 1086 1007 805 901 838 778 828 971 530 1088 1005 856 883 777 534 802
1497 1521 1530 1454 1513 1421 1407 1402 1112 1475 995 1215 1088 1395 1229 976 949 1086 1073 835 926 932 801 840 1010 592 1134 1050 909 979 808 563 828
En general se puede apreciar que los mayores módulos de tensión se obtienen a una temperatura baja, y los menores a una temperatura superior. También se obtuvo que los mayores módulos a la temperatura media (25ºC) y a la temperatura superior (30ºC), se
58
alcanzan cuando se tienen mezclas asfálticas con 100% de arena triturada, mientras que IR A
los menores módulos se obtienen con 0% de arena triturada. A continuación se resumen los módulos de tensión obtenidos con las temperaturas promediadas. Ver Figura 9. Tabla 9. Módulos de Tensión a las diferentes temperaturas. TEMPERATURA INFERIOR
Porcentaje de Arena Triturada
Porcentaje de Arena Natural
100%
0%
90%
10%
80%
20%
70%
30%
60%
40%
50%
50%
40%
60%
30%
70%
20%
80%
10%
90%
0%
100%
Briqueta No.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
Temperatura promedio (ºC)
Tensión Indirecta (Mpa)
21,7 21,8 21,7 21,8 20,1 20,5 21,0 21,4 20,0 19,6 19,9 20,1 20,3 20,3 20,4 19,7 20,6 20,8 21,0 19,6 19,7 19,8 19,8 19,8 19,6 19,7 19,9 19,9 19,9 19,8 19,9 19,9 20,0
2.336 2.388 2.411 2.635 3.183 3.051 2.378 2.876 3.538 3.818 2.537 3.210 2.811 3.432 3.195 3.153 2.474 2.940 2.576 2.513 2.729 3.148 2.740 2.618 2.949 1.952 2.539 3.291 2.757 2.696 2.499 2.170 2.822
TEMPERATURA MEDIA
TEMPERATURA SUPERIOR
Temperatura promedio (ºC)
Tensión Indirecta (Mpa)
Temperatura promedio (ºC)
Tensión Indirecta (Mpa)
24,3 24,3 24,4 24,1 24,3 24,3 24,3 24,1 25,1 25,5 25,5 25,5 25,6 25,6 25,7 25,7 25,7 24,2 24,1 24,1 24,1 24,2 24,5 24,6 24,7 24,7 24,7 24,7 24,8 24,9 25,0 25,0 25,1
1.784 1.995 1.935 2.055 1.964 2.197 2.381 2.203 2.094 1.906 1.382 1.634 1.428 1.851 1.566 1.325 1.299 2.040 1.925 1.319 1.954 2.087 1.488 1.408 1.563 1.024 1.882 1.949 1.712 1.678 1.491 1.162 1.632
29,1 29,1 29,2 29,2 29,3 29,2 29,2 29,1 30,3 28,7 29,2 29,0 29,2 29,3 29,5 29,4 29,5 29,5 29,5 29,5 29,5 29,5 29,4 29,5 29,5 29,6 29,9 29,9 30,0 30,1 30,2 30,2 30,3
1.497 1.521 1.530 1.454 1.513 1.421 1.407 1.402 1.112 1.475 995 1.215 1.088 1.395 1.229 976 949 1.164 1.073 835 926 932 801 840 1.010 592 1.134 1.050 909 979 808 563 828
59
10000,00
Tensión Indirecta (MPa)
IR A
1000,00
100,00 19,00
20,00
21,00
22,00
23,00
24,00
25,00
26,00
27,00
28,00
29,00
30,00
31,00
Temperatura (ºC)
Figura 9. Nube de puntos con los resultados del ensayo de Tensión Indirecta.
Con base en estos resultados se realizaron los cálculos de los módulos de tensión a varias temperaturas: 20ºC, 25ºC y 30ºC; cuyos resultados se resumen en la Figura 10:
60
10000,00 Módulo de Tensión (MPa)
IR A
1000,00
100,00 15
20
25
30
35
Temperatura (ºC) Mezcla con 100% de Arena Triturada
Mezcla con 100% de Arena Natural
Figura 10. Módulos de Tensión vs. Temperatura.
