Ahuellamiento y fatiga en mezclas asfálticaseditorial.udistrital.edu.co/contenido/c-8.pdf ·...

Ahuellamiento y fatiga en mezclas asfálticas

Ahuellamiento.indd 3 30/04/2012 10:14:14 p.m.


Hugo Alexánder Rondón QuintanaFredy Alberto Reyes LizcanoLaura Ángela González Ortiz

Sergio Eduardo Vásquez Ardila


Todos los derechos reservados. Esta obra no puede ser reproducida sin el permiso previo escrito del Fondo de Publicaciones de la Universidad Distrital.Hecho en Colombia.

Ahuellamiento y fatiga en mezclas asfálticas / Hugo A. Rondón Quintana ... [et al.]. -- Bogotá : Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Ecoe Ediciones Ltda. 2012. 217 p. ; cm. ISBN 978-958-8723-53-2 1. Asfalto 2. Asfalto - Mezclas 3. Resistencia de materiales 4. Materiales pétreos I. Rondón Quintana, Hugo A. II. Tít.625.85 cd 21 ed.A1336333

CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Ángel Arango

ISBN: 978-958-8723-53-2Primera edición: abril de 2012

Dirección Sección de Publicaciones Dirección Ecoe Ediciones Rubén Eliécer Carvajalino C. Álvaro Carvajal Coordinación editorial Coordinación editorial Matilde Salazar Ospina Alexander Acosta Quintero Irina Florián O.

Corrección de estiloOscar Torres

Diseño de colecciónCarlos Vargas - Kilka Diseño GráficoDiagramación y montaje de cubierta

Oscar J. Arcos

Sección de PublicacionesEditorial UD

Carrera 19 No. 33 -39.Teléfono: 3239300 ext. 6206

Correo electrónico: [email protected]

Ecoe Ediciones Ltda.Carrera 19 N° 63C-32 Pbx: 2481449 – Bogotá D.C.

www.ecoeediciones.com

© Universidad Distrital Francisco José de Caldas © Ecoe Ediciones Ltda.© Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales© Hugo Alexander Rondón Quintana, Fredy Alberto Reyes Lizcano, Laura Ángela González Ortiz Sergio Eduardo Vásquez Ardila


Contenido

Introducción 11

1. Ahuellamiento en mezclas asfálticas 15

1.1. Generalidades 15

1.2. Ensayos y equipos 18

1.2.1. Ensayos de laboratorio 181.2.2. Ensayos a escala real 27

1.3. Factores que afectan la resistencia a la deformación permanente 32

1.3.1. Carga 321.3.2. Temperatura, velocidad de carga y humedad 371.3.3. Densidad y compactación 421.3.4. Tamaño, tipo, forma y granulometría del agregado

pétreo 451.3.5. Tipo de ligante asfáltico 49

1.4. Ecuaciones para la predicción de la deformación permanente 54

2. Fatiga en mezclas asfálticas 63

2.1. Generalidades 63

2.2. Ensayos 66

2.2.1. Ensayos de flexión simple 662.2.2. Ensayo diametral 69


2.2.3. Ensayo cíclico torsional 722.2.4. Ensayos de pista en laboratorio 732.2.5. Ensayos a escala natural 752.2.6. Dispersión de los resultados de los ensayos 78

2.3. Factores que afectan la resistencia a fatiga 79

2.3.1. Métodos de compactación de la muestra 792.3.2. Carga 822.3.3. Rigidez de la mezcla 912.3.4. Consistencia del asfalto, características de los agregados,

contenido de asfalto y vacíos de aire 932.3.5. Temperatura 1072.3.6. Envejecimiento y condiciones ambientales 110

2.4. Ecuaciones empíricas 113

3. Aproximación de la vida a fatiga de una mezcla asfáltica sometida a las condiciones ambientales de Bogotá D. C. 127

3.1. Introducción 127

3.2. Metodología 129

3.2.1. Caracterización de materiales 1293.2.2. Diseño de mezclas asfálticas empleando la metodología

Marshall 1313.2.3. Fase experimental 131

3.3. Resultados 132

3.4. Conclusiones 137

Referencias 141


Introducción


11

Introducción

Un pavimento flexible está conformado básicamente por una capa asfáltica apoya-da sobre capas compuestas por materiales granulares no tratados o ligados, los

cuales a la vez se apoyan sobre la subrasante o terreno natural de cimentación. Dentro del pavimento, la capa asfáltica tiene como función principal ayudar a soportar los esfuerzos que transmiten las cargas vehiculares, y distribuir dichos esfuerzos a la subrasante en magnitudes que sean tolerables por esta. Así mismo, impermeabiliza el pavimento y debe proveer una superficie adecuada para que los usuarios del parque automotor circulen sobre ella de manera segura y confortable.

