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8/6/2019 ad Marshall

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Captulo 4 Metodologa y trabajos realizados

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Captulo 4

METODOLOGA Y TRABAJOS REALIZADOS

4.1. METODOLOGA

En el presente captulo se pretende realizar una completa descripcin del procedimiento detrabajo llevado a cabo durante la ejecucin de la tesina Estudio de la tenacidad de losmicroaglomerados reciclados en caliente. Efecto del tipo y contenido de betn. Para ello,se tendr en cuenta el proceso de seleccin del material a utilizar, las prcticas o ensayosde laboratorio realizados y el anlisis de los resultados obtenidos, aunque estos ltimossern a la vez objeto de un captulo adicional.

Como ya se ha esbozado en captulos anteriores, el objetivo de este trabajo tiene que vercon la necesidad de dar una mayor reutilizacin a los materiales que proceden del fresadode pavimentos de carreteras, que ya han estado en servicio y que por una u otracircunstancia han sufrido una degradacin de sus caractersticas principales, en la

fabricacin de mezclas bituminosas discontinuas en caliente para capas de rodadura.

Por otro lado, se encuentra la preocupacin medioambiental que permite dar gran validez aeste tipo de metodologas ya que, aplicadas correctamente, revierten grandes beneficios dediferentes tipos a la sociedad.

Finalmente y como primordial objetivo, se pretende determinar la influencia del contenidode RAP, tipo de betn y porcentaje del mismo, con presencia o no de agentesrejuvenecedores, sobre las propiedades fundamentales de los microaglomerados.

De acuerdo a lo descrito en los prrafos anteriores y para lograr un desarrollo adecuado del

presente estudio, se tendrn en cuenta las siguientes propiedades de los microaglomeradosreciclados:

Estabilidad: La estabilidad es una propiedad fundamental de una mezcla y nos indicala capacidad de sta a resistir las solicitaciones del trfico sin deformarse. Este fallosuele producirse en mezclas con exceso de ligante y con exposicin a altastemperaturas. En el caso de mezclas fabricadas con RAP, uno de los problemas que

pueden presentarse es la acumulacin excesiva de ligante que pueda dar lugar a unabaja estabilidad. Es por ello que uno de los principales parmetros a considerar es lainfluencia del contenido de RAP y de betn en la estabilidad del material fabricado.

Para evaluar la estabilidad del nuevo producto se ha empleado el ensayo Marshall,ensayando las probetas a una temperatura de 60C.


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Resistencia y tenacidad: La resistencia y tenacidad son propiedades caractersticas delos materiales asflticos. En estos casos, su rotura no se produce de forma frgil sinocon una gran deformacin y absorbiendo mucha energa una vez se ha iniciado el

proceso de rotura (tenacidad). A medida que la mezcla va envejeciendo, se vahaciendo ms frgil y va perdiendo estas propiedades. Por ello, se ha querido analizarel efecto del contenido de RAP sobre la resistencia y tenacidad del nuevomicroaglomerado fabricado, estudiando tambin el efecto del tipo y porcentaje de

betn aadido.

Para el estudio de esta propiedad se ha empleado el ensayo BTD a traccin directa,ensayando las probetas a una temperatura de 20C.

Resistencia a las deformaciones plsticas: Debido al comportamientoviscoelastoplstico de las mezclas bituminosas, el paso de las cargas va produciendouna acumulacin de deformaciones de tipo plstico, especialmente en condiciones dealtas temperaturas o bajas velocidades. Si la mezcla no tiene unas caractersticasreolgicas adecuadas, puede darse incluso una verdadera fluencia del material sobretodo en los microaglomerados, debido a que van a ser empleados bajo trafico pesadoen capa de rodadura. Este fenmeno tiene su manifestacin ms tpica en lasdenominadas roderas, deformaciones plsticas longitudinales que se pueden llegar a

producir en determinadas mezclas en las zonas de rodada de los vehculos pesados.

Para el estudio de esta propiedad se ha empleado el ensayo de pista de laboratorio,ensayando las probetas a una temperatura de 60C.