La variación de los módulos de tensión entre la temperatura de 20ºC y 30ºC se muestra en la siguiente tabla: Tabla 10. Variación de los Módulos de Tensión Arena Arena Triturada Natural
TEMPERATURA 20ºC
30ºC
Variación
100%
0%
2606
1416
45%
0%
100%
2620
823
68%
Se tiene que cuando la temperatura varía de 20ºC a 30ºC, los módulos de tensión disminuyen; en el caso de mezclas asfálticas con 100% de arena triturada la variación es del 45%, y para las mezclas asfálticas con 0% de arena triturada la variación es del 68%, es decir que para las primeras la disminución es menor que en las segundas. A continuación se presentan las tablas con los cálculos de los módulos de tensión para las temperaturas de 20ºC, 25ºC y 30ºC.
61
Tabla 11. Módulos de tensión a una Temperatura de 20ºC
IR A
Porcentaje de Arena Triturada
Porcentaje de Arena Natural
100%
0%
90%
10%
80%
20%
70%
30%
60%
40%
50%
50%
40%
60%
30%
70%
20%
80%
10%
90%
0%
100%
Briqueta No.
Módulo de Resiliencia (Mpa)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
2.468 2.616 2.597 2.899 3.080 3.140 2.686 3.156 3.503 3.632 2.480 3.174 2.816 3.446 3.207 2.985 2.543 3.089 2.774 2.315 2.703 3.110 2.626 2.499 2.768 1.850 2.631 3.216 2.717 2.549 2.454 2.112 2.792
Promedio (Ecuación Individual)
Ecuación Parejas
2.606
2.606
3.110
3.108
3.329
3.360
2.827
2.819
3.326
3.329
3.037
3.046
2.738
2.736
2.563
2.563
2.700
2.662
2.633
2.673
2.623
2.620
62
Tabla 12. Módulos de tensión a una Temperatura de 25ºC
IR A
Porcentaje de Arena Triturada
Porcentaje de Arena Natural
100%
0%
90%
10%
80%
20%
70%
30%
60%
40%
50%
50%
40%
60%
30%
70%
20%
80%
10%
90%
0%
100%
Briqueta No.
Módulo de Resiliencia (Mpa)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
1.856 1.954 1.948 2.024 2.090 2.113 2.007 2.097 2.195 2.219 1.566 1.927 1.727 2.176 1.978 1.727 1.573 1.962 1.790 1.399 1.706 1.870 1.526 1.496 1.696 1.098 1.714 1.984 1.711 1.781 1.546 1.248 1.717
Promedio (Ecuación Individual)
Ecuación Parejas
1.951
1.951
2.102
2.101
2.052
2.051
2.073
2.075
2.077
2.077
1.650
1.843
1.748
1.749
1.511
1.512
1.705
1.742
1.746
1.712
1.632
1.631
63
Tabla 13. Módulos de tensión a una Temperatura de 30ºC
IR A
Porcentaje de Arena Triturada
Porcentaje de Arena Natural
100%
0%
90%
10%
80%
20%
70%
30%
60%
40%
50%
50%
40%
60%
30%
70%
20%
80%
10%
90%
0%
100%
Briqueta No.
Módulo de Resiliencia (Mpa)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
1.356 1.413 1.418 1.309 1.281 1.274 1.451 1.231 1.127 1.065 818 907 838 1.139 973 699 780 1.041 987 650 892 857 627 677 821 484 964 978 889 1.153 805 542 840
Promedio (Ecuación Individual)
Ecuación Parejas
1.416
1.416
1.278
1.278
1.179
1.148
863
870
906
907
739
725
940
943
652
653
892
991
934
933
822
823
En la siguiente tabla se presenta el resumen de los módulos de tensión, en la cual se aprecia claramente la disminución de este valor a medida que aumenta la temperatura.