Los dos principales mecanismos de falla de estructuras de pavimento flexible son la fatiga y el ahuellamiento. La fatiga se asocia a la respuesta resiliente de la estructura y el ahuellamiento a la acumulación de deformaciones permanentes en la dirección vertical. Estos dos mecanismos generan fallas estructurales y funcionales en el pavi-mento, que se producen principalmente en la capa asfáltica y se generan por las cargas cíclicas impuestas por el parque automotor. Para entender estos mecanismos de daño, la ingeniería de pavimentos, desde la década de los sesenta, ha venido desarrollando investigaciones con el fin de comprender el complejo comportamiento visco-elasto-plástico que experimentan los materiales que conforman las capas asfálticas (mezclas asfálticas) bajo diversas trayectorias de cargas cíclicas y condiciones del ambiente. En lo que respecta al estado del conocimiento en esta área, a pesar del amplio número de investigaciones realizadas, el comportamiento de materiales asfálticos y mezclas asfál-ticas aún no ha sido totalmente entendido. En Colombia se han realizado muy pocas investigaciones sobre el tema, debido principalmente a la falta de equipos apropiados para llevar a cabo mediciones de laboratorio e in situ, así como a la escasez de inves-tigadores. Incluso la bibliografía sobre el tema es escasa y no ha sido ampliamente presentada en ningún libro sobre pavimentos o en memorias técnicas.



12

Con base en una amplia revisión bibliográfica, en los capítulos 1 y 2 se presentan las formas como han sido estudiados los fenómenos de ahuellamiento y fatiga en mez-clas asfálticas respectivamente, los ensayos más utilizados para medir y evaluar estos mecanismos de daño, los factores que influyen en su generación y las ecuaciones em-píricas más utilizadas en el mundo para describirlos. En el capítulo 3 se muestran los resultados parciales de una investigación ejecutada con el fin de evaluar la influencia del ambiente de Bogotá D. C. sobre las propiedades mecánicas bajo carga monotónica y dinámica de una mezcla de concreto asfáltico.

La presente obra sirve como fuente de consulta de estudiantes de pregrado y pos-grado de instituciones de educación superior en el área de pavimentos. Consultores y diseñadores de pavimentos flexibles podrán enriquecer y profundizar sus cono-cimientos en los temas que atañen al contenido de este documento: ahuellamiento y fatiga de mezclas asfálticas. Así mismo, investigadores nacionales e internacionales de grupos y centros de investigación pueden tomarlo como referencia para fortalecer el estado del conocimiento de las investigaciones que ejecuten sobre mezclas asfálticas.


Ahuellamiento en mezclas asfálticas


15

1. Ahuellamiento en mezclas asfálticas

1.1. Generalidades

De acuerdo con Khedr (1986), Collop et ál. (1995), Chen et ál. (2004), Fwa et ál. (2004), Saleeb et ál. (2005), Archilla (2006), Salama et ál. (2006), Saurabh