De acuerdo con los objetivos de esta tesina y con los parmetros a determinar para uncorrecto anlisis del empleo de material fresado de pavimentos en la fabricacin demicroaglomerados en caliente y su posterior caracterizacin frente a las propiedadesanteriormente descritas, se han escogido como ensayos de trabajo los ensayos Marshall,traccin directa BTD y pista de laboratorio. En los apartados siguientes se encuentra unadescripcin de dichos ensayos y en el anexo 1 el procedimiento de trabajo detallado paracada uno de ellos, as como un juego de fotografas que describen grficamente estos

procesos.

4.2. ENSAYO MARSHALL4.2.1. IntroduccinEl concepto del mtodo de diseo de mezclas bituminosas fue desarrollado por BruceMarshall en el Departamento de Carreteras del Estado de Mississipi, en Estados Unidos.En su forma actual, este ensayo surgi de una investigacin iniciada por el cuerpo deingenieros del ejrcito de los Estados Unidos en 1943 en la bsqueda de un mtodo dediseo y control de pistas de aeropuertos durante la Segunda Guerra Mundial. El cuerpo deingenieros decidi adoptar el Mtodo Marshall debido en parte a que utilizaba un equipo

de fcil manejo, porttil y que poda utilizarse rpidamente en obra. Se realizaron muchostramos de prueba haciendo servir un trfico simulado para determinar el comportamientode las mezclas variando su composicin y para establecer la energa de compactacinnecesaria al fabricar las probetas con densidad similar a la obtenida en obra. [1]


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El propsito del mtodo de dosificacin Marshall es determinar el contenido ptimo de betn para una combinacin especfica de ridos. Se trata de un ensayo mecnico queconsiste en romper probetas cilndricas de 101,6 mm de dimetro por 63,5 mm de altura

preparadas como se describe en el anexo 1 y compactadas mediante un martillo de peso yaltura de cada normalizados. [18] Posteriormente se calientan a una temperatura de 60C yse rompen en la prensa Marshall mediante la aplicacin de una carga vertical a travs deuna mordaza perimetral (Figura 4.1) y una velocidad de deformacin constante de 50,8mm/min para determinar su estabilidad y deformacin. Este mtodo establece densidades ycontenidos ptimos de huecos que se han de cumplir durante la construccin del

pavimento.

Figura 4.1Probeta rodeada por las mordazas de la prensa Marshall

Fuente: Roca, 2000

Es importante saber que este ensayo es uno de los ms conocidos y utilizados tanto para ladosificacin de mezclas bituminosas como para su control en planta mediante la

verificacin de los parmetros de diseo de las muestras tomadas.En Espaa este ensayo se utiliza en la formulacin de mezclas bituminosas densas,semidensas y gruesas. No se aplica en mezclas abiertas pues resulta insensible paradetectar el efecto que el ligante tiene sobre el comportamiento de la mezcla. Tampoco esadecuado para la caracterizacin de mezclas de elevado ngulo de rozamiento interno ymstico poco consistente.

4.2.2. Descripcin del mtodo de ensayo

A continuacin se describe el procedimiento que debe seguirse para la determinacin de laresistencia a la deformacin plstica de las mezclas bituminosas empleando el aparatoMarshall, pudindose emplear tanto para el proyecto de mezclas en el laboratorio como

para el posterior control en obra de las mismas. El procedimiento general es de aplicacin a


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todas las mezclas bituminosas fabricadas en caliente con tamao mximo de ridos de 25mm en las que el aglomerante sea un betn de petrleo o un alquitrn. Puede aplicarsetambin a las mezclas fabricadas en fro aunque con unas adaptaciones especficas a estetipo de mezclas.

El ensayo Marshall permite la obtencin de valores de estabilidad y deformacin tanto detestigos extrados de un pavimento como de probetas fabricadas por otros mtodos decompactacin (Figura 4.2). El procedimiento es tambin aplicable al proyecto de mezclasen laboratorio mediante el mtodo Marshall, para lo cual se fabrican y ensayan series de

probetas anlogas con porcentajes crecientes de ligante, calculando sus densidadesrelativas y contenido de huecos. A partir de estos resultados, se puede determinar cul debeser el contenido ptimo de ligante de una mezcla de ridos de composicin y granulometradeterminadas.

