Reporte Técnico RT-ID-06/02
Deformación Permanente de Mezclas Asfálticas
Mter Ing. Silvia Angelone, Mter Ing. Fernando Martínez,
Tco. Enrique Santamaría, Tco. Emiliano Gavilán
y alumna Marina Cauhapé Casaux, Laboratorio Vial
Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura
Carrera Investigador Científico Universidad Nacional de Rosario
Secretaría de Ciencia y Tecnología Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura
Universidad Nacional de Rosario Av. Pellegrini 250 - 2000 Rosario – Argentina
http://www.fceia.unr.edu.ar/secyt
Disciplina: Ingeniería Civil
Agosto 2006
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Deformación Permanente de Mezclas Asfálticas
Mter Ing. Silvia Angelone*, Mter Ing. Fernando Martínez, Tco. Enrique Santamaría, Tco. Emiliano Gavilán
y alumna Marina Cauhapé Casaux
Laboratorio Vial Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras
Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Carrera Investigador Científico
Universidad Nacional de Rosario Resumen
Los tipos más frecuentes de falla asociados a la aplicación reiterada de las cargas del tránsito para un pavimento flexible, son la fisuración de las capas asfálticas y la acumulación de deformaciones permanentes en todas las capas componentes de la estructura y en el suelo de fundación. Las deformaciones plásticas conducen a la formación de "ahuellamientos" que comprometen el confort y la seguridad, y en consecuencia, la calidad de la circulación de los usuarios.
Al respecto, el diseño estructural de los pavimentos se ha orientado a establecer valores límites de las tensiones y deformaciones con el objeto de valorar el período de tiempo para el que, bajo determinadas condiciones de solicitación, resultarán profundidades de huellas compatibles para un nivel de servicio esperado o proyectado. Con este objetivo los métodos de diseño actuales deben adoptar criterios de falla.
Estos criterios de falla se pueden obtener a través de distintos mecanismos como ensayos de laboratorio, pistas de ensayo o análisis de datos de rutas reales conseguidos por mediciones periódicas.
En el presente trabajo se describen un estado del arte de la forma de estimar el comportamiento a la deformación plástica de las mezclas asfálticas. Su objetivo es comparar distintos criterios de falla por ahuellamiento o deformación permanente determinados a través de distintos ensayos, así como en que estado se encuentra el tema en la Argentina.
Palabras claves: deformación permanente, ahuellamiento, mezclas asfálticas, materiales
Permanent deformation of asphalt mixes Abstract The main failures of a pavement system produced by traffic loads are the cracking of the surface layers and the rutting as the result of accumulation of permanent deformation through the pavement structure including the subgrade soil. The conventional pavement design parameters considers for flexible pavements the tensile strain at the base of bituminous layer and the vertical compression strain at the top of the soil. This method could be used in structures with known and referenced materials. In the other hand, the mechanistic analysis method requires a definition of a failure criteria of each material of the structure to predict cracking and rutting, as a function of their stress dependence, their characteristics, and hence the non linear response. The present report describes a state of art of the way to evaluate permanent deformation of asphalt mixes. It includes laboratory testing and the analysis of different models in order to compare them to discuss their application in flexible pavement design. And the development test to measure the permanent deformation in Argentina. Key words: permanent deformation, rutting, asphalt concrete mixes, materials
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INDICE
1. Introducción
2. Comportamiento de mezclas asfálticas
3. Predicción del ahuellamiento: Ensayos de laboratorio
4. Comparación de normas de ensayo
5. Equipo desarrollado en el Laboratorio Vial del IMAE
6. Análisis de resultados
7. Conclusiones
8. Bibliografía
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1. INTRODUCCIÓN
El proceso de diseño estructural de los pavimentos por métodos mecanísticos- empíricos, al igual
que para otras estructuras de la ingeniería civil, se basa en la determinación en distintos puntos
del pavimento de los esfuerzos críticos que, introducidos en diferentes leyes de falla, permitan
establecer si para el período de proyecto, los deterioros del pavimento se mantendrán dentro de
ciertos límites de aceptabilidad que no afecten el nivel de servicio ofrecido al usuario. Si esta
condición no se verifica, deberá modificarse adecuadamente los espesores o materiales
empleados en una o más capas componentes. En general, los criterios de falla empleados son:
- la fisuración por fatiga de las capas asfálticas, limitando la deformación de tracción en
la parte inferior de las mismas.
- la acumulación de deformaciones permanentes que afectan a toda las capas
componentes y al suelo de fundación.
Este último modo de falla conduce a la formación de “ahuellamientos” que comprometen el
confort y la seguridad, y en consecuencia, la calidad de la circulación de los usuarios
especialmente en días de lluvia donde la acumulación de agua, hace altamente riesgosa la
conducción de los vehículos. Si bien este fenómeno afecta a todas las capas de la estructura, su
influencia puede ser minimizada en las capas superiores mediante una adecuada dosificación,
formulación y construcción de las mismas. Sin embargo estas circunstancias no son aplicables a
los suelos de fundación que constituyen un condicionante del proyecto y cuya importancia puede
ser muy notable especialmente cuando se producen incrementos de los contenidos de humedad
de los mismos por anegamientos o ineficientes drenajes o solicitaciones extraordinarias por el
exceso de cargas de los vehículos que transitan, por lo que se plantea como necesario la
definición de leyes de falla que los contemple.
Adicionalmente en los últimos años este tipo de falla se ha visto incrementado debido al aumento
del tránsito de camiones pesados con mayores tolerancias de cargas por convenios del
MERCOSUR, el fuerte incremento en la presión del aire usada en los neumáticos de los
camiones, de 80 psi a más de 120 psi, la velocidad de circulación muy lenta, entre otros.
Los métodos de diseño actuales utilizan criterios de falla que se obtienen mediante distintas
líneas de trabajo que pueden complementarse entre sí:
1. Pistas de ensayo a escala natural y/o equipamientos especiales sobre rutas reales (equipos
simuladores de tránsito pesado) o tramos experimentales
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2. La realización de ensayos en el laboratorio y la obtención de los coeficientes de ajuste
con respecto al comportamiento real de la estructura.
3. Análisis de datos de rutas reales obtenidos del seguimiento periódico de tramos en
servicio.
En el presente reporte se presenta una descripción del comportamiento de las mezclas asfálticas
ante las solicitaciones de tránsito y clima, así como un estado del arte de cómo evaluar dicho
comportamiento a través de distintos ensayos de laboratorio.
2. COMPORTAMIENTO DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS
Las mezclas asfálticas son materiales viscoelásticos cuyas propiedades, dependientes de la
temperatura y la frecuencia de aplicación de las cargas, condicionan su posterior comportamiento
en servicio. Desde el punto de vista estructural, las propiedades mecánicas más importantes son
el módulo de deformación, la resistencia a la fatiga y la resistencia a las deformaciones
permanentes. El comportamiento de estas mezclas ante un proceso de carga es mediante el
desarrollo instantáneo de deformaciones específicas de tipo elástico seguidas luego por otras de
tipo viscoso y dependientes del tiempo. Durante la descarga, la deformación elástica se recupera
en forma inmediata y luego se recuperan otras deformaciones, fundamentalmente de tipo visco-
elástica que dependen del tiempo para quedar finalmente una deformación plástica irrecuperable.
Si la carga que se aplica es de tipo cíclico la acumulación de deformaciones plásticas se va
produciendo en forma gradual a lo largo del tiempo en que se aplique la solicitación.
a b
Figura 1: Evolución de la deformación permanente para
a)una carga estática, b) una carga cíclica
t
ε(t)
εe
εe
tcarga
εr
εp
εve(t)
σ
t
t
ε(t)
εe
εe
tcarga
εr
εp
εve(t)
σ
t
Tiempo
ε
ε P
ε R
σ
7
La evolución de la deformación durante su vida en servicio se desarrolla en tres fases, una inicial
o primaria, que se produce en los primeros ciclos de carga, una secundaria donde la velocidad de
deformación es una característica propia de cada mezcla con ligantes asfálticos y una terciaria,
donde la deformación es a volumen constante y las deformaciones se producen por corte.
Número de ciclos ó Tiempo
ε P (%
)Primaria Secundaria
∆V > 0Terciaria
∆V = 0
Número de Fluencia óTiempo de Fluencia
Def. porcorte
Figura 2: Etapas de la deformación permanente
Las principales variables que afectan el desempeño de las mezclas asfálticas son el tamaño
máximo de los agregados, la distribución granulométrica, el esqueleto granular, el contenido y
tipo del asfalto, los vacíos de aire, la proporción de vacíos llenos con asfalto, forma de
compactación de la mezcla en laboratorio e in situ, la temperatura de la mezcla, la presencia de
agua y tipo y forma de solicitación. Algunos de estos factores pueden ser modificados durante el
proceso de dosificación de la mezcla asfáltica a los efectos de obtener una velocidad de
deformación baja y adecuada a la estructura de la que formará parte.
En la Tabla 1 se detalla la influencia de estos factores sobre la resistencia a la deformación
permanente o al ahuellamiento de las mezclas con ligantes asfálticos.(1)
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Tabla 1: Factores que afectan la deformación permanente en las mezclas asfálticas
FACTOR CAMBIO DEL FACTOR
EFECTO SOBRE LA RESISTENCIA
AL AHUELLAMIENTO
AGREGADO Textura de la superficial Lisa a rugoso Incremento Granulometría Discontinua a continua Incremento Forma Redondeada a angular Incremento
Tamaño Aumento del tamaño máximo Incremento
LIGANTE ASFÁLTICO
Stiffness o Módulo de Rigidez Incremento Incremento
MEZCLA ASFALTICA Contenido de ligante Incremento Disminuye
Contenido de vacíos de aire (no menor al 3%) Incremento Disminuye
Contenido de vacíos en el agregado mineral (VAM)
(no menor al 10%) Incremento Disminuye
Método de compactación Vibratorio o por amasado Cambio en la estructura
CONDICIONES DE ENSAYO Temperatura Incremento Disminuye
Estado y Nivel de tensiones
Incremento en la presión de inflado de los neumáticos o
el nivel de tensiones Disminuye
Presencia de humedad Seco a saturado Disminuye si la
mezcla es sensible al agua
El procedimiento para estimar la deformación permanente, consiste en establecer para cada
material componente de la estructura del camino, y en particular para la subrasante, una ecuación
constitutiva entre la deformación residual o plástica y el estado de tensiones aplicados, número de
aplicaciones de la misma y las características intrínsecas del material del tipo:
εpi = f(σij, N, Pij) (I)
Donde
εpi: deformación específica permanente
σij: estado de tensiones impuesto
N: número de repeticiones de ese estado de tensiones
Pij: propiedades del material
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Para una capa en particular es posible entonces estimar la deformación permanente que se
producirá por integración numérica de la deformación permanente respecto al espesor cuando es
dividida en sub-capas de pequeño espesor de la forma:
δip = Σ εpi . ∆z (II)
Donde: δi
p: es la deformación permanente de la capa εpi: es la deformación específica permanente para la sub-capa de espesor ∆z
Y consecuentemente, el ahuellamiento total que sufre toda la estructura del pavimento (Figura 3)
se calculará como la sumatoria de las deformaciones permanentes de cada una de las capas,
∆h = Σ δip (III)
Donde: ∆h : ahuellamiento de la estructura del pavimento δi
p: es la deformación permanente de la capa
Capa de RodamientoBase
Sub -base
Subrasante
Capa de RodamientoBase
Sub -base
Subrasante
Figura 3: Estructura típica de un pavimento flexible
Este procedimiento parece el más razonable por cuanto considera las características propias del
material y su desarrollo debe realizarse a partir de la caracterización del mismo mediante ensayos
que reproduzcan lo más acertadamente las condiciones reales de humedad, densidad y
solicitaciones aplicadas. En ese sentido se plantea generalmente como método de trabajo:
1. establecer una metodología de análisis de la cuestión planteada
2. definir las variables que afectan al proceso de acumulación de deformaciones
permanentes de las mezclas asfálticas, cuantificando sus influencias
3. proponer un modelo de comportamiento que pueda ser aplicado en el proceso de
diseño estructural de los pavimentos
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2.1. Modelos Matemáticos
La necesidad de desarrollar metodologías para estimar el ahuellamiento de un pavimento en
servicio conduce a vincular el cálculo de tensiones y deformaciones en las distintas capas de la
estructura con modelos de comportamiento de la deformación permanente o la velocidad de
desarrollo de ésta en función del estado de tensiones, número de repeticiones, temperatura y
propiedades del material.