64
Tabla 14. Resumen de los Módulos de Tensión calculados a 20ºC, 25ºC y 30ºC
IR A
Porcentaje de Arena Triturada
Porcentaje de Arena Natural
100%
0%
90%
10%
80%
20%
70%
30%
60%
40%
50%
50%
40%
60%
30%
70%
20%
80%
10%
90%
0%
100%
Briqueta No.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
20ºC 2.468 2.616 2.597 2.899 3.080 3.140 2.686 3.156 3.503 3.632 2.480 3.174 2.816 3.446 3.207 2.985 2.543 3.089 2.774 2.315 2.703 3.110 2.626 2.499 2.768 1.850 2.631 3.216 2.717 2.549 2.454 2.112 2.792
TEMPERATURA 25ºC 1.856 1.954 1.948 2.024 2.090 2.113 2.007 2.097 2.195 2.219 1.566 1.927 1.727 2.176 1.978 1.727 1.573 1.962 1.790 1.399 1.706 1.870 1.526 1.496 1.696 1.098 1.714 1.984 1.711 1.781 1.546 1.248 1.717
30ºC 1.356 1.413 1.418 1.309 1.281 1.274 1.451 1.231 1.127 1.065 818 907 838 1.139 973 699 780 1.041 987 650 892 857 627 677 821 484 964 978 889 1.153 805 542 840
En la siguiente tabla se presentan los resultados obtenidos del ensayo Carga Dinámica Uniaxial de Flujo o Creep. Este ensayo se le realizó a las 33 briquetas, a pesar de que inicialmente se planteó solo para 11, pero debido a que los resultados no guardaban
65
relación alguna, se optó por ejecutar los 33 ensayos, para tratar de encontrar alguna IR A
relación.
Tabla 15. Resultados del Ensayo de Compresión Uniaxial. Fracción Briqueta Altura Arena No. (mm) 100% Triturada
90% Triturada
80% Triturada
70% Triturada
60% Triturada
50% Triturada
40% Triturada
30% Triturada
20% Triturada
10% Triturada
0% Triturada
Deformación Deformación Deformación Fluencia Módulo Deformación Densidad Acumulada Recuperable Condicionante Creep Resiliente Total (DL) Bulk (me) (me) (me) (Mpa) (Mpa) (mm)
1
62,6
4846,9
529,19
175,54
52,304
479,06
0,30
2,536
2
61,7
10379
99,984
1296,2
0,312
32,394
0,64
2,547
3
60,9
9723,9
212,58
4150,2
0,4239
19,391
0,59
2,542
4
61,9
8333,9
308,31
315,6
11,023
297,96
0,52
2,537
5
62,5
10774
167,86
5645,9
4,6186
296,43
0,67
2,515
6
61,9
12614
519,41
5099
26,469
642,84
0,78
2,530
7
61,4
11215
140,78
2724,3
4,9355
393,2
0,69
2,531
8
63,6
13131
213,98
4549,9
5,6505
346,74
0,84
2,537
9
62,4
14646
417
4255,8
16,739
586,76
0,91
2,507
10
61,8
12061
279,97
5206
11,253
484,82
0,75
2,515
11
63,3
14071
88,039
4793,3
0,2092
33,444
0,89
2,484
12
63,8
15176
145,74
3578,7
1,9401
202,02
0,97
2,476
13
63,8
13281
184,25
5157,6
3,9682
286,04
0,85
2,466
14
64,9
9463,2
113,95
7929,9
3,796
315,22
0,61
2,425
15
63,2
13842
78,363
4375,8
0,1488
26,302
0,87
2,473
16
64,9
10253
123,55
3367,6
0,5456
45,279
0,67
2,438
17
64,5
13449
201,47
3161,3
2,5613
170,98
0,87
2,434
18
63,1
10420
498,62
5118,1
27,551
575,75
0,66
2,459
19
66,3
10331
93,042
424,9
0,2279
25,317
0,68
2,385
20
64,7
17645
105,65
8501,7
0,1501
25,08
1,14
2,418
21
64,7
4717,9
113,76
226,46
0,4992
20,705
0,31
2,444
22
65,4
9064,1
565,21
5022,1
31,412
503,75
0,59
2,422
23
65,1
11806
389,08
3638,6
12,693
385,19
0,77
2,416
24
65,4
11481
84,989
1670,9
0,2307
31,18
0,75
2,416
25
65,6
13401
622,56
1758,9
24,322
523,56
0,88
2,402
26
67,7
11335
228,02
297,58
4,234
210,47
0,77
2,350
27
66,4
10619
436,76
5001,6
27,255
662,68
0,71
2,386
28
65,9
10885
599,42
4344,8
23,804
432,26
0,72
2,378
29
66,6
9469,1
101,79
1851,6
0,7151
66,526
0,63
2,378
30
66,8
10126
387,77
2824
13,957
364,47
0,68
2,373
31
68,6
9379,9
422,23
3675,4
15,883
352,86
0,64
2,336
32
65,8
14074
112,92
5251,4
0,2719
33,896
0,93
2,384
33
65,4
11397
103,86
5096,8
0,1808
19,843
0,75
2,342
66
Se obtuvo que la deformación recuperable tiene cierta relación con la Fluencia y con el Módulo Resiliente, lo cual es mostrado en las siguientes figuras. Figuras 11 y 12.