Figura 4.2Estabilidad y deformacin en el ensayo Marshall

Fuente: CEDEX, 1986

Dentro del ensayo Marshall, se manejan cierto tipo de propiedades mecnicas entre lascuales se encuentran las siguientes: [18]

Estabilidad Marshall: Se entiende por estabilidad Marshall la carga mximaresistida por una probeta multiplicada por un factor de correccin que se aplica deacuerdo con la altura de la probeta antes de ser ensayada (Tabla 4.1).

Deformacin Marshall: Se define como deformacin Marshall la disminucin deldimetro expresado en mm que experimenta una probeta entre el comienzo deaplicacin de carga y el instante de rotura.


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Tabla 4.1Factor de correccin de la estabilidad Marshall

VOLUMEN DE LAMUESTRA EN cm3

ESPESOR APROXIMADOMUESTRA EN mm

FACTOR DECORRECCIN

200-213 25.4 5.56214-225 26.9 5.00226-237 28.6 4.55238-250 30.2 4.17251-264 31.8 3.85265-276 33.3 3.57277-289 34.9 3.33290-301 36.5 3.03

302-316 38.1 2.78317-328 39.7 2.50329-340 41.3 2.27341-353 42.9 2.08354-367 44.5 1.92368-379 46.0 1.79380-392 47.6 1.67393-405 49.2 1.56406-420 50.8 1.47421-431 52.4 1.39432-443 54.0 1.32

444-456 55.6 1.25457-470 57.2 1.19471-482 58.7 1.14483-495 60.3 1.09496-508 61.9 1.04509-522 63.5 1.00523-535 65.1 0.93536-546 66.7 0.93547-559 68.3 0.89560-573 69.9 0.86

574-585 71.5 0.83586-598 73.0 0.81599-610 74.6 0.78611-625 76.2 0.76

Fuente: CEDEX, 1986

Densidad Relativa: La densidad relativa de una mezcla es la relacin existenteentre la masa en el aire de un volumen dado de un material permeable a unatemperatura dada y la masa a la misma temperatura de un volumen igual de aguadestilada. [19] Puede calcularse mediante la siguiente expresin:

CB

ADRA

=


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donde:

DRA = Densidad relativa aparente (superficie saturada seca)A = Masa en gramos muestra seca, pesada en aire.

B = Masa en gramos muestra saturada superficie seca, pesada en aire.C = Masa en gramos muestra saturada, pesada en agua.

4.3. ENSAYO BTD (BARCELONA TRACCIN DIRECTA)

4.3.1. Introduccin

La dificultad de la realizacin de un mtodo para la determinacin de la resistencia atraccin de una forma no indirecta es subsanada mediante el ensayo BTD o BarcelonaTraccin Directa. Este ensayo ha sido diseado y desarrollado plenamente en el

Laboratorio de Caminos de la Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Caminos de laUniversidad Politcnica de Catalua y fue propuesto inicialmente para el estudio de capasantifisuras. [20]

Se trata de un ensayo a traccin sobre probetas especialmente diseadas con la finalidadprincipal de caracterizar mezclas asflticas respecto a sus propiedades de fractura, entre lasque se encuentran la resistencia a traccin, energa especfica de fractura, ndice de rigideza traccin y desplazamiento de rotura total. Permite estudiar la influencia de componentesde una mezcla tal como la granulometra, el ligante, el aditivo y el filler en las propiedadesmecnicas de las mismas.

4.3.2. Preparacin de las probetas

La elaboracin de las probetas del ensayo BTD incluye como principal novedad, conrespecto al ensayo Marshall, la incorporacin de dos semicrculos metlicos con unaentalladura diametral que servirn de base a la probeta para facilitar la aplicacin directa dela carga a traccin en una parte de la misma paralela a esta base. Durante el ensayo,realizado a velocidad de desplazamiento constante, se va produciendo la apertura de laentalladura, lo que provoca la fisuracin de la probeta. La representacin grfica de lacarga necesaria para provocar la rotura y la posterior progresin de la fisura a travs de lamezcla permite valorar la tenacidad de la mezcla ensayada. Las figuras 4.3 y 4.4 muestran

la configuracin geomtrica de las probetas y las pletinas en este ensayo.