El cálculo de las tensiones y deformaciones en distintos puntos de la estructura del pavimento
puede ser ejecutado mediante procedimientos elásticos o visco elásticos. Más recientemente, el
uso de elementos finitos ha posibilitado introducir consideraciones respecto al efecto localizado
de la interfase neumático – calzada.
En lo que atañe a los modelos de evolución de la deformación permanente o la velocidad de
acumulación de ésta respecto a distintas variables, numerosos modelos han sido propuestos por
diferentes investigadores. En muchos casos, estos modelos matemáticos son ecuaciones
obtenidas por correlación a partir de resultados de ensayos de laboratorio o análisis de tramos de
pavimento en servicio. Algunos de estos modelos se presentan a continuación: b
P Na ⋅=ε (IV)
)( 1bP
P NbaN
−•
=ε=∂ε∂ (V)
α−−
•
µ=ε
=εε NNba 1b
RR
P )( (VI)
α−•
εµ=ε NRP b1−=α (VII)
)(
)(α−
α−εµ=ε 1R
P N1
R
baε
=µ (VIII)
Donde,
N: número de ciclos
εP: deformación específica axial permanente
εR: deformación específica axial resiliente
11
•εP : velocidad de deformación
µ y α: se definen para distintos materiales a partir de ensayos de laboratorios
En la Tabla 2 se detalla la influencia de algunos de los factores sobre los parámetros que rigen el
comportamiento a la deformación permanente de las mezclas asfálticas.
Tabla 2: Influencia de distintos factores en los parámetros
de la deformación permanente
FACTOR εR εP a b
TEMPERATURA MUY ALTA MUY ALTA MUY ALTA MODERADA
TENSOR DESVIADOR MUY ALTA MUY ALTA ALTA NINGUNA
TIPO AGREGADO (*) NINGUNA NINGUNA NINGUNA NINGUNA
TIPO ASFALTO MODERADA MODERADA ALTA NINGUNA
% ASFALTO (**) NINGUNA NINGUNA MODERADA MODERADA
% VACIOS MODERADA MODERADA MODERADA MODERADA
(*) con precauciones, (**) ±1% alrededor del óptimo
El modelo más simple, cuyos primeros antecedentes de remontan a la década del 70 (1), es el que
sólo considera la deformación específica axial permanente en función del número de aplicaciones
de carga para un dado nivel de solicitaciones, su representación en escala bi-logarítmica está dada
por una recta (Figura 4).
Naa 21P loglog +=ε (IX)
12
log (Número de ciclos)
log (ε P)
log a
b
εP = a . Nb
log (εP) = log a + b . log N
Figura 4: Modelo de la deformación acumulada en función del Nº ciclos
Este tipo de modelo evolucionó en el tiempo a modelos más completos que tienen en cuenta la
mayoría de los factores que se mencionan en la Tabla 1, a continuación se muestra la
desarrollada por Kaloush (2)
VaaVbeffaaaTaNaa 765d4321R
P logloglogloglogloglog ++η+σ+++=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛εε (X)
En particular el Método de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 (3), adopta como criterio de
falla de mezclas asfálticas el siguiente
NbTbb 321R
P logloglog ++=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛εε (XI)
Donde,
N: número de ciclos
T: temperatura
σd: tensor desviador
η: viscosidad a 60 ºC
Vbeff: Porcentaje volumen efectivo de ligante
Va: Porcentaje de vacíos
ai, bi: constantes de correlación experimentales
Por otra parte el Método de Diseño de Pavimentos de Shell (4), no modela la deformación
permanente sino que directamente estima el ahuellamiento de la mezcla asfáltica como
13
viscSmixhCh m ,
σ⋅⋅=∆ (XII)
donde,
∆h: es el ahuellamiento
Cm: factor de corrección Cm por efecto dinámico
0z σ⋅=σ tensión promedio de la capa asfáltica
0σ : presión de contacto del neumático
z: un coeficiente de influencia de la distribución de presiones dentro de la capa en estudio
Smix,visc: stiffness o rigidez de la mezcla asfáltica.
σ0
h σ
σ0
h σ
Figura 5: Modelo propuesto por SHELL
Este método propone que la relación existente entre las rigideces de la mezcla asfáltica y el
ligante (Smix y Sbit) es la misma que entre sus partes viscosas Smix,visc y Sbit,visc, como se
muestra en la Figura 6, y donde
0tN
VISC3viscSbit =, (XIII)
VISC: viscosidad del ligante a la temperatura media de la vida del pavimento
N: Número de ejes equivalentes
t0: el tiempo de carga función de la velocidad de los vehículos pesados
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Smix,elast
SmixSmix,visc
Sbit,elast
SbitSbit,visc
Smix,elast
SmixSmix,visc
Sbit,elast
SbitSbit,visc
Figura 6: Relación de rigideces entre las mezclas asfálticas y el ligante
3. PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO: ENSAYOS DE LABORATORIO
Como se mencionó en el capítulo anterior la deformación permanente en las mezclas asfálticas
es una combinación de densificación (cambio de volumen) y deformación por corte de las
mismas bajo la acción de cargas dinámicas provocadas por el tránsito y el clima, y puede ser
estimado a través de distintas ecuaciones constitutivas. Estas relaciones son alimentadas a través
de datos obtenidos a partir de distintas líneas de trabajo que pueden complementarse entre sí. Las
principales son:
1. Pistas de ensayo a escala natural y/o equipamientos especiales sobre rutas reales (equipos
simuladores de tránsito pesado) o tramos experimentales,
2. La realización de ensayos en el laboratorio y la obtención de los coeficientes de ajuste con
respecto al comportamiento real de la estructura,
3. Análisis de datos de rutas reales obtenidos del seguimiento periódico de tramos en servicio
En el presente trabajo se efectúa un análisis de los ensayos de laboratorio que permiten
caracterizar las mezclas asfálticas desde el punto de su deformabilidad.
Los ensayos de laboratorio tratan de reproducir lo mejor posible las condiciones de solicitaciones
in situ, e incluyen generalmente distintas posibilidades de ensayo de las muestras bajo diferentes
estados de tensiones, temperatura, humedad, etc. Entre los más utilizados se encuentran:
1. Ensayo de creep en compresión axial y triaxial
2. Ensayo de creep en compresión axial y triaxial con carga pulsante
3. Ensayo en compresión triaxial con carga dinámica
4. Ensayo de tracción indirecta por compresión diametral con carga pulsante
5. Ensayo de corte simple
6. Ensayos de rueda cargada o Wheel-tracking tests
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Las primeras 6 técnicas experimentales del listado son ensayos fundamentales que permiten
encontrar ecuaciones constitutivas en función de los estados de tensiones y para las distintas
condiciones de servicio. Tienen la ventaja que, generalmente, sus resultados son reproducibles
por distintos laboratorios, y las desventajas que presentan alguno de ellos es el elevado costo de
los equipos y las dificultades operativas que conlleva la ejecución de los ensayos.
Los ensayos de rueda cargada, a pesar de estar normalizados, tienen la desventaja que existen
muchos diseños de equipos diferentes y que por lo tanto no es factible comparar la magnitud del
ahuellamiento entre ellos. Sus resultados permiten para un equipo determinado establecer un
“ranking” o clasificación de las mezclas respecto al comportamiento a la deformación
permanente. Una vez calibrados pueden operar como ensayos del tipo “pasa” – “no pasa” .Por lo
tanto, cabe resaltar que la desventaja más importante al presente es que no permite predecir el
ahuellamiento que se va a producir en una determinada capa de concreto asfáltico a lo largo del
tiempo. Por otro lado tienen la ventaja que su costo no es tan elevado como los anteriores, su
operación es más sencilla y permite optimizar el diseño de la mezcla asfáltica.
3.1. Ensayo de creep estático en compresión axial y triaxial
El ensayo de creep con o sin confinamiento lateral y con carga estática ha sido muy usado para
evaluar las características de las mezclas asfálticas
y sus resultados fueron usados en variados métodos
de predicción del ahuellamiento.
Es uno de los ensayos más ampliamente utilizados
debido a su simplicidad. Sus resultados expresan la
evolución de la deformación específica permanente
en función del tiempo, para una carga aplicada y
temperatura de ensayo.
El grupo de investigación liderado por Van de
Loo (5), en los laboratorios de Shell en Ámsterdam,
son los que más han usado esta técnica de ensayo y es la que se adopta en el Método de Diseño
de pavimentos flexibles de Shell (4). Esta técnica fue utilizada, también, en el laboratorio vial
del IMAE (6) en la década del 80.
Se somete a las probetas de tipo Marshall a un ensayo de compresión vertical con carga estática,
sin confinamiento lateral, para condiciones prefijadas de carga y temperatura. Los resultados
Figura 7 : Creep Uniaxial (24)
16
encontrados sólo permiten comparar el comportamiento de las mezclas ante la deformación
acumulada, pero no se encontró un modelo adecuado para predecir el ahuellamiento.
3.2. Ensayo de creep en compresión axial y triaxial con carga pulsante
Para la medición de la respuesta de las mezclas asfálticas con carga repetida (pulso de carga
repetido con determinada frecuencia en el tiempo) existe una variedad muy grande de sistemas
de carga, desde el tipo mecánico pasando por los neumáticos hasta los sistemas electro-
hidráulicos. Los sistemas más sofisticados como el equipo de ensayo Fast-Cell (UI-FC) de la
Universidad de Illinois en EEUU, son capaces de
• Aplicar cargas repetidas tanto axiales como laterales, en
fase una con otra, para pulsos de carga con formas
distintas, para un rango entre 0.01 a 1.0 segundo de
aplicación de carga
• Aplicación de la carga axial tanto en compresión como en
tracción
• Incorporar períodos de descanso entre ciclos de
solicitación
• Medir la deformación permanente y resiliente horizontal y
vertical
• Medir la temperatura con una tolerancia de ± 0.3 ºC
La bibliografía en general marca que los ensayos con carga repetida son más apropiados y
sensibles a la formulación de la mezcla asfáltica que los ensayos de creep estáticos (1).
3.3. Ensayo en compresión triaxial con carga dinámica
Estos ensayos aplican una carga sinusoidal en forma dinámica, para un rango de frecuencias.
Permiten determinar sobre una probeta cilíndrica de mezcla asfáltica tanto sus propiedades
dinámicas como de creep. Los ensayos triaxiales dinámicos también permiten la determinación
de propiedades fundamentales como los módulos dinámicos y el ángulo de fase en función de la
frecuencia de carga, el número de ciclos aplicados y la temperatura de ensayo. Este ensayo ha
sido extensamente usado debido a que se aplica un estado uniforme de tensiones sobre la probeta
(sobretodo si los cabezales están convenientemente lubricados), admite la aplicación y
Figura 8: Equipo Fast-Cell (25)
17
combinación de un amplio rango de presiones de confinamiento y de tensores desviadores
permitiendo reproducir gran parte de los estados de tensiones in situ, tiene algunas limitaciones
para reproducir los estados de tensiones de la capa de rodamiento, y finalmente es de relativa
fácil implementación.
Tabla 3: Ensayos Uniaxiales para evaluar deformaciones plásticas
MÉTODO DE
ENSAYO
DIMENSIÓN DE LA
PROBETA VENTAJAS DESVENTAJAS
Uniaxial Estático
(creep).
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. Muy extendido y conocido. Información muy técnica.