et ál. (2006), Shu et ál. (2006), Wang et ál. (2007), Miao y Zhang (2008), Libo et ál. (2008), Chen y Zu (2009), Gao et ál. (2009), Huang y Shu (2009), Huang et ál. (2009), Pei y Chang (2009), Quang et ál. (2009), Wang et ál. (2009), Zhang et ál. (2009), el fenómeno de ahuellamiento es uno de los principales mecanismos de daño de ca-pas asfálticas en estructuras de pavimentos flexibles y semirrígidos. Este fenómeno puede definirse como la deformación vertical permanente que se va acumulando en el pavimento debido al paso repetitivo de los vehículos, el cual genera la formación de delgadas depresiones longitudinales a lo largo de la trayectoria de las llantas. Puede generar fallas estructurales o funcionales en el pavimento y ocurre en cualquier capa de la estructura; sin embargo, investigadores como Sousa et ál. (1994) y Chen et ál. (2003) han demostrado y reportado que la mayor parte del ahuellamiento se genera en la capa asfáltica. De acuerdo con Sousa et ál. (1991), Collop et ál. (1995), White et ál. (2002), Archilla y Madanat (2006), el fenómeno de ahuellamiento en mezclas asfálticas ocurre por densificación principalmente durante la construcción y por la formación de deformaciones de corte durante la vida útil del pavimento. Hofstra y Klomp (1972) reportan, con base en los estudios realizados por la American Associa-tion of State Highway Officials (AASHO) en 1962 y sobre ensayos a escala real, que del total de ahuellamiento el mayor componente es el de corte. Una observación similar la reportan Brown y Bell (1977), Freeme (1973), Eisenmann y Hilmer (1987), Myers et ál. (2002) y Al-Qadi et ál. (2009).



16

Según Tarefder et ál. (2003), el ahuellamiento se afecta principalmente por tres factores: mezcla (gradación del agregado, grado de funcionamiento PG del ligante, contenido de asfalto), carga (presión de llanta, tipo de eje) y ambiente (temperatura, humedad, precipi-tación). La predicción de este fenómeno en mezclas asfálticas ha sido complicada debido a la falta de métodos de ensayos prácticos de laboratorio y equipos (NAPA, 1995), y por lo general se intenta controlar la resistencia a las deformaciones permanentes a través de la rigidez de las mezclas. En la tabla 1.1 se resumen los principales factores que afectan el fenómeno de ahuellamiento de mezclas asfálticas (Sousa et ál., 1991). También se presenta la influencia que tiene el cambio de dichos factores sobre el aumento o la dis-minución de las deformaciones permanentes en estos materiales.

Zhou y Scullion (2002) mencionan que la deformación permanente de mezclas as-fálticas, medida en ensayos bajo carga cíclica en el laboratorio, experimenta tres estados de comportamiento, como se observa en la figura 1.1. En el primer estado la defor-mación se acumula rápidamente producto de la densificación que experimenta la capa asfáltica por las cargas iniciales que transitan sobre el pavimento. En este estado la tasa de deformación disminuye y alcanza un valor constante en el segundo estado, y en el tercero la tasa vuelve a incrementar y la deformación comienza nuevamente a acumularse con rapidez (en este punto es importante resaltar que esta afirmación se basa en estudios realizados a muy pocos ciclos de carga en comparación con los que experimenta un pavimento en servicio). Mencionan que físicamente en el primer estado el agregado pétreo de las mezclas experimenta deformación principalmente por reacomodo de partículas debido a la densificación del material y por lo tanto inicialmente la mezcla disminuye sus vacíos con aire. En el segundo estado comienzan a generarse microfi-suras y el material experimenta pérdida de rigidez. Con la continuación de la carga cíclica, las microfisuras gradualmente se propagan y se juntan formando macrofisu-ras, lo que hace que la tasa de deformación incremente. Con base en mediciones de deformación realizadas sobre 49 secciones de pavimento a escala real, ellos reportan que 43 estructuras experimentaron el primer estado, el segundo lo experimentaron las otras 6 y ninguna experimentó el tercero. Los dos primeros estados descritos han sido reportados ampliamente por otros investigadores (p. e., Chen et ál., 2006; Price et ál., 2007). De acuerdo con Monismith y Tayabali (1988) y Roberts et ál. (1996), el ahuellamiento en pavimentos incrementa en los primeros años de operación y luego



17

se estabiliza con el tiempo. En general, la deformación resiliente permanece constante mientras que la permanente disminuye con el número de ciclos de carga.

Según Sousa et ál. (1991), algunos investigadores, con base en mediciones realizadas en ensayos de creep (fluencia) sobre distintas mezclas asfálticas, han establecido como criterio de falla valores adecuados de rigidez de estos materiales, que permiten evitar el fenómeno de ahuellamiento (ver tabla 1.2).

Tabla 1.1. Factores que afectan el fenómeno de ahuellamiento en mezclas asfálticas.