100
10
1
0,1 0
100
200
300
400
500
600
700
Deformación Recuperable (m ε )
Figura 11. Fluencia vs. Deformación Recuperable.
1000 Módulo Resiliente (MPa)
IR A
100
10 0
100
200
300
400
500
600
700
Deformación Recuperable (mε)
Figura 12. Módulo Resiliente vs. Deformación Recuperable
67
Cuando las deformaciones recuperables se encuentran entre un rango de 100 a 200 mε, tanto la fluencia como el módulo resiliente pueden crecer mucho, mientras que para el rango de 200 a 600 mε el incremento en el módulo y la fluencia es muy poco, son un poco constantes. Pero se tiene además que, el porcentaje de arena triturada no influye en la deformación recuperable, en la fluencia ni en el módulo resiliente, tal como se muestra en las siguientes figuras.
Deformación Recuperable (m ε)
700 600 500 400 300 200 100 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Porce ntaje de Are na Triturada (%)
Figura 13. Deformación Recuperable vs. Porcentaje de Arena Triturada
60
Fluencia Creep (MPa)
IR A
50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Porce ntaje de Are na Triturada (%)
Figura 14. Fluencia vs. Porcentaje de Arena Triturada
68
Módulo Resiliente (MPa)
IR A
700 600 500 400 300 200 100 0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 Porce ntaje de Are na Triturada (%)
Figura 15. Módulo Resiliente vs. Porcentaje de Arena Triturada
69
IR A
10. CONCLUSIONES •
En el ensayo de tensión indirecta se obtuvo que para una temperatura de 20ºC los valores del módulo resiliente son similares para las briquetas con 100% de arena triturada y 100% de arena natural; mientras que para las temperaturas de 25ºC y 30ºC se presenta una diferencia numérica, siendo el mayor valor para las briquetas con 100% de arena triturada.
•
A medida que aumenta la temperatura, los promedios de los módulos resilientes disminuyen; en un 45% para las briquetas con 100% de arena triturada y en 68% para las briquetas con 100% de arena natural, cuando la temperatura varía de 20ºC a 30ºC.
•
La arena triturada tiene influencia en la resistencia de una mezcla asfáltica a temperaturas superiores a 20ºC.
•
No se observa una tendencia clara en la variación los resultados arrojados por el ensayo de fluencia (creep) con respecto al porcentaje de arena triturada. Mientras que en el caso de la deformación recuperable, se tiene que, a mayor deformación, mayor módulo y mayor fluencia.
•
Los vacíos en la arena incrementan con la disminución de la arena natural, pues se obtuvo que para la arena 100% natural el contenido de vacíos fue de 40.2, mientras que para la arena 100% triturada los vacíos fueron 43.5. La especificación superpave recomienda un contenido de vacíos entre 43 y 45.
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IR A
11. BIBLIOGRAFÍA
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INVIAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras. Bogotá, 1996.
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Annual book of ASTM standards 2003. Section 4 Construction. Volume 04 02. Concrete and Aggregates.
•
HUANG Y. H. Pavement Analysis and Design. Prentice Hall, New Jersey, 1993.
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M. Hartman, M. D. Gilchrist, and G. Walsh, Effect of Mixture Compaction on Indirect Tensile Stiffness and Fatigue. Journal of Transportation Engineering, Sep – Oct 2001.
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Internet.
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