Predice el funcionamiento, siendo cuestionable. Restringe la temperatura de ensayo y los niveles de carga, no simula condiciones reales. No simula el fenómeno dinámico real. Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio.
Uniaxial
con Carga
Repetida.
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
Buenas simulaciones de las condiciones de carga dinámica
El equipo es muy complejo Restringe los niveles de carga, no simula condiciones reales. Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio.
Uniaxial con Módulo
Dinámico.
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
Ensayo no destructivo.
Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio. El equipo es muy complejo
ENSAYOS UNIAXIALES.
Resistencia Uniaxial.
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
Tiempo de ensayo mínimo El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios.
La capacidad para predecir la deformación permanente es cuestionable
18
Tabla 4: Ensayos Triaxiales para evaluar las deformaciones plásticas.
MÉTODO DE
ENSAYO
DIMENSIÓN DE LA
PROBETA VENTAJAS DESVENTAJAS
Triaxial Estático (creep confinado).
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
Las temperaturas de ensayo y los niveles de carga simulan mejor las condiciones in situ que en el ensayo no confinado. El ensayo y el equipo son relativamente simples.
Predice el funcionamiento, siendo cuestionable Restringe los niveles de carga, no simula condiciones reales. No simula el fenómeno dinámico real. Dificultad para obtener relaciones 2:1de las probetas en el laboratorio.
Triaxial con Carga Repetida.
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
Las temperaturas de ensayo y los niveles de carga simulan mejor las condiciones in situ que el ensayo no confinado. Buenas simulaciones de las condiciones de carga dinámica
El equipo es muy complejo Restringe los niveles de carga, no simula condiciones reales. Dificultad para obtener relaciones 2:1 de las muestras en el laboratorio.
Triaxial con Módulo Dinámico.
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
Proporciona una entrada necesaria para el análisis estructural Ensayo no destructivo.
La medición de deformaciones es complejo a bajas temperaturas Posiblemente menos problemas para estudiar la disposición de LVDT. El equipo es muy complejo y costoso. Requiere una cámara triaxial.
ENSAYOS TRIAXIALES.
Esfuerzo Triaxial.
10 cm de diámetro x 20 cm de altura y otros.
Tiempo de ensayo mínimo El ensayo y el equipo son relativamente simple
Requiere una cámara triaxial. La capacidad para predecir la deformación permanente es cuestionable.
3.4. Ensayo de tracción indirecta por compresión diametral con carga pulsante
El ensayo de tracción indirecta por compresión diametral con cargas repetidas es un ensayo que
ha alcanzado un gran desarrollo a nivel de la técnica vial mundial. Este ensayo, destinado a
caracterizar originariamente la resistencia a la tracción de hormigones de cemento portland, fue
luego adaptado en los Estados Unidos de Norteamérica y en Brasil para la determinación del
módulo de deformación y la resistencia a la fatiga de mezclas asfálticas.
19
Las razones básicas en las que se apoyó esta
aplicación son (1):
• Es sencillo de efectuar y de fácil implementación
• Las probetas requeridas son comunes a las de
otros ensayos (Marshall) pudiendo utilizarse
tanto muestras obtenidas del camino o elaboradas
en laboratorio.
• Posee buena repetibilidad con bajo coeficiente de
variación de sus resultados
• Pueden efectuarse ensayos con cargas repetidas o
en condición de carga estática
A partir de los trabajos realizados por Kennedy y otros en USA y Preussler y otros en el Brasil,
el Laboratorio Vial del IMAE desarrolló en
1983 un prototipo del equipo de ensayo de
Tracción Indirecta con carga pulsante. Una
primera experiencia en la determinación
del módulo dinámico y la resistencia a la
fatiga de un concreto asfáltico se llevó a
cabo en dicha fecha y se continuó con su
utilización en forma ininterrumpida (8,
9,10).
La experiencia de distintos autores indica
que si bien es una herramienta útil para la
determinación de módulos y vida en fatiga
de mezclas asfálticas, no sería apropiada para su caracterización a deformación permanente,
principalmente cuando la temperatura o carga de ensayo produce deformaciones importantes
sobre la probeta. Este hecho hace que las tensiones actuantes no sean constantes y por lo tanto se
dificulta relacionar una deformación permanente con un nivel de tensiones dados. Otros autores
como Kennedy lo siguen considerando aceptable para la comparación del comportamiento a
deformaciones plásticas de mezclas asfálticas.
Figura 9: Fatiga por compresión (26)
Figura 10 : prueba diametral para determinación del módulo de resiliencia (26)
20
Tabla 5: Ensayos Diametrales para evaluar la deformación plástica
MÉTODO DE
ENSAYO
DIMENSIÓN DE LA
PROBETA VENTAJAS DESVENTAJAS
Diametral Estático (creep).
10 cm de diámetro x 7.5 cm. de altura
El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. El espécimen es fácil de fabricar.
Diametral con Carga Repetida.
10 cm de diámetro x 7.5 cm. de altura
El ensayo es fácil de desempeñar. El espécimen es fácil de fabricar.
Diametral con Módulo Dinámico.
10 cm de diámetro x 7.5 cm. de altura
El espécimen es fácil de fabricar. Ensayo no destructivo.
ENSAYOS DIAMETRALES.
Resistencia Diametral.
10 cm de diámetro x 7.5 cm. De altura
El ensayo es fácil de desempeñar. El equipo está generalmente disponible en muchos laboratorios. El espécimen es fácil de fabricar. Tiempo de ensayo mínimo
El estado de tensión es no uniforme y la fuerza depende de la forma del espécimen. A alta temperatura de carga existen cambios en la forma del espécimen que afectan el estado de esfuerzos y las medidas significativas del ensayo. Tal vez sea inapropiado para estimar la deformación permanente. Se encontró que sobreestimaba el valor de la deformación permanente Para el ensayo dinámico el equipo es complejo.
3.5. Ensayo de corte simple
El ensayo de corte simple ha sido muy usado en mecánica de suelos para la determinación de las
propiedades al corte de los suelos. Para mezclas asfálticas su uso se justifica cuando la causa
predominante del ahuellamiento es la fluencia plástica de corte.
El equipo más apropiado es el que permite la aplicación de una carga repetida o dinámica sobre
un rango de frecuencias que permita además la determinación de los módulos de corte resiliente
y dinámico.
Si bien pocos investigadores han usado esta técnica de ensayo, es aplicable para establecer las
propiedades de las mezclas asfálticas al ahuellamiento ya que éste es provocado principalmente
por la fluencia plástica por corte.
21
Monishmith y Tayeballi (1) han usado esta técnica para comparar la respuesta del
comportamiento de las mezclas asfálticas en probetas compactadas con el compactador
Kneading y especimenes obtenidos del pavimento.
Tabla 6: Ensayos Corte para evaluar la deformación plástica MÉTODO
DE ENSAYO
DIMENSIÓN DE LA
PROBETA VENTAJAS DESVENTAJAS
SST Ensayo de Frecuencia de Barrido Módulo de Corte Dinámico.
15 cm de diámetro x 5 cm de altura.
La aplicación del esfuerzo de corte simula las cargas inducidas por el tráfico. AASHTO estandarizó el procedimiento disponible. El espécimen se prepara con la prueba SGC. La curva maestra podría dibujarse a diferentes temperaturas y frecuencias. Ensayo no destructivo.
El equipo es extremadamente costoso y de limitada disponibilidad. El ensayo es complejo y difícil de ejecutar Las muestras obtenidas en el SGC1 se necesitan cortar y pegar a los cabezales
SST Ensayo Repetido de Corte con altura constante.
15 cm de diámetro x 5 cm de altura.
La aplicación del esfuerzo de corte simula las cargas inducidas por el tráfico. AASHTO estandarizó el procedimiento disponible. El espécimen se prepara con la prueba SGC.
El equipo es extremadamente costoso y de limitada disponibilidad. El ensayo es complejo y difícil de ejecutar. Las muestras obtenidas en el SGC se necesitan cortar y pegar a los cabezales.
ENSAYOS DE CORTE.
Ensayo Triaxial de Esfuerzo de Corte.
15 cm de diámetro x 5 cm de altura.
Corto tiempo de ensayo.
Espécimen confinado, más requerimientos y complejidad. Mucho menos utilizado.
1 SGC: Shrp Giratory Compactor
22
Figura 12: Corte simple – SUPERPAVE(31)
3.6. Ensayos de Rueda cargada o Wheel-Tracking Tests
Los ensayos de rueda cargada se encuentran dentro de los ensayos de simulación. Para alcanzar
una validación correcta entre lo que sucede en laboratorio e in situ, el ensayo debe reproducir las
condiciones de tensiones que se desarrollan dentro del pavimento y para un rango de
temperaturas amplio que permita abarcar condiciones desfavorables del orden de los 60 ºC.
El procedimiento general de ensayo consiste en medir la velocidad de deformación o la
deformación vertical que se produce en un espécimen de mezcla asfáltica, prismático o
cilíndrico, ante la aplicación de una carga dinámica, aplicada mediante una rueda cargada.
Las características de los equipos difieren de acuerdo a su origen. A continuación se presentan
algunos de los equipos de tipo Wheel-tracking tests más difundidos.
3.6.1. Georgia Loaded Wheel Tester (GLWT)
El GLWT fue desarrollado a mediados de los 80 en Georgia a partir de modificaciones
introducidas a un modelo diseñado por C.R. Benedict de Benedict Slurry Seals.Inc., para
ensayar lechadas de asfalto (slurry seals) a los fines de elaborar un instrumento que permitiera
realizar ensayos de medición de ahuellamiento en laboratorio así como también control de
calidad en obra de mezclas asfálticas en caliente.
23
Figura 13: Georgia loaded wheel tester (GLWT) (29)
Utiliza muestras cilíndricas (de 15cm de diámetro x 7,5cm de altura) o una muestra rectangular
(12,5cm de ancho x 30,0cm de largo x 7,5cm de altura) compactadas por distintos métodos y con
contenidos de vacío de 4% o 7%.
La metodología empleada consiste en la aplicación de una carga de 445N a través de una rueda
metálica, que apoya sobre una manguera neumática presurizada a 690 kPa, ubicada sobre la
muestra, donde a partir de un movimiento de ida y vuelta (1 ciclo) de esta última simula la
circulación vehicular, y permite la medición de ahuellamiento, en particular a los 8000 ciclos,
para condiciones dadas de temperatura que oscilan entre los 35°C y los 60°C. La velocidad de la
rueda es de 55.55 cm/seg (33 ciclos/min), sobre un recorrido de 33cm. (11, 12, 19).
3.6.2. Asphalt Pavement Analyzer (APA)
El APA fue construido por primera vez en 1996 por Pavement Technology, Inc a partir de una
modificación del modelo de Georgia . Su uso se encuentra protocolizado a través de la norma
AASHTO TP 63-03 Standard Test Method for determining Rutting Susceptibility of Asphalt
Paving Mixtures using the Asphalt Pavement Analyzer.
Tiene la capacidad de evaluar ahuellamiento, fatiga y resistencia a la acción de la humedad de
mezclas asfálticas en caliente, a través de un dispositivo similar al de Georgia: una muestra
cilíndrica o rectangular, sometida a una temperatura entre 40.6°C y 64°C, sobre la que apoya una
manguera a una presión de 690kPa o 830kPa y una rueda que aporta, mediante un movimiento
de ida y vuelta(1 ciclo) sobre la manguera, una carga de 445N o 533N (depende de la presión
dada) simulando los vehículos circulantes.
24
Figura 14: APA – Asphalt Pavement Analyzer (2)
Las muestras se compactan mediante vibrado o amasado logrando 4% o 7% de contenido de
vacíos en las cilíndricas y 7% en las rectangulares. Las mismas pueden estar secas o saturadas y
realizadas en laboratorio o extraídas in situ.
Los resultados que se obtienen son la deformación al final del ensayo (8000 ciclos) y una gráfica
deformación vs tiempo. (11, 12, 13)
3.6.3. Hamburg Wheel-Tracking Device (HWTD)
El modelo de Hamburgo fue desarrollado en Alemania en 1970, tomando como idea principal un
modelo de origen Británico. Es ampliamente utilizado en EE.UU. y Europa para evaluar mezclas
asfálticas en relación a su resistencia a la humedad y al ahuellamiento.