Figura 4.3Probeta cilndrica entallada BTD

Fuente: Fonseca, 1995


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Figura 4.4Pletina semicircular de la probeta entallada BTD


Las probetas se fabrican segn el mtodo Marshall pero con ciertas salvedades debido a lainnovacin introducida en el diseo de las mismas. El proceso se desarrolla de la siguiente

manera:- Preparacin de la mezcla asfltica en caliente. Las probetas se fabrican

individualmente, pesando en un recipiente las cantidades necesarias de cadafraccin salvo el filler. Se calienta por un lado la mezcla de ridos y por otro elligante a una temperatura de 150C. A continuacin se procede al mezclado deridos y ligante a dicha temperatura con la posterior incorporacin del filler. Eltiempo de mezclado debe ser lo ms breve posible para conseguir una completa yhomognea cubricin de todas las partculas.

- Previamente a la preparacin de las mezclas se calientan el conjunto del collar,molde, placa de base y pletinas a 150C. Posteriormente se colocan los 2semicrculos sobre la base del molde Marshall y se construye el grupo molde-semicrculos junto con la placa de base (Figura 4.5 a y b).

- Seguidamente se introduce la mezcla asfltica en caliente en el interior del molde yse aplican 25 piconazos a toda la seccin para obtener un compactado lo mshomogneo posible y eliminar la posibilidad de huecos de construccin en las

proximidades de la entalladura.

- A continuacin se procede a la compactacin aplicando 50 golpes con el martilloMarshall nicamente por la cara superior de la probeta (Figura 4.5 c y d).

- Finalmente se desmolda la probeta mediante un gato hidrulico una vez se hayarecuperado la temperatura ambiente y ya queda preparada para ensayarla al dasiguiente de la fabricacin.


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Figura 4.5Preparacin y fabricacin de la probeta BTD


4.3.3. Procedimiento de ensayo

El ensayo BTD consiste en la aplicacin de un desplazamiento monotnico con unavelocidad de aplicacin de 1mm/minuto hasta llegar al fallo de la probeta. Se toma como

criterio de fallo al instante en el que se registra carga cero o de desplazamiento de roturatotal de la probeta. Tanto la carga (P) como el desplazamiento ( ) son medidos en lamisma direccin.

El ensayo se realiza a la temperatura programada para el diseo en cuestin (en el caso deesta tesina 20 C) y la duracin del mismo depende del tipo de material a ensayar oscilandoentre 5 y 10 minutos; si es un material de fractura frgil, el ensayo durar alrededor de los5 minutos y si es de fractura dctil puede llegar hasta los 10 minutos. [20]

Durante el ensayo, se va produciendo la apertura de la entalladura de la probeta lo que provoca la fisuracin de la misma, registrndose el esfuerzo de traccin aplicado y laapertura de la entalladura. La curva carga-desplazamiento obtenida es utilizada para extraerlas diferentes propiedades de traccin en las mezclas a analizar, entre las cuales destacanlas siguientes: [20]

Energa especfica de fractura (Gf): la energa especfica de fractura se definecomo el trabajo realizado dividido entre el rea agrietada de la probeta, es decir, elrea bajo la curva carga-desplazamiento (Figura 4.6) dividida entre el reaagrietada (Figura 4.7). Para su clculo se puede utilizar la siguiente ecuacin:

DH

dP

G

mx

f

=

0

)(

(ecuacin 4.1)


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Figura 4.6Curva carga-desplazamiento resultante del ensayo BTD

P

Pmx

Pmx /2

mx

dP0

)(

m mx

Fuente: Elaboracin propia

Figura 4.7Seccin transversal de la probeta cilndrica entallada BTD

H

a

a

D = dimetro

Dimensiones: D = 101,4 mm a = 20 mm H = 35 2mm

Fuente: Elaboracin propia


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4.3. ENSAYO DE PISTA DE LABORATORIO4.3.1. Introduccin

El estudio de las deformaciones plsticas suele completarse en Espaa con el ensayo de pista de laboratorio. Este ensayo presenta mayor sensibilidad que el ensayo Marshall ypermite considerar el efecto de postcompactacin producida por el trfico, fenmeno queafecta a la estabilidad al aumentar el porcentaje de huecos rellenos por el ligante.