Factor Cambio en el factor Efecto sobre la resistencia al ahuellamiento

Agregados pétreos

Textura superficial Liso a rugoso Incrementa

Forma Redonda a angular Incrementa

Tamaño Incremento en tamaño máximo Incrementa

Ligante asfáltico Rigidez Incremento Incrementa

Mezcla

Contenido de ligante Incremento Disminuye

Contenido de vacíos Incremento Disminuye

Grado de compactación Incremento Incrementa

Condiciones de campo

Temperatura Incremento Disminuye

Esfuerzo o deformación Incremento Disminuye

Repeticiones de carga Incremento Disminuye

Agua Seco a húmedo Disminuye

Figura 1.1. Estados de deformación (Zhou y Scullion, 2002).

1er estado

2do estado

3er estado

Def

orm

ació

n pe

rman

ente

m[-

]

100.000

10.000

1.000

100

10

11 x 100 1 x 101 1 x 102 1 x 103 1 x 104 1 x 105

Ciclo de carga



18

En la tabla 1.3 se presentan algunos límites admisibles de los valores de deformación que se deben permitir en una estructura de pavimento in situ.

Tabla 1.2. Criterio de rigidez de mezclas en ensayos de creep para evitar el fenómeno de

ahuellamiento en mezclas asfálticas.

Referencia Temperatura [°C] Tiempo [min]Esfuerzo

[MPa]Rigidez[MPa]

Viljoen et ál. (1981) 40 100 0.2 ≥80Kronfuss et ál. (1984) 40 60 0.1 ≥50-65Finn et ál. (1983) 40 60 0.2 ≥135

Tabla 1.3. Límites admisibles de deformación.

Referencia Institución Límite admisible [cm]

Jackson y Baldwin (2000) - 0.60Gopalakrishnan y Thompson (2004) Usace 2.54

Mahboub (1990) Federal Highway Administration (FHwA) 2.54Salama et ál. (2006) Michigan Depart. of Transp. (MDOT) 1.20

1.2. Ensayos y equipos

1.2.1. Ensayos de laboratorio

A continuación se enuncian y describen brevemente los tipos de ensayos de laborato-rio más utilizados para medir deformaciones permanentes en mezclas asfálticas.

1. Ensayos de esfuerzos uniaxiales ejecutados sobre muestras cilíndricas inconfina-das bajo carga monotónica, en creep (fluencia) (ver figura 1.2) o cíclica. Las mues-tras en estos ensayos presentan generalmente dimensiones de 4” de diámetro y 8” de altura. Los parámetros que se pueden medir en estos ensayos son: módulo o deformación en creep vs. tiempo, módulo resiliente, deformación permanente vs. número de ciclos de carga, relación de Poisson, módulo dinámico y relación de amortiguamiento.



19

Figura 1.2. Esquema de un ensayo uniaxial de creep (Garnica et ál., 2002).

Para determinar el módulo, un esfuerzo del tipo “haversine” (figura 1.3) en com-presión de 138 kPa se aplica sobre las muestras cilíndricas a 40 °C. Las frecuencias de carga son de 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.2 y 0.1 Hz. La diferencia entre el módulo dinámico y el resiliente radica en el tipo de carga que se utiliza para el ensayo. Para el caso del módulo resiliente se aplica un periodo de receso entre carga y carga, mientras que para el caso del módulo dinámico no existe tal periodo de receso.

Figura 1.3. Esquema del esfuerzo “haversine”.

σ

σ0

Tiempo

2. Ensayos de esfuerzos triaxiales ejecutados sobre muestras cilíndricas confinadas bajo carga monotónica, en creep o cíclica. Las muestras y los parámetros que



20

se miden en estos ensayos son similares a los utilizados y obtenidos de ensayos uniaxiales. Los ensayos triaxiales cíclicos se realizan aplicando una presión de confinamiento constante, sometiendo las mezclas asfálticas a condiciones de es-fuerzos similares a las producidas por el paso de vehículos en la superficie. En los ensayos triaxiales cíclicos las probetas se introducen dentro de la cámara triaxial donde son sometidas a una condición de esfuerzo vertical de compresión que varía con una función sinusoidal (σv), a una presión horizontal estática e isotrópica (σH) y a una temperatura constante. En las condiciones descritas, la muestra de ensayo experimenta alteraciones en su geometría: la altura total de la muestra disminuye por la aparición de deformaciones permanentes (ΔHP) y la probeta experimenta un achatamiento general que genera variaciones en su radio (ver figura 1.4).