Figura 15: Máquina de ensayo(4)
25
En EEUU está normalizado en AASHTO T 324-04 Standard Method of test of Hamburg Wheel-
Track Testing of Compacted Hot Mix Asphalt. En general, permite evaluar dos muestras
simultáneamente, mediante dos ruedas paralelas.
Cada mitad del sistema está compuesta por una rueda de acero de 4.7cm de ancho y 20.36cm de
diámetro que se mueve hacia delante y hacia atrás, a una velocidad aproximada de 34 cm/seg
(53±2 pasadas/min), aplicando una carga de 705N sobre una muestra sumergida en agua a una
temperatura que oscila entre los 25°C y 70°C, siendo 50°C la temperatura mayormente
empleada. Dichas muestras pueden ser prismáticas (26cm x 32cm x 4cm, con un contenido de
vacíos de 6% a 8% para mezclas densamente graduadas y 5% a 6% para mezclas tipo S.M.A,
compactadas por amasado) ó cilíndricas (de 15.2 cm o 25.4 cm de diámetro, 6.2cm de espesor y
densidad del 93%).
El ensayo se realiza hasta un número determinado de pasadas o hasta una deformación
propuesta, lo que ocurra primero. Una vez finalizado el mismo se grafican los resultados en una
curva de deformación en función del número de pasadas, y a partir de ésta se determinan los
parámetros de evaluación: máximo ahuellamiento, pendiente de deformación o “creep slope”
(susceptibilidad al ahuellamiento), pendiente de descubrimiento o stripping slope (deformación
acumulada causada por daños por humedad) y punto de descubrimiento o “stripping point”
(punto donde comienzan a notarse los cambios por humedad).
Existen otros ensayos derivados del de Hamburgo, como el SCRT o el ERSA, en donde se
introducen pequeñas modificaciones en las distintas variables del ensayo (carga aplicada y
velocidad de aplicación, tipo de muestra, condición húmeda o seca, contenido de vacíos,
temperatura de ensayo), o del instrumental (dimensiones de probetas, aplicación de carga sobre
manguera neumática).
Figura 16: Máquina de ensayo ERSA(30)
26
Otro ejemplo a considerar es el modelo realizado en el LEMIT (La Plata – Argentina) a partir del
Wheel Tracking Test WTT, que había sido construido en 1962 siguiendo la norma británica.
El modelo de Hamburgo puede ser empleado para la evaluación de mezclas asfálticas aplicando
un criterio de “pasa”/ “no pasa” en el diseño de las mismas, así como para la comparación con
otros métodos de evaluación. (11, 14, 15, 16, 17, 18, 19)
3.6.4. Equipo de Pista de ensayo de laboratorio según la normativa española e
inglesa
Estos equipos de ensayos permiten determinar la resistencia a la deformación plástica de una
mezcla bituminosa, tanto en los casos de proyectos de mezclas en el laboratorio como en el de
testigos procedentes de pavimentos.
El ensayo consiste en someter una probeta de la mezcla bituminosa, al paso alternativo de una
rueda metálica de 20 cm de diámetro, recubierta con 10 a 20 mm de caucho (dureza 80 Shore A),
en condiciones determinadas de presión y temperatura, midiéndose periódicamente la
profundidad de la deformación producida.
Las características particulares de cada uno de los ensayos normalizados se describen en el punto
de comparación de normas.
Los resultados obtenidos, para una temperatura y una frecuencia de ensayo dada, manifiestan la
deformación acumulada en el centro de la probeta, y la velocidad de deformación expresada en
mm/min, para diferentes períodos de tiempo.
Figura 17: Máquina de ensayo de la universidad de Cataluña (izquierda) y de Mastrad
(derecha)
27
3.6.5. Purdue University Laboratory Wheel-Tracking Device
Este ensayo de rueda cargada se desarrolló en la Universidad de Purdue y presenta similitud con
el ensayo de Hamburgo, ya que permite determinar el ahuellamiento potencial y sensibilidad a la
acción de la humedad. Aplica una presión de 620kPa sobre la muestra (de campo o laboratorio)
con una velocidad de 33,2cm/seg a través de una rueda neumática inflada a una presión de
793kPa.
Las dimensiones de la probeta utilizada son de 50cm de longitud, 18cm de ancho y de 1 a 5 cm
de espesor. Las muestras son rectangulares (29cm x 31cm) y su espesor es función del tipo de
mezcla que se está ensayando: superficiales 3,8cm; mezclas de base 5,1cm y mezclas asfálticas
gruesas para base 7,6cm. Se compactan por medios de compactación lineales con contenidos de
vacíos entre 6% y 8% pudiendo ensayarse en condiciones húmedas o secas.
Figura 18: Máquina de ensayo, Purdue University Laboratory Wheel Tracking (11)
El ensayo se realiza hasta los 20000 pases de ida y vuelta o hasta los 2cm de ahuellamiento.
Finalizado, se procede a obtener el coeficiente de humedad definido como la relación entre el
número de ciclos para los que se alcanza una huella de 1,27cm en condiciones secas y el
correspondiente para condiciones húmedas (el valor 1.27cm define un límite entre buen y mal
comportamiento frente a la humedad)
Cabe destacar que en este ensayo puede adaptarse una rueda móvil con la cual simular un
movimiento en sentido transversal en el ancho de la muestra.(11)
28
3.6.6. French Wheel Tracker (FWT)
El FWT es un ensayo que permite prevenir daños por ahuellamiento en mezclas asfálticas en
caliente. Con ese objetivo ha sido usado en Francia en los últimos 20 años y en la actualidad ha
comenzado a utilizarse en los EE.UU.
La metodología de este aparato es similar a las ya descriptas; una carga de 5000N es aplicada a
una rueda neumática de 400 x 8 con una presión de inflado de 600kPa, a una velocidad de
194.44 cm/seg (67 ciclos/min).
Las dimensiones de la probeta utilizada son de 50cm de longitud, 18cm de ancho y de 1 a 5 cm
de espesor. Cabe destacar que esta máquina permite el ensayo de 2 probetas simultáneamente.
Las mismas pueden corresponderse con la base o la superficie de rodadura, para lo cual varían
las temperaturas de ensayo: 50°C y 60°C, respectivamente.
Finalizado el ensayo se calcula la deformación, definida como la media de 15 mediciones de
profundidad de huella medidas en 5 hileras paralelas al largo y 3 distribuidas a lo largo del ancho
la muestra. Se expresa como un porcentaje del espesor original de la muestra. (11, 19)
Figura 19: Máquina FWT (1), interior(31) y detalle de la probeta(31)
3.6.7. Model Mobile Load Simulator (MMLS3)
El MMLS3, desarrollado en Sudáfrica, es un simulador de carga móvil con una escala 1/3
respecto al real. Se aplica a la evaluación de muestras de mezclas asfálticas en caliente
29
producidas en laboratorio o in situ. Las mismas tienen dimensiones 120cm x 24 cm. Son
ensayadas húmedas y secas.
Las características del ensayo son similares a las del simulador a escala real, en este caso la
carga, aplicada por una única rueda neumática, inflada a una presión de 800kPa que genera una
presión de contacto sobre la muestra de 690kPa, es de 2.1KN (aproximadamente 1/9 de la real
dada por una doble rueda) y se mueve a una velocidad de 7200 pasadas/hora. Las dimensiones
de la rueda son 30cm de diámetro y 8 cm de ancho. La temperatura aplicada varía según la
condición del ensayo: 50°C y 60°C para condición seca y 30°C para condición húmeda. Puede
incorporarse una rueda móvil que simule el movimiento transversal de la misma.
Los valores medidos en el ensayo son los de profundidad de huella en los perfiles transversales,
los cuales se utilizan para determinar el Módulo por Análisis Sísmico de onda de Superficie
(Seismic Análisis of Surface Waves moduli), el cual permite evaluar el ahuellamiento o daños
producidos por agrietamiento o humedad. (11)
Figura 20: MMLS3(1)
30
En la Tabla 7 se muestran las principales características de los equipos más usados y los que
siguen las normativas europeas, española y británica.
Tabla 7: Comparación de las principales características de los ensayos de Rueda Cargada
LCPC Hamburgo Georgia GB (BS)
BS EN (CEN)
ESPAÑA (NLT)
Carga de la rueda (N) 5000 705 700 520 Variable - Presión sobre la probeta (kPa) 600 1.5 700 - Variable 900 Frecuencia de carga (Ciclos por minuto) 60 53 45 21 26 21
Tipo de rueda Rueda Neumática
Rueda de acero
Rueda de
caucho
Rueda de
caucho
Rueda de caucho y
Neumática
Rueda de caucho
Medio del Ensayo Aire Agua Aire Aire Aire Aire Masa de la probeta (kg) 20 10 5 Variable Variable VariableEspesor de la probeta (mm) 100 Variable 75 35-55 Variable 51 Temperatura del Ensayo (ºC) 60 50 40 45 , 60 Variable 60 Máxima deformación permitida 10 mm. 4 mm. 7 mm. 15 mm Variable -
31
Además, a modo de resumen, en la Tabla 8 se realiza una comparación de las principales
ventajas y desventajas de algunos de los ensayos descriptos (29)
Tabla 8: Ventajas y desventajas de los ensayos de Rueda Cargada (LWT)
MÉTODO DE ENSAYO
DIMENSIÓN DE LA PROBETA VENTAJAS DESVENTAJAS
Modificado y mejorado del ensayo de Georgia (GLWT) Funcionamiento simple
Usado extendidamente como ensayo LWT en EEUU Se dispone de criterios de límites de aceptación Simula la acción del tráfico y condiciones de temperatura.
Pueden ser ensayadas de 3 a 6 probetas al mismo tiempo. Utiliza especimenes cilíndricos y/o rectangulares
Analizador de Pavimentos Asfálticos
(APA)
Cilíndrico 15cm. x 9cm ó 11.4 cm ó
rectangular
Usa compactador giratorio, SGC.
Relativamente costoso
Usada ampliamente en Alemania. Capaz de evaluar los daños producidos por la humedad. Wheel – Tracking
de Hamburgo 26cm. x 32 cm. x 4cm
Se pueden ensayar dos probetas al mismo tiempo.
Bajo potencial de aceptación por parte de los EEUU
Muy exitoso y usado en Francia. Ensayo de
Ahuellamiento Francés
50cm. x 18cm. x 1a 5 cm.
Pueden ensayarse dos muestras de mezcla asfáltica en caliente al mismo tiempo
No fue extendido ni utilizado en los EEUU
PURWheel 29 cm. x 31 cm. x 3.3, 5, 7.6 cm
El espécimen puede ser traído de campo o preparado en el laboratorio.
Necesita un compactador lineal.
Se necesitan mayor volumen de materiales No es adecuado para usarlo rutinariamente Modelo Móvil de
Simulación de carga (MMLS3)
120cm x 24cm x espesor variable El espécimen es construido a escala
La normativa para la fabricación de estos especimenes necesita ser desarrollado
32
3.6.8. Equipos de ensayos del tipo LWT en la Argentina
El desarrollo de los equipos de ensayo del tipo Load Wheel Test en la república Argentina data
de los últimos 3 años. En los laboratorios del LEMIT, en la ciudad de La Plata, se encuentran
disponibles un Hamburgo Wheel-Tracking y un equipo de pista de rueda cargada de laboratorio.
El primero de los equipos es la adaptación del conocido como Wheel Tracking Test (WTT). Este
equipo desarrollado por el Road Research Laboratory de Inglaterra, guarda cierta similitud con el
aparato de Hamburgo, por lo que el grupo de investigaciones viales del Lemit decide adecuarlo a
las actuales exigencias de este aparato. El segundo equipo de rueda cargada responde a la
normativa británica y la compactación de las probetas se realizan en forma dinámica, a través de
un martillo neumático.