El ensayo consiste en someter a una probeta de la mezcla bituminosa al paso alternativo deuna rueda en condiciones determinadas de presin y temperatura, midindose

peridicamente la profundidad de la deformacin producida.

4.3.2. Preparacin de las probetas

En primer lugar, basndose en el volumen del molde y en la densidad relativa Marshall dela mezcla, se determina la cantidad de material necesaria para cada probeta. Acontinuacin, se pesan las cantidades determinadas de cada fraccin de rido necesarias

para la fabricacin de una probeta, previo secado completo en estufa a una temperatura de105 a 110C. La masa total de ridos se calienta en estufa a una temperatura superior a30C con respecto a la temperatura de mezclado (funcin de la viscosidad del ligante),calentndose de la misma manera el ligante a emplear. Seguidamente, se realiza un primermezclado en seco de los ridos y se aade el ligante, mezclando el conjunto hasta obteneruna mezcla completa y homognea (sin sobrepasar los dos minutos de mezclado).

Una vez enrasada la mezcla, se puede realizar la compactacin de la misma. sta se realizadentro de los moldes mediante una placa de acero sobre la que van montados dosvibradores iguales (Figuras 4.8 y 4.9).

Figura 4.8Molde del ensayo de pista

Fuente: CEDEX, 1984


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Son necesarios cuatro periodos de compactacin de 75 segundos cada uno realizadosgirando el dispositivo compactador, en el mismo sentido y sucesivamente, 90 gradosrespecto a la posicin inicial. La probeta as obtenida se deja enfriar a temperaturaambiente durante un periodo de 12 a 24 horas antes de su ensayo.

Figura 4.9Esquema del elemento compactador en el ensayo de pista

Fuente: CEDEX, 1984

4.3.3. Procedimiento de ensayo

El ensayo se realiza a una temperatura de 60C y una presin de contacto de la rueda de900 kN/m2. La mquina de ensayo consiste en un carretn mvil de forma rectangularsoportado por un sistema horizontal-vertical de ruedas metlicas capaces de deslizar sobreunos perfiles de apoyo. [21] El carretn va unido a un motor-reductor que produce, al estar

en funcionamiento, un movimiento alternativo de vaivn. Por encima de este carretn, vasituada la rueda de ensayo montada en un brazo sustentador. Uno de los extremos del brazova unido a un soporte rgido de la mquina y el otro extremo permanece libre y provisto deun dispositivo para colocar las pesas que producen las diferentes cargas sobre la rueda. En


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el caso del dispositivo espaol, la rueda es metlica y con una banda de rodadura de gomamaciza de caractersticas fijas (Figura 4.10).

Figura 4.10Mquina del ensayo de pista

Fuente: CEDEX, 1984

Antes de empezar el ensayo, las probetas se introducen en una estufa durante cuatro horascomo mnimo a una temperatura de 60C. Dos horas antes del ensayo, se conecta tambinel sistema de calentamiento de la cmara termostatizada. El ensayo propiamente dichoempieza con tres pasadas completas de rueda para conseguir un asentamiento de la mismasobre la probeta, siendo la duracin total del ensayo de 120 minutos sin interrupciones.

Durante el transcurso del ensayo, se determinan las deformaciones totales de la probeta enlos minutos 1, 3 y 5; a continuacin cada 5 minutos hasta completar los primeros 45minutos y finalmente cada 15 minutos hasta el final del ensayo.

Ensayadas todas las probetas de una serie, se puede dibujar la curva de deformacin de la

mezcla y determinar la velocidad media de deformacin. En la Tabla 4.2 se recogen losvalores lmites de esta velocidad de deformacin (m/min) para las mezclas bituminosasdiscontinuas en caliente situadas en capa de rodadura. Estos valores servirn para aceptaro rechazar la mezcla estudiada.


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Tabla 4.2Valores lmite de velocidad de deformacin en ensayo de pista

Zona trmica estivalCategora detrfico pesado Clida Media Templada

T00 a T2 12 12 15T3, T4 y arcenes 15 15 -

Fuente: Ministerio de Fomento, OC 5/2001

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