Figura 1.4. Esquematización del ensayo triaxial cíclico: a) al inicio de la prueba y

b) al finalizar la prueba.

b.

∆Hp

Hf

CámaraTriaxial

a.

σH

σV

σH

t

Hn

3. Ensayos diametrales o de tensión indirecta ejecutados bajo carga cíclica o en creep. Las muestras en estos ensayos presentan dimensiones de 4” de diámetro y 2.5” de altura. Los parámetros que se miden en estos ensayos son similares a los obtenidos de ensayos uniaxiales y triaxiales. La carga se aplica verticalmente en compresión en el plano diametral de un espécimen cilíndrico de mezcla asfáltica (ver figura 1.5).



21

Figura 1.5. Esquema de un ensayo de tracción indirecta (Garnica et ál., 2002).

Uno de los equipos más utilizados para realizar ensayos de deformación perma-nente es el Nottingham Asphalt Tester (NAT). En este equipo puede evaluarse el módulo resiliente y dinámico de mezclas asfálticas y la resistencia a fatiga y al ahuellamiento al mismo tiempo. El principio del NAT (ver figuras 1.6 y 1.7) es el de someter un espécimen cilíndrico a cargas repetitivas de compresión con una señal de carga a través del plano vertical diametral hasta la falla. Este equipo usa probetas cilíndricas de 10 o 15 cm de diámetro.



22

Figura 1.6. Diagrama del mecanismo del NAT y principio de tracción indirecta.

Deformación detensión indirecta

= 2d

P

P

d d

♥

Computador

Interfasedigital

Actuador

Tanque dealmacenamiento

Regulador

Válvulaseledoidal

Celda decargaProbeta

LVDT

4. Ensayos del tipo Wheel-Track o de deformación a pequeña escala. Las mues-tras en estos ensayos son losas prefabricadas y en ellas se mide la deformación que experimenta una mezcla asfáltica en función del número de ciclos aplicados (ver figura 1.8). Algunos de los equipos más utilizados en el mundo para realizar ensayos de este tipo son el Asphalt Pavement Analyzer (APA), Wheel-Track de Hamburgo y French Pavement Rutting Tester (FPRT).



23

Figura 1.7. Nottingham Asphalt Tester.

Figura 1.8. Ensayo de pista a pequeña escala (Choi et ál., 2005).



24

De acuerdo con Kandhal y Cooley (2003), Chen y Zu (2009) y Huang y Shu (2009), el APA es uno de los equipos más utilizados en Estados Unidos y muchos otros países para evaluar la resistencia a la deformación permanente de mezclas asfálticas. Según estos autores, el APA fue desarrollado originalmente en 1985 y bautizado como Georgia Loaded Ehell Tester. En este equipo se utiliza general-mente la profundidad de desplazamiento vertical medida a 8000 ciclos de carga para evaluar la resistencia al ahuellamiento de mezclas asfálticas. Los ensayos en este equipo se realizan sobre losas de mezcla asfáltica (12.7 cm de ancho, 30.5 cm de largo y 7.6 cm de alto) o sobre muestras cilíndricas cuyas dimensiones son 15.24 cm y 7.62 cm de diámetro y altura respectivamente. Durante los ensayos, las muestras son sometidas a una carga cíclica de 445 N y el rango de temperatura oscila entre 40.6 y 64 °C.Prowell (1998) estudió resultados con APA y concluyó que al compararlos con 11 ensayos de campo WesTrack el coeficiente de correlación fue de 0.81. De manera similar, Chen et ál. (2006) reportan buena correlación entre los resultados medi-dos en un APA y los obtenidos en un equipo del tipo Wheel-Track. Martin y Park (2003) mencionan que el APA puede predecir resultados de campo. Otros resul-tados exitosos de la utilización de este equipo para determinar deformaciones permanentes en mezclas asfálticas pueden consultarse en Cooley et ál. (2001), Stuart y Mogawer (2001). Contrario a lo anterior, Williams y Stuart (1998) reportaron un coeficiente de correlación de 0.33 cuando se compararon resultados utilizando un APA con 9 secciones WesTrack. Huang y Shu (2009) compararon los resultados del APA con los obtenidos sobre 24 mezclas ensayadas in situ a través de un equipo del tipo WesTrack del National Center for Asphalt Technology (NCAT). Ellos reportan que la correlación entre los resultados medidos en el APA y los obtenidos in situ es baja cuando se analiza la deformación a 8000 ciclos de carga y el porcentaje de vacíos es pequeño (4%); sin embargo, mencionan que la correlación es buena cuando los ciclos de carga son pequeños (entre 500 y 2000) y el porcentaje de va-cíos aumenta (7%). Jackson y Baldwin (2000), que realizaron ensayos sobre una mezcla asfáltica, reportan una muy pobre correlación del desplazamiento vertical medido a 8000 ciclos de carga cuando se analizan diferentes porcentajes de va-cíos, contenidos de asfalto y finos granulares (ver figuras 1.9 a-c). Lee et ál. (2007)