YPF cuenta con un equipo de rueda cargada (Cooper) similar al del Lemit, pero las probetas son
compactadas por amasado mediante un arco de cilindro metálico cargado, que simula la
compactación de un rodillo liso.
Figura 21: Hamburgo wheel-tracking del Lemit
Figura 22: Ensayo de Rueda cargada del Lemit
33
Figura 23: Ensayo de Rueda cargada de YPF
Figura 24: Equipo de compactación por amasado de YPF
4. COMPARACIÓN DE NORMAS DE ENSAYO
En este capítulo se lleva a cabo la comparación de normas sobre ensayos de rueda cargada que se
están empleando en nuestro país, por lo tanto la misma se limita a las siguientes normas
• NLT – 173/84 – Resistencia a la deformación plástica de las mezclas bituminosas
mediante la pista de ensayo de laboratorio (España,1984)
• BS 598 Sampling and examination of bituminous mixtures for roads and other
paved areas. Part 110. Methods of tests for the determination of wheel tracking
rate. (Gran Bretaña, borrador revisado al 2001)
• BS EN 12697-22:2003 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt.
Part 22. Wheel Tracking (Comunidad Europea, 2004)
34
• PrEN 12697-33 Specimen Preparation. Slab compactor (Comunidad Europea,
borrador 1998)
Las Tablas 9, 10 y 11 contienen una comparación de las normas citadas en cuanto a las
características de las muestras, los procedimientos de ensayos, análisis de resultados, la
metodología de ejecución de los especimenes y el manejo de probetas caladas obtenidas in situ.
35
Tabla 9: Cuadro comparativo entre las normativas española y británica de ensayos de mezclas asfálticas en pistas de ensayo de laboratorio (20, 21, 22)
NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
DENOMINACIÓN NLT – 173/84 BS 598 Part 110 BS EN 12697-22:2003 OBJETO Determinación de resistencia a la deformación plástica en una mezcla bituminosa
TIPO • probeta de laboratorio • muestra extraída in situ
• muestra extraída in situ• extensión a laboratorio
• probeta de laboratorio • muestra extraída in situ
DIMENSIONES [cm]
(en planta) Prismática 30 x 30 Cilíndrica Ø 20±0.5
medida grande (L)
(50x18)±0.2
medida extra grande (XL) (70x50)±0.5
medida pequeña (S)
26x30(mínimo) Cilíndrica Ø 30
S/ espesor capas pavimento ≤ 5cm→ 5 > 5cm→ 10
6 ESPESOR [cm] 5 Espesor de la capa ±1cm
(hasta 5 cm)
Especificar espesor 3 – 5 – 6 – 7.5 – 10
Igual espesor que en el pavimento o
s/ tamaño máximo del
agregado (ver Tabla 10)
Procedimiento A (aire): 6
Procedimiento B (aire): 2
Cantidad requerida (por cada variable) 3 (mínimo) 6 2(mínimo) 2(mínimo)
Procedimiento B (agua): 2
Mezcla densa, semi-densa 97% densidad de Marshall
(mínimo) GRADO DE COMPACTACIÓN Otras mezclas
95% densidad de Marshall
MU
ESTR
A
DETERMINACIÓN DE DENSIDAD
Mediante la masa de la muestra y el volumen determinado con las
dimensiones geométricas de la misma
Cálculo de densidad s/ cláusula 4 de BS 598
Part 104:1989 S/ norma EN 12697-33 ó EN 12697-32
36
NORMA
ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
L XL S
MU
ESTR
A
Acondicionamiento previo al ensayo
Luego de la compactación se
dejan enfriar entre 12-24hs (mínimo) y luego se calientan en
estufa a 60±2°C durante 4
horas(mínimo) antes del ensayo
Se colocan las muestras en un ambiente controlado a la
temperatura del ensayo durante 4-16hs antes de
ensayar, hasta que la probeta alcance la
temperatura de ensayo ±1°C
Condición: • Ta<75°C si Te ≤60°C • Ta=Te +15°C si Te>60°CDonde Ta: Temperatura del aire Te: Temperatura de ensayo Mantener estas condiciones durante 12-16 hs antes de ensayar
Acondicionar las muestras a la
temperatura de ensayo por un
período entre 12-18 hs antes de
ensayar
Procedimiento en aire: función del espesor nominal
(NT) NT ≤ 6cm ; 4hs (mínimo) NT > 6cm ; 6hs (mínimo)
24hs máximo Procedimiento en agua:
colocar en agua a la Tensayo hasta alcanzarla en ±1°C y
no menos de 1h.
Diámetro [cm] 20 20 – 20.5 20 – 20.5 Ancho
(w) 5 5±0.1 Rueda neumática 400x8 Rueda neumática
6.00 – R9 5±0.5
Espesor 2 1 – 1.3 2±0.2 Dureza
[cm
]
80 (Esc Dunlop) 80±5 (IRHD)(2) Presión inf. (600±30)kPa Ancho (11±5)cm 80(IRHD)(2)
Ban
da d
e ro
dadu
ra
limpieza 90% acetona
10% kerosene (en volumen)
90% acetona
10% kerosene (en volumen)
RU
EDA
Carga 900±25 KN/m2
(presión de contacto)520±5 N
(s/ muestra en pl normal) (5000±50) N (10000±100) N )10700( 50w ± N
Recorrido [cm] 23±0.5 23±0.5 41±0.5 70±0.5 23±1
PIST
A
Frecuencia 42±1 pasada/min(3) 21±0.2 ciclo/min(4) 1±0.1 Hz 24 ciclo/min(4) 26.1±1ciclo/min(4)
TEMPERATURA ENSAYO
60±1°C u otras para estudios especiales 45 o 60 ±1°C variable
(2) IHRD: International Rubber Hardness Degree (3) Pasada: corresponde a un recorrido de 23±0.5 cm (4) Corresponde al ciclo de ida y vuelta del recorrido
37
NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
L XL S DISPOSITIVO DE CONTROL DE
TEMPERATURA
Termostatos regulables desde el
exterior
Termocupla colocada 3 o 4 cm radialmente hacia adentro de la probeta
hasta la mitad del espesorDispositivo sensor en la probeta y en el
recinto Control de temperatura en el
recinto
ELEMENTOS DE MEDICIÓN micrómetro Dispositivo automático
o flexímetro Dispositivo automático u
otro Sensores láser
flexímetro Dispositivo automático o
flexímetro PA:1000ciclos ó 15mm
huella DURACIÓN ENSAYO 120’
45’ o 15mm de deformación
(lo que ocurra primero)
n° de ciclos requeridos ó ahuellamiento
promedio(5) ≥18mm
n° de ciclos requeridos ó
ahuellamiento promedio(4) ≥20mm
PB:10000 ciclos ó 20mm huella
Procedimiento A Acondicionamiento previo de 5 ciclos Lectura inicial ro y luego cada 25±1 ciclos.(7)
LECTURA DE DATOS
Después de 3 pasadas de acondicionamiento se toman deformaciones totales iniciales, a los 1’, 3’ y 5’, luego c/5’ hasta completar 45’, luego c/ 15’ hasta completar ensayo
Deformación inicial, ro, y luego c/5’ ±3’’(7)
Lectura inicial(0) en 15 puntos designados(j) (Fig 25): moj Leer a los 1000, 3000, 10000 y 30000 ciclos. Si fuera necesario: 30, 100, 300 y 10000 ciclos.(6)
Lectura en 15 puntos distribuidos en 3 secciones transversales a los 100, 200, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000 y si fuera necesario 30000 ciclos.
Procedimiento B Acondicionamiento previo de 5 ciclos Lectura de la posición vertical de la rueda(8) , inicial, 6 a 7 veces en la 1° hora y luego como mínimo 1 lectura c/500 ciclos.
(5) Ahuellamiento promedio: ∑
−
=
15 ojij1j 15
mm
(6) Se excluye ciclos de acondicionamiento (7) Se tomarán en el centro de la muestra dentro de los 10mm del área de carga en el punto medio transversal. Se realizan detenciones del ensayo p/ medir sino tiene adquisición de datos automática. (8) Se define como el valor medio del perfil de la muestra en una longitud de ±50mm con respecto al centro del área cargada en el punto medio transversal, medidos en al menos 25 puntos equiespaciados. Se mide sin parar el ensayo.
38
NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
TAM
AÑ
O G
RA
ND
E
• Profundidad de huella proporcional, Pi: ahuellamiento proporcional para una muestra
[%] x 100P15
1jxh15mm
iojij∑
=
−=
donde: mij: deformación local[mm] moj: deformación inicial[mm] h: espesor de la probeta [mm] • PLD: la media de los valores de Pi • Gráfico Ln(Pi) vs. Ln(N) donde: N: n° de ciclos • Temperatura de ensayo: Calculada como la media de las temperaturas registradas antes de cada medición
ANÁLISIS DE RESULTADOS PARÁMETROS
• Valores medios de todas las deformaciones registradas correspondientes• Gráfico Deformación de la muestra vs. Tiempo • Velocidad de deformación media del intervalo de tiempo tn/tm:
[ min/ mm310 mn
tmtntmtn tt
ddV −
−−
=
donde: Vtn/tm: Velocidad de
deformación para el intervalo de tiempo tn/tm(10-3 mm/min)
dti: Deformación acumulada al tiempo i (µ)
• Velocidad de deformación (mm/h). Función del n° lecturas
{ } { } { }
{ }
{ }
1521R
1nn43R
2nn75R
2n1n3nn8R
t900T
)rr(12T
)rr(6T
)rr(2.1)rr(6,3T
=
−=
−=
−+−=
−
−−
−−
−−−
donde: n: n° de lecturas(excluye ro) ri: desplazamiento vertical en la i° lectura t15: tiempo para el que se alcanzó deformación de 15mm. • Velocidad de deformación corregida
Lw*T*4.10W RmTR = (mm/h)
donde: TRm: Media de las TR w: ancho banda rodadura real L: carga aplicada real 10,4 = 520 N / 50 mm se expresa como
WTR=(WTR±0.1)mm/h
Si los valores medidos exceden en 1.5mm/h y 1.1 veces la media, se descarta el resultado de mayor discrepancia. Si continúa dicha diferencia deberá aclararse la no uniformidad. TA
MA
ÑO
EX
TRA
GR
AN
DE
• Profundidad de huella proporcional, Pi: ahuellamiento proporcional para una muestra
[%] x 100P h x mm.....m
in1 ++=
donde: mi: profundidad de huella[mm] n: n° de secciones transversales h: espesor de la probeta [mm] • PXLD: la media de los valores de Pi • Temperatura de ensayo: Calculada como la media de las temperaturas registradas antes de cada medición
39
NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
ANÁLISIS DE RESULTADOS PARÁMETROS
• Profundidad de huella (mm)
t45*15R 45' los a 15mm def
r-r R 45' los a 15mmefd
15
09
==
=<
Se expresa como valor medio de las profundidades de huella obtenidas:
R= (R±0.1) mm
TAM
AÑ
O P
EQU
EÑO
PROCEDIMIENTO A • Tasa de ahuellamiento (µ/ciclo), función del n° de lecturas
{ } { } { }
{ }
{ }
1521
1nn43
2nn75
3n2n1nn8
n15000TR
r10r10TR
r5r5TR
r3rrr3TR
=
−=
−=
−−+=
−
−−
−−
−−−
donde: n: n° de lecturas tomadas c/100 ciclos hasta los1000 ciclos (no incluye ro) ri: desplazamiento en la i° lectura (mm) n15: n° de ciclos en que se alcanzó una profundidad de huella de 15mm. • Tasa media de ahuellamiento, WTR.
Lw*T*4.10WTR Rm=
donde: TRm: Media de las TR (µ/ciclo) w: ancho banda rodadura L: carga aplicada, en N Se expresa: WTR = (WTR±0.1) µ/ciclo
• Profundidad promedio de la huella (mm)
15n15000i
010i
R ciclos; 1000 los a 15mm def
r-r R ciclos; 1000 los a 15mmefd
==
=<
Se expresa como valor medio de los Ri obtenidos:
R= (R±0.1)mm
40
NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
ANÁLISIS DE RESULTADOS PARÁMETROS
TAM
AÑ
O P
EQU
EÑO
PROCEDIMIENTO B (en aire/ en agua) • Pendiente de ahuellamiento, WTSair/water
[ ] 5
ddWTS ciclos 10mm500010000
water/air 3−
=
donde di: profundidad de la huella a los i ciclos • Pendiente media de ahuellamientoa/w: Es
la media de las WTSair/water • Profundidad de ahuellamiento media
proporcional, PRDair/water: Es el promedio de la profundidad de huella respecto del espesor de 2 o más muestras expresadas en porcentaje ±0,1%, para N ciclos de carga.
• Profundidad de ahuellamiento media, RDair/water(mm):Es el promedio de la profundidad de huella de 2 o más muestras ±0,1mm, para N ciclos de carga
REPORTE DE RESULTADOS
• Tipo y características de la mezcla
• Origen de la mezcla (laboratorio, obra, testigo, etc)
• Temperatura del ensayo • Presión de contacto • Deformación total al final
del ensayo, en mm • Representación gráfica
curva Def. vs tiempo
• Fecha, hora y lugar de toma de muestras y n° de muestra
• Fecha, hora y lugar de ensayo • Densidad de la muestra antes del ensayo • Temperatura de almacenamiento de
muestras(tiempo a que estuvieron a una temperatura dada)
• Temperatura del ensayo • Espesor promedio de la muestra • Velocidad de deformación • Velocidad de deformación corregida • Valores descartados en el cálculo de la media • Profundidad de huella individual y del grupo
INFORMACIÓN OBLIGATORIA Para cada muestra • Identificación de muestra • Densidad de la muestra antes del ensayo,
método de determinación • Temperatura del ensayo • Espesor promedio de la muestra y de capas
que pudieran observarse • N° y fecha de norma • Identificar tamaño de muestra (L, XL, S) y
procedimiento(A, Ba/w). • Condiciones de ensayo y operación no
incluidas en la norma
41
NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
REPORTE DE RESULTADOS
• Velocidad de deformación donde se manifieste el comportamiento de la mezcla, como puede ser:
V30-45; V75-90; V105-120
• Indicar si los rangos de valores de la tasa de deformación superan los límites
• Condiciones de ensayos y operación no incluidas en la norma
• Anomalías que pudieran llegar a afectar los resultados
• Certificado de la muestra • Persona responsable del ensayo • N° y fecha de norma
Muestras preparadas en laboratorio • Identificación de componentes y proporciones
de la mezcla • Método de manufactura de la mezcla y tipo de
mezclador • Método de compactación • Fecha de realización de la probeta • Edad de la muestra al momento de ensayo. • Condiciones de almacenamiento • N° de muestras obtenidas con la misma
mezcla • Muestras caladas del pavimento • Fecha, hora y lugar de calado • Fecha de compactación • Si es o no aceptable la muestra Muestras L, o XL • Profundidad de huella proporcional media,
PDL o PDXL, al n° de ciclos requeridos Muestras S Procedimiento A • Tasa de ahuellamiento de cada probeta
individual, TR • Tasa media de ahuellamiento WTR • Profundidad promedia de la huella, RD, a los
1000 ciclos Procedimiento B (en aire) • Pendiente de ahuellamiento p/ c/ muestra • Pendiente media de ahuellamiento p/ c/ grupo
de 2 o más muestras • Profundidad de ahuellamiento proporcional,
PRDair a los 10000 ciclos, individual
42
NORMA ESPAÑOLA NORMA BRITÁNICA NORMA EUROPEA
REPORTE DE RESULTADOS
• Profundidad de ahuellamiento media proporcional, PRDair a los 10000 ciclos,
• Profundidad de ahuellamiento, RDair, a los 10000 ciclos, individual
• Profundidad de ahuellamiento media, RDair, a los 10000 ciclos
Procedimiento B (en agua) • Pendiente media de ahuellamiento, WTSwater
p/ c/ grupo de 2 o más muestras • Profundidad de ahuellamiento media
proporcional, PRDwater, a los 10000 ciclos, • Profundidad de ahuellamiento media, RDwater,
a los 10000 ciclos INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA • Copia de curvas de ensayo
Parámetro WTR WTRair Tipo muestra unidad laboratorio calada unidad laboratorio calada Result ensayo 2.6 2.2 8.1 13..5 2.1 1.7 6.4 10.7 Repetibilidad 0.6 0.8 3.1 4.0 0.5 0.6 2.5 3.2
Reproductibil [mm/h]
1.2 1.4 5.9 5.7 [µ/ciclo]
1.0 1.1 4.7 4.5 Parámetro PRDL (muestras de laboratorio) N° ciclos unidad 100 1000 10000 30000
Result ensayo 3.5 4.8 6.4 7.0 Repetibilidad 0.76 1.05 1.08 1.11
PREC
ISIÓ
N
Reproductibil
[%]
0.97 1.32 1.20 1.16
Tabla 10: Espesores de probetas en función del tamaño máximo del agregado ESPESOR [cm] 2.5 4 6 8 TAMAÑO MÁXIMO AGREGADO [mm] <8 8≤TMT<16 16≤TMT8≤22 22<TMT≤32
43
En la Tabla 11 se vuelca la comparación de los distintos métodos de compactación requeridos por cada norma. En particular, se destaca que la
norma CEN presenta dichos métodos en dos partes, la Pr EN 12697-32: Compactación en laboratorio con vibratorio y la Pr EN 12697-33:
Especimenes preparados mediante “Roller Compactor". Ésta a su vez plantea 3 variantes más
Tabla 11: Comparación de métodos de compactación de muestras de ensayo
NORMA ESPAÑOLA (NLT – 173/84)
NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33
CANTIDAD DE MASA
S/ VOLUMEN DE MOLDE Y DENSIDAD RELATIVA MARSHALL
M=10-6*L*l*e*ρmax*(100-υ)/100 Donde: L: largo molde l: ancho molde e: espesor probeta ρmax: densidad máxima de la muestra υ: Contenido de vacíos
ÁRIDOS Secado en estufa a 105°C y 110°C de las distintas fracciones componentes MEZCLA COMPACT.
Betún asfáltico 170±20cSt 280±30cSt VISCOSIDAD DEL
LIGANTE (p/ determinar temperatura) Alquitrán 25±3°Engler 25±3°Engler
FABRICACIÓN DE LA MEZCLA
Pesar los áridos, calentarlos a 30°C más que la temperatura de mezclado. Calentar en simultáneo el ligante a la temperatura de mezcla(mantener no más de 1h a esa temperatura). Verter áridos en molde p/ mezcla y mezclar en seco. Cuando alcanza temperatura de mezcla agregar el ligante y mezclar hasta alcanzar mezclado completo y homogéneo(2’ máximo)
S/ norma Pr EN 2697-35
44
NORMA ESPAÑOLA NLT – 173/84
NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33
MÉTODO 1 Ruedas neumáticas
MÉTODO 2 Rodillo liso de acero
MÉTODO 3 Amasado utilizando placas deslizantes
ELEMENTO DE COMPACTACIÓN
• Elemento compactador: placa de acero + 2 vibradores (masa excéntrica:9.5Kg, girando hacia el centro de la placa; velocidad angular: 314 rad/seg; fuerza excéntrica:3KN)
• Collar: 33.8x33.8x5 [cm] • Molde: 30x30x5.1[cm] • Angulares: 2x1.9x2.1 [cm] • Base de compactación: De hormigón,
dimensiones mínimas 60x60x20[cm] • Dispositivos de extensión y enrase: madera y
varillas de acero Ø5mm, chapa de acero
• Aplicación de carga F, ajustable en 1KN±10% a 10KN±5%
• 1 ó más ruedas c/ llantas lisas 400x8
• cilindro metálico liso(Ø40-80cm, e:4-8mm, ancho: l-5mm)
• Velocidad, Vt, de traslación de la rueda adecuada:
20-50 cm/seg±10% • Posicionamiento de
ruedas en los ≠ ejes en ± 2cm
• Operación en modo eje fijo o carga fija
• Espacio para almacenar probeta
• Sistema de elevación de fondo de modo de mantener la superficie a nivel del borde de la superficie del molde
• Aplicación de carga tal que 5
D*lF 102
−≥
l: ancho interno del molde D: Ø rodillo • Collar • Elemento de
compactación (mecánico, manual, de laboratorio)
C. a volumen especificado: • Rodillo más ancho
que el molde • F tal que llegue al
volumen entre 20-50 pasadas
C. a energía controlada • Rodillo de ancho
igual al interno del molde, l, menos 1cm
• Aplicación de carga vertical, F±20%, constante y de magnitud tal que se alcance volumen/densidad entre 10-30 pases
• Collares o placas de base p/ variedad de espesores
• Elemento compactador • Vdespl. = 25±10cm/seg • Tabla p/ apoyar el
molde • Placas de
deslizamiento de acero: longitud: l-(0.2±0.05)cm ancho: (8 a 12)±0.02cm espesor: (1 a 1.5 )±0.01cm • Rodillo de acero de
diámetro tal que permita deslizar s/ las placas, largo ≥ ancho del molde
45
NORMA ESPAÑOLA NORMA EUROPEA Pr EN 12697-33
MÉTODO 1 Ruedas neumáticas
MÉTODO 2 Rodillo liso de acero
MÉTODO 3 Amasado utilizando placas deslizantes
COMPACTACIÓN DE MEZCLA
Calentar molde y collar a 15°C más que la temperatura de compactación. Colocar molde en la base, anclar y colocar el collar. Verter mezcla en el molde a una temperatura como mínimo 10°C más que la de compactación. Distribuir y enrasar. Colocar elemento compactador y compactar durante 75seg. Desmontar el collar y sustituir por los angulares Compactar 3 períodos más de 75seg c/u, girando elemento compactador en 90° respecto a la posición inicial en el mismo sentido y sucesivamente. Compactación correcta: hprobeta = ±2mm respecto borde del molde Enfriar a temperatura ambiente 1 o 2 días antes de ensayarla
Se utiliza 1 rueda p/ muestras (50x18)cm y 2(separadas 18 ±1mm) p/ muestras (60x40)cm, con presiones y cargas determinadas. Modo eje fijo:9 Uso al principio y al final del proceso10 Modo carga cte: 11 Uso durante la parte principal C. a energía especificada: 2 niveles de energía; ligera y pesada C. a contenido de vacíos especificado: Se adapta al método anterior, eligiendo el que de el resultado menor y más cercano a la relación de vacíos buscada, evitando deformaciones en superficie o compactación despareja
Rociar los moldes y el rodillo con silicona o teflón. Compactar en continuo movimiento. C. a energía especificada: Aplicar fuerza constante ±5% si es ≥2KN, hasta el n° de pasadas necesarios. C. a contenido de vacíos especificado: Aplicar fuerza constante ±20% hasta que el rodillo alcance el filo del molde
Se aplica solo a probetas de densidad especificada. Precalentar moldes y placas, posicionar verticalmente las placas sobre la mezcla, comenzar a mover el rodillo o la mesa, aplicar la carga requerida, y mantenerla constante ±20% hasta que el rodillo alcance el filo del molde o se llegue al desplazamiento relativo estimado
9 El eje de la rueda permanece a altura constante respecto al borde del molde en una pasada 10 Puede reemplazarse la compactación final por 4-6 pasadas con el rodillo metálico liso 11 La carga aplicada en la muestra permanece constante durante una pasada
46
1
1.eje de paso de la rueda cargada
Figura 25: Localización de puntos de medición de profundidad para
muestras de tamaño grande
5. EQUIPO DESARROLLADO EN EL LABORATORIO VIAL DEL IMAE
A partir de los estudios de antecedentes, la necesidad de contar con un equipo más para la
caracterización de mezclas asfálticas y la existencia de algunos equipos similares como se
describió en el punto 3.7.8 del presente informe, el Laboratorio Vial del IMAE desarrolló
durante el año 2005 un prototipo del equipo de ensayo del tipo LWT o Ensayo de Rueda Cargada
y una primera experiencia en la determinación de la deformación permanente de mezclas de
concreto asfáltico.