25

no encontraron correlación entre el porcentaje de vacíos con aire y la acumula-ción de la deformación permanente medida a 8000 ciclos de carga en un APA, de una mezcla asfáltica convencional y tres modificadas, dos con caucho molido y una con estireno-butadieno-estireno (SBS por sus siglas en inglés).

Figura 1.9. Evolución del desplazamiento en el APA con a) porcentaje de vacíos con aire,

b) contenido de asfalto y c) contenido de filler en la mezcla para 8000 ciclos de carga

(Jackson y Baldwin, 2000).

12

10

8

6

4

2

04 5 6 7 8 9

Vacíos con aire [%]

Des

plaz

amie

nto

[mm

]

a)

12

10

8

6

4

2

04 3 4 5 6 7

Contenido de filler [%]

Des

plaz

amie

nto

[mm

]

b)12

10

8

6

4

2

03 4 5 6 7 8

Contenido de asfalto[%]

Des

plaz

amie

nto

[mm

]

c)



26

En el ensayo Wheel-Track de Hamburgo, una losa de mezcla asfáltica o un es-pécimen rectangular se sumerge en agua a 50 °C y se deforma debido al paso repetido de una carga rodante de acero de 703 N que simula la forma de una llanta vehicular. Este ensayo ha sido ampliamente utilizado en Alemania para eva-luar la susceptibilidad de mezclas asfálticas a la humedad. El equipo aplica como máximo 2x104 ciclos de carga o una deformación de 12.5 cm. Si las muestras son cilíndricas, sus dimensiones son de 15.24 y 7.62 cm de diámetro y altura respec-tivamente. Una descripción detallada del equipo puede consultarse en Aschen-brener (1995).El FPRT aplica la carga sobre una losa de mezcla asfáltica (50x18x10 cm) sopor-tada y embebida por un elemento metálico tal como se presenta en la figura 1.10. La magnitud, trayectoria y la frecuencia de carga es de aproximadamente 5000 N, 41 cm y 1 Hz respectivamente. La presión de contacto del neumático en movi-miento es de 0.7 MPa y la temperatura del ensayo es de 45 °C.

Figura 1.10. Esquema del FPRT (Szydlo y Macklewicz, 2005).

5. Ensayos de corte simple con la aplicación de carga en creep, cíclica y dinámica. Las muestras son similares a las utilizadas en los ensayos diametrales. Los pa-rámetros que se pueden medir en estos ensayos son: módulo o deformación de corte en creep vs. tiempo, módulo resiliente de corte, deformación permanente de



27

corte vs. número de ciclos de carga, módulo dinámico de corte y relación de amor-tiguamiento. En el ensayo de carga cíclica, un esfuerzo de corte de 69 kPa del tipo “haversine” se aplica de manera repetida sobre especímenes cilíndricos de 15.24 y 5.08 cm de diámetro y altura respectivamente. El tiempo de aplicación de carga es de 0.1 s seguido de un periodo de reposo de 0.9 s. El equipo aplica como máximo 2x104 ciclos de carga o una deformación permanente de corte de 5%.