El equipo desarrollado es operado mecánicamente, habiendo sido diseñado, construido y puesto
a punto por el Laboratorio Vial del IMAE. Un esquema del mismo se muestra en la figura Nº
26.
El equipo está compuesto de cinco sistemas principales:
A. Un sistema de aplicación de cargas integrado por:
1. Una mesa de apoyo del sistema de carga construida con perfiles metálicos
2. Una mesa o carro desplazable que permite que la rueda cargada aplique solicitaciones a lo
largo de toda la probeta de mezcla asfáltica. La misma es comandada por la computadora a
través de sensores magnéticos colocados en sus extremos.
3. Una rueda metálica de 20 cm de diámetro recubierta por una cinta de caucho de 10 mm de
espesor con dureza 80 Shore A. Es posible adaptar ruedas de otras dimensiones.
rueda
47
4. Un brazo de palanca con una relación de carga 1:3
5. Pesas metálicas con pesos diferentes que permiten variar la carga aplicada
desplazable movimientosensor de
brazo de palanca
motor
poleas
LVDT
rueda fija
guías de desplazamiento
mesa
muestramovimientosensor de
estáticade cargasistema
puenteP C
sistema decalefacción
temperaturamedición de
control y
Figura 26: Esquema del equipo de rueda cargada del IMAE
Figura 27: Vista general del equipo
48
Figura 28: Vista del sistema de aplicación de cargas
B. Un sistema de medición, compuesto por:
1. Un transductor del tipo LVDT de carrera y sensibilidad establecido al tipo de ensayo. En
general de 25 mm de carrera y sensibilidad 1 micrón adosados al eje de la rueda mediante
soportes especiales.
2. Sensores de desplazamiento de la mesa con el fin de determinar la posición del LVDT
Figura 29: Detalle de la rueda, probeta y el LVDT
49
C. Un sistema de acondicionamiento de la temperatura
1. Un gabinete termostático, construido en perfiles de aluminio, paneles aislantes y puerta con
vidrio doble aislante
2. Dos unidades calefactoras
3. Un equipo de control y medición de la temperatura
4. Una termocupla
D. Un sistema de procesamiento y control, configurado por:
1. Una computadora del tipo PC provista de una placa de adquisición de datos de 12 bits y
10000 conversiones por segundo, con entradas y salidas analógicas y digitales.
2. Un puente de medida, que alimenta a los sensores y entrega a la placa de adquisición de
datos una señal eléctrica proporcional a la magnitud medida
E. Un sistema de compactación dinámica
1. Un molde metálico de 30cm x 30cm x 5 cm de altura con collar de extensión
2. Una zapata de compactación metálica de 15cm x 15cm
3. Un martillo demoledor eléctrico de compactación dinámico con energías por golpe variable.
Figura 30: Equipo de compactación
50
La computadora controla la operación de la mesa desplazable a través de un programa
especialmente desarrollado, el que también realiza la adquisición de las mediciones durante el
ensayo.
Este programa, desarrollado en BASIC, permite adquirir la posición de la rueda respecto a la
probeta y medir en el tiempo la deformación permanente o plástica que sufre la muestra durante
el ensayo.
El programa solicita datos básicos (dimensiones de la probeta, identificación del archivo de
resultados, número de pasadas de la rueda, carga aplicada, etc) y la confirmación de las
constantes de calibración de los sensores a emplear. Durante el ensayo, muestra en pantalla la
evolución de las magnitudes medidas y genera un archivo que puede ser capturado por otros
programas comerciales de graficación o planillas de cálculo para su posterior procesamiento.
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En general los distintos tipos de ensayos de rueda cargada permiten la comparación del
comportamiento de distintas mezclas asfálticas o, para un mismo diseño de mezcla asfáltica, la
incorporación de algún aditivo o el cambio de alguna característica de los materiales
componentes.
Para ello es necesario definir algunos parámetros que permiten llevar a cabo el análisis como se
muestra en el cuadro comparativo de las normas. Pero principalmente, con algunas variantes se
definen los siguientes parámetros:
• Velocidad de deformación: Este parámetro expresa la velocidad con la cual se incrementa
la huella en el tiempo. De acuerdo a la Tabla 9, puede determinarse para diferentes tiempos
del ensayo, a partir de la curva deformación vs tiempo.
mn
mn
ttDDVD
−−
=
Donde:
VD: velocidad de deformación en mm/min
Dn: Profundidad de la huella para el tiempo tn (mm)
Dm: Profundidad de la huella para el tiempo tm (mm)
tn: tiempo de ensayo en minutos para la lectura n
tm: tiempo de ensayo en minutos para la lectura m
51
• Velocidad de deformación media: promedio de las velocidades de deformación obtenidas
para las diferentes muestras de ensayo
∑=i
1media i
VDiVD
donde
VDi: velocidad de deformación de cada una de las muestras en mm/min
i: número de muestras
• Velocidad de deformación media corregida, tanto la norma británica como la europea
corrigen el valor de la velocidad de deformación por lo cambios que pudieran presentarse en
el ancho de rueda y la carga aplicada respecto a los de la norma.
LwVD410VD mediacorregida ⋅⋅= .
donde:
w: ancho de la rueda en mm
L: carga aplicada en N
10.4: 520 N / 50 mm
• Tasa de ahuellamiento: otra forma de considerar la velocidad con que se incrementa la
deformación es el incremento de huella respecto al número de ciclos aplicados, definido
como
mn
mn
NNDDTR
−−
=
Donde:
TR: velocidad de ahuellamiento en µ/ciclos
Dn: Profundidad de la huella para el ciclo n (µ)
Dm: Profundidad de la huella para el ciclo m (µ)
Nn: Número de ciclo de ensayo para la lectura n
Nm: Número de ciclo de ensayo para la lectura m
Ciclo: corresponde a dos pasadas, una de ida y otra de vuelta
• Profundidad de ahuellamiento, de acuerdo a las diferentes normas la duración del ensayo
puede ser 45 minutos, 1000 ciclos o acotarlo a una deformación máxima de 15 mm, por lo
tanto la deformación máxima se establece:
52
en tiempo o Deformación < 15 mm, a los 45 minutos, R= Dfinal –Dinicial
o Deformación = 15 mm, a los 45 minutos, R= 15 mm / t15*45´
en ciclos o Deformación < 15 mm, a los 1000 ciclos, R= Dfinal –Dinicial
o Deformación = 15 mm, a los 1000 ciclos, R= 15 mm / N15*1000
• Estabilidad dinámica, este parámetro indica el número de pasadas de la rueda necesarias para conseguir una profundidad de la huella de 1 mm, siendo una pasada equivalente a un recorrido.
6.1. Resultados de ensayos del tipo WTT
A continuación se presentan diferentes aplicaciones y resultados obtenidos mediante este tipo de
ensayos por investigadores tanto a nivel nacional como internacional así como también
resultados propios.
El Dr. Agnusdei y otros (18) del LEMIT (2004), han presentado resultados obtenidos mediante
el aparato de Hamburgo. Este dispositivo posibilita medir el efecto combinado del ahuellamiento
y los daños causados por el agua a una mezcla asfáltica tipo concreto, sumergida en un baño de
agua que se encuentra a una temperatura de 50 °C. Los resultados publicados se detallan en las
figuras 31 a 34, donde se pone de manifiesto la buena capacidad que tiene este ensayo para
evidenciar el cambio de origen del agregado pétreo o la incorporación de un aditivo como lo es
la cal en un único diseño de mezcla asfáltica.
Profundidad de huella
N° de ciclos de carga
Punto de inflexión
Pendiente de descubrimiento
Pendiente dedeformación
Figura 31: Curva de deformación vs Nº de ciclos – Hamburgo LWT
53
Figura 32: Comparación de una mezcla asfáltica con agregado granítico con y sin
incorporación de cal
Figura 33: Comparación de una mezcla asfáltica con agregado cuarcítico con y sin
incorporación de cal
Figura 34: Comparación de una mezcla asfáltica con agregado basáltico con y sin
incorporación de cal
54
Otros estudios que ha desarrollado la firma REPSOL YPF y LEMIT (33), para el estudio
comparativo del ahuellamiento de distintos tipos de mezclas asfálticas, con sus respectivos
equipos de ensayos (ver punto 3.7.8), han sido la incidencia de diferentes materiales asfálticos en
el comportamiento frente a las deformaciones permanentes de mezclas patrones y la influencia
de los métodos de compactación empleados. En la Tabla 12 y las figuras 35 y 36 se resumen los
resultados obtenidos, mientras que las figuras 37 a 41 muestran la evolución de la deformación
durante el ensayo.
Tabla 12: Comparación del comportamiento de las diferentes mezclas analizadas
Tipo de mezcla Parámetros de medición Método por
amasado
Método por
vibración
Velocidad de deformación (mm/min) 0.014 0.022
Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 3000 1891 Mezcla Densa
Profundidad total de la huella (mm) 2.2 4.9
Velocidad de deformación (mm/min) 0.002 0.0128
Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 21000 3259 SMA – 19
Profundidad total de la huella (mm) 0.82 1.6
Velocidad de deformación (mm/min) 0.002 0.0039
Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 21000 10768 Micro-aglomerado F-10
(ligante AM3) Profundidad total de la huella (mm) 1.10 1.7
Velocidad de deformación (mm/min) 0.0073 0.006
Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 5727 7000 Mezcla semi-densa S-20
(ligante convencional 50-60). Profundidad total de la huella (mm) 1.65 3.08
Velocidad de deformación (mm/min) 0.0033 0.0066
Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 12600 6300 Mezcla semi-densa S-20
(ligante modificado AM-3 Profundidad total de la huella (mm) 1.23 1.68
Velocidad de deformación (mm/min) 0.0106 0.0173
Estabilidad dinámica (pasadas/mm) 3937 2423
Mezcla semi-densa
S-20
(ligante modificado AM-2). Profundidad total de la huella (mm) 1.74 2.52
55
0
1
2
3
4
5
MezclaDensa
SMA - 19 F-10 (AM 3) S-20 (50-60) S-20 (AM-3) S-20 (AM-2)
Def
orm
ació
n (m
m)
C -Amasado C - Vibración
Figura 35: Comparación de las deformaciones permanentes
0
0.01
0.02
0.03
MezclaDensa
SMA - 19 F-10 (AM 3) S-20 (50-60) S-20 (AM-3) S-20 (AM-2)
Vel
ocid
ad d
e de
f. (m
m/m
in) C -Amasado C - Vibración
Figura 36: Comparación de las velocidades de deformaciones permanentes
WHEEL TRACKING. MEZCLA DENSA
0 1 2 3 4 5 6
0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (minutos)
Def
orm
ació
n (m
m)
método por vibración método por amasado
Figura 37: Mezcla densa
56
WHEEL TRACKING SMA
0
1
2
3
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (minutos)
Def
orm
ació
n (m
m)
Método por amasado Método por vibración
Figura 38: Mezcla SMA -19
WHEEL TRACKING F-10
0
1
2
3
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (minutos)
Def
orm
ació
n (m
m)
Método por amasado método por vibración
Figura 39: Micro-aglomerado F-10
WHEEL TRACKING. S-20 (AM-3)
0
1
2
3
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (minutos)
Def
orm
ació
n (m
m)
método por amasado método por vibración
Figura 40: Mezcla semi-densa con ligante modificado AM-3
57
WHEEL TRACKING. S-20 (AM-2)
0
1
2
3
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (minutos)
Def
orm
ació
n (m
m)
método por amasado método por vibración
Figura 41: Mezcla semi-densa con ligante modificado AM-2
Se evidencia en este estudio que el análisis de resultados que se puede realizar es sólo relativo o
comparativo entre las distintas mezclas. Es imposible obtener un valor absoluto que indique cual
será el ahuellamiento medido ya que el sólo hecho de cambiar la técnica de preparación de los
especimenes de ensayo hace que este valor cambie y no sea único para cada mezcla estudiada
(figura 35 y 36).
En 2003, Brian D. Prowell, muestra algunos resultados obtenidos a través del APA para mezclas
con asfaltos con distintos grados de perfomance (PG) y para una temperatura de ensayo de 50ºC,
(figura 42) y a su vez compara resultados obtenidos in situ con los de laboratorio (figura 43).
50ºC
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ciclos de carga
Ahu
ella
mie
nto
[mm
]
PG 70-22 PG 64-22 SBS 76-22 Airblown 76-22
Figura 42: Estudio efectuado por Brian D. Prowell (27)
58
A partir de estudios efectuados con diferentes técnicas de ensayos para predecir la deformación
permanente o ahuellamiento en mezclas asfálticas concluye que ninguno ha demostrado tener la
habilidad para predecir e identificar el comportamiento a deformaciones plásticas para un rango
amplio de mezclas y climas, siendo Repeated Load Creep Test el más promisorio.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20 25
APA: ahuellamiento a 8000ciclos [mm]
Wes
trac
k: a
huel
lam
ien
to lu
ego
de
582
.000
cic
los
ESA
Ls [
mm
]
Ahuellamiento de toda la estructura Ahuellamiento de la capa de mezcla asfáltica
Figura 43: Estudio comparativo entre ensayos de laboratorio con el APA y mediciones
realizadas in situ en el ensayo de pista Westrack, efectuado por Brian D. Prowell (27)
Colley y Kandall (12), comparan los resultados obtenidos con el equipo APA con los que se
obtienen de los ensayos fundamentales RLCC (Repeated Load Confined Creep test: Ensayo de
creep de carga repetida, confinado) y el RSCH (Repeated Shear at Constant Height: Ensayo de
corte a altura constante) con el fin de investigar la respuesta de los diferentes ensayos. En la
figura 43 se observa que los valores de profundidad de huella en el APA tienen la misma
tendencia que las deformaciones obtenidas de los ensayos fundamentales, las correlaciones
encontradas son 68 % y 52 % respectivamente para cada uno de ellos.
Además en base a antecedentes bibliográficos se pueden adoptar como límites aceptables 2-3%
de deformación para el ensayo RLCC y 10-13% para el ensayo RSCH, para esperar un buen
comportamiento de las mezclas al ahuellamiento, y si se lo superpone a la gráfica, se puede
deducir que la profundidad máxima de huella admisible en el APA está en el rango de 8.2 a 11.0
mm. Por lo tanto han adoptado un valor conservativo crítico máximo de 8 mm.
59
y = 0.3658x - 1.0165R2 = 0.6844
y = 2.1141x - 7.0558R2 = 0.5257
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
APA: Profundidad de huella [mm]
RSC
H D
efor
ma
ció
n po
r co
rte
[%]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
RLC
C Defo
rmación
Permanen
te [%
]
Lineal (Deformación RLCC ) Lineal (Deformación RSCH)
Figura 44: Resultados de APA vs RSCH y RLCC
Gary Fitts del Instituto del Asfalto de EEUU (14), presenta algunos resultados obtenidos en el
Hamburg wheel – tracking device (HWTD) para 20000 pasadas. En la figura 45 se muestran los
valores de deformación de una mezcla asfáltica con agregado calcáreo y con un ligante asfáltico
con PG 76-22. Sobre la misma se estudia la aptitud a la deformación plástica que resulta de la
incorporación de distintos porcentajes de cal o el uso un aditivo líquido especial. Los valores de
la huella en laboratorio son comparados con un límite especificado considerado como máximo
admisible. Como se dijo anteriormente se ve que este ensayo es apropiado para poner en
evidencia las mejoras que aportan los aditivos a las mezclas asfálticas.
Límite especificado
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
sin aditivo 1% cal 2% cal 0.5%HP (antistrip)
Prof
undi
dad
de h
uel
la [
mm
]
Figura 45: Estudio de la influencia de aditivos (14)
60
Richard D. Barksdale et al (35) desarrolla en 1993 un equipo de ensayo para evaluar el
ahuellamiento en mezclas asfálticas denominado Georgia DOT LWT. Dentro de los resultados
que muestra se destaca (figura 46) la medición del ahuellamiento transversal tomados en la parte
central de una probeta ensayada mediante el aparato Georgia DOT LWT. Dichas medidas son
obtenidas utilizando una plantilla, diseñada con una serie de ranuras y perfectamente ubicada en
la probeta, de modo que mediante un flexímetro es posible determinar la profundidad de huella a
lo largo de toda y cada una de dichas ranuras. El valor de ahuellamiento final corresponde al
mayor de los obtenidos para cada una de ellas. La figura 46 muestra como varía la profundidad
con el número de ciclos. Las diferencias de los valores encontrados, o sea la irregularidad de la
deformación, el autor la asocia a la presencia de los agregados.
La Tabla 13 expresa un resumen de mediciones de profundidad de ahuellamiento para muestras
de mezclas asfálticas de laboratorio y obtenidas del pavimento empleando el ensayo Georgia.
Tabla 13: Resultados obtenidos en Georgia Institute of Technology
TIPO DE MEZCLA AHUELLAMIENTO
PROMEDIO (mm)
RANGO DE VARIACIÓN
(mm
DESVÍO ESTÁNDAR
Mezclas base Laboratorio (DOT Standard -39 muestras) 5.33 2.29 – 8.64 1.78
Probeta calada (coarse -32 muestras) 4.06 1.78 – 7.11 1.52
Mezclas “binder” Laboratorio (DOT Standard -35 muestras) 6.10 2.29 – 10.16 2.29
Probeta calada (coarse -39 muestras) 5.33 2.29 – 8.64 1.78
Mezclas superficiales Laboratorio (DOT Standard -15 muestras) 7.62 3.30 – 11.18 2.79
Probeta calada (coarse -14 muestras) 6.35 2.79 – 8.38 1.78
61
Plano de referencia
0.00
0.03
0.05
0.08
0.10
0.13
0.15
0.18
0.20
3 4 5 6 7 8 9 10
Distancia [0.1 in]
Ah
uel
lam
ien
to [
in]
500 ciclos 1000 ciclos 2000 ciclos 8000 ciclos
Figura 46: Estudio de la deformación transversal en la probeta de ensayo
6.2. Primeros resultados del equipo del Laboratorio Vial del IMAE
A continuación se presentan los primeros resultados obtenidos con el equipo Wheel Tracking desarrollado en el Laboratorio Vial IMAE. Sobre una mezcla de concreto asfáltico en caliente convencional se realizaron ensayos para una misma temperatura y distintas condiciones de carga, que se detallan en la Tabla 14, mientras que en las figuras 47 y 48, se muestra el comportamiento de la mezcla al cabo de 1000 ciclos de carga con una frecuencia de ensayo de 21 ciclos por minuto. Particularmente es interesante observar la variación de la deformación a lo largo de la circulación de la rueda. Se ve que las deformaciones no son homogeneas, dependiendo de la distribución de los agregados y que deformación máxima no ocurrió en el centro de la probeta que es donde las normas indican que es el lugar donde se debe medir.
Tabla 14: Condiciones de ensayo
PROBETA 1 PROBETA 2 Tipo Mezcla convencional convencional
Temperatura de ensayo 60ºC 60ºC Carga aplicada 520 N 700N
Duración del ensayo 1000 ciclos 1000 ciclos
62
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
0 200 400 600 800 1000
Nº de ciclos de carga
Ahu
ella
mie
nto
[mm
]
520 N 700 NL ít i (520 N) L ít i (700 N)
Figura 47 Deformaciones en el centro de la probeta
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
-120 -60 0 60 120Posición eje longitudinal [mm]
pro
fun
dida
d de
hue
lla [
mm
]
100 ciclos 500 ciclos 1000 ciclos
Carga: 520N
Figura 48 Perfil longitudinal de la huella a los 100, 500 y 1000 ciclos, con 520N
63
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
-120 -60 0 60 120Posición eje longitudinal [mm]
prof
undi
dad
de h
uella
[mm
]
100 ciclos 500 ciclos 1000 ciclos
Carga: 700N
Figura 49 Perfil longitudinal de la huella a los 100, 500 y 1000 ciclos, con 700N
A modo de ejercicio académico se procede a determinar los diferentes parámetros que solicitan las normas analizadas, con el sólo objetivo de mostrar lo dificultoso que es comparar los resultados obtenidos y la necesidad de armonizar las mismas, o bien el planteo de una norma IRAM que regule el desarrollo del ensayo en la Argentina y compatibilice los equipos en nuestro país. Las Tablas 15 a 17 indican los valores de los distintos parámetros de evaluación determinados por las normas española, británica y la nueva europea.
Tabla 15 Norma Española: NLT 173/84
Carga aplicada 520 N 700 N Profundidad de huella a los 50’ [mm] 1.857 2.399
Intervalo [50-35] 18.91 22.35 Intervalo [45-30] 5.16 18.91 Velocidad de deformación
[10-3mm/min] Intervalo [40-25] 12.04 7.74 Profundidad de huella: Lectura fina l(50’)-lectura inicial Velocidad de deformación: (L50-L35)/(50-35)*1000
Tabla 16 Norma Británica: BS 598 Part 110
Carga aplicada 520 N 700 N Profundidad de huella a los 45’[mm] 1.805 2.308 Velocidad de deformación [mm/h], TR9 0.464 1.13
Profundidad de huella: Lectura final (45’)-lectura inicial Velocidad de deformación: 3.6*(L45’-L30’)+1.2*(L40’-L35’)
64
Tabla 17 Norma Europea: CEN 12697-22: 2003 Procedimiento A
Carga aplicada 520 N 700 N Profundidad de huella a los 1000 ciclos [mm] 1.947 2.321
Tasa de ahuellamiento [µ/ciclo], TR10 0.315 0.446 Profundidad de huella: Lectura final (1000ciclos)-lectura inicial Tasa de ahuellamiento: 3*(L1000-L700)+(L900-L800) NOTA: Se tomó como lectura inicial para todos los cálculos el primer dato provisto por el software.
7. CONCLUSIONES
En el presente reporte técnico se ha realizado un enfoque de los principales conceptos que rigen
el comportamiento de la deformación plástica de las mezclas asfálticas, así como la descripción
de las principales técnicas experimentales que se usan a nivel internacional y nacional
Se ha hecho el análisis comparativo de las normas española, británica y europea para llevar a
cabo el ensayo de pista con rueda cargada en laboratorio o Load Wheel Tracking Test, señalando
las principales diferencias en las características de los equipos usados, las propiedades físicas de
las muestras, forma de fabricación de las mismas, formas de solicitación (carga y temperatura) y
análisis de resultados.
Se presentan algunos de los principales resultados publicados así como los avances realizados
en nuestro país por los laboratorios de ensayos viales del LEMIT, REPSOL-YPF y propios.
Se presenta el equipo de Wheel Tracking Test desarrollado, construido y puesto a punto en el
Laboratorio Vial del IMAE, así como los primeros resultados obtenidos.
Se considera que siendo este el tercer equipo en funcionamiento en el país, su aporte al
laboratorio vial del IMAE va a repercutir positivamente en la investigación del comportamiento
de las mezclas asfálticas, la transferencia de tecnología al medio y en la docencia tanto de grado
como posgrado.
Se pone de manifiesto la necesidad de compatibilizar y armonizar la forma de trabajo en la
determinación de la deformación permanente a través de ensayos Wheel Tracking Test en
nuestro país, proponiéndose un “Interlaboratorio” entre los diferentes laboratorios que poseen el
ensayo en funcionamiento y los que los están poniendo a punto como los laboratorios LAPIV
65
(Universidad Nacional de La Plata) y LEMAC (Universidad Tecnológica Regional de La Plata),
con el fin de llegar a proponer una norma nacional.
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