6. Ensayos de tomografía con rayos X. En estos ensayos una mezcla asfáltica puede describirse a nivel micromecánico en 3D a través del conocimiento de los vacíos con aire, de la forma, textura y configuración del agregado pétreo. Así mismo es posible obtener de manera aproximada la rigidez del ligante asfáltico dentro de la mezcla y la rigidez entre contactos de partículas. Una descripción más detallada de este tipo de ensayos puede consultarse en Obaidat et ál. (1997) y Wang et ál. (2007a).

1.2.2. Ensayos a escala realOtro tipo de ensayos que se ejecutan para evaluar el fenómeno de ahuellamiento en estructuras de pavimentos son los ensayos a escala real. Estos ensayos ofrecen una buena representación de las condiciones de campo, pues el método asegura la simu-lación del sistema de pavimento y de las cargas que en realidad tendrán que ser soportadas por la estructura, junto con el movimiento lateral de los vehículos y el uso de las velocidades reales de aplicación de carga. Estos ensayos requieren del diseño y construcción de pistas que pueden ser longitudinales o circulares. En estas últimas la velocidad de la llanta cargada se limita debido a la fuerza centrífuga (Rao Tangella et ál., 1990).

Estos ensayos se emplean entre otras cosas para: • Estudiar el diseño de la estructura de pavimento.• Evaluar el efecto de las cargas aplicadas (llantas sencillas o dobles, dispuestas en

un eje simple, tándem o trídem).• Medir y caracterizar de manera acelerada el comportamiento a la deformación

permanente de estructuras de pavimento así como de otros mecanismos de daño.• Verificar los métodos constructivos y las especificaciones de los equipos de cons-

trucción. • Experimentar, evaluar e implementar nuevos materiales para pavimentos.• Verificar el comportamiento de diferentes estructuras de pavimento.



28

Las principales desventajas de este tipo de tecnología son que requieren la construc-ción de estructuras costosas a escala real y de equipos e instrumentación sofisticados para la medición y cálculo de deflexiones y esfuerzos, así como para el control de la humedad en cada una de las capas del pavimento. Información adicional sobre las características y beneficios de la utilización de estos equipos se puede consultar en Metcalf (1996), Brown (2004) y en Proceedings of International Conference on Acce-lerated Pavement Testing (1999, 2004). Algunos ejemplos de equipos utilizados para realizar este tipo de ensayos se describen a continuación de manera resumida.

1. Texas Mobile Load Simulator (TxMLS). Es un equipo que permite medir defor-maciones permanentes in situ. Consta de seis ejes tándem para la aplicación de cargas al pavimento y presenta dimensiones de 31x6x4.5 m, como se presenta en la figura 1.11. La carga que aplica cada eje tándem es de 150 kN y la presión de inflado de las llantas es de 758 kPa. La velocidad máxima de aplicación de carga es de 17.64 km/h.

Figura 1.11. Esquema del TxMLS (Chen y Hugo, 1998; Abdallah et ál., 1999).

1 2 3

456

6 m

31 m 4.5 m

1.8 m



29

Mayor información sobre el MLS puede consultarse en Chen y Hugo (1998), Abdallah et ál. (1999), Hugo et ál. (1999a-b), Chen et ál. (2000), Hugo (2000) y Martin et ál. (2003).

2. National Airport Pavement Test Facility (NAPTF). El NAPTF se encuentra en el Aeropuerto Internacional de Atlanta, New Jersey (Estados Unidos). Este equipo se desarrolló con el fin principal de ayudar a validar metodologías para el diseño, evaluación y construcción de estructuras de pavimentos para aeropuertos. Las estructuras que se ensayan con el NAPTF presentan dimensiones de 274.3 m de longitud, 18.3 m de ancho y 2.7 a 3.6 m de profundidad. En este equipo las con-diciones de resistencia de la subrasante se pueden cambiar, así como el tipo de carga, su distribución y velocidad, de tal forma que se pueden simular los esfuer-zos que experimenta en servicio una estructura de pavimento en un aeropuerto (p. e., cargas como las de un Boeing 777 o 747; ver figura 1.12).

Figura 1.12. National Airport Pavement Test Facility (NAPTF)

(Gopalakrishnan y Thompson, 2006).

Boeing 777 Gear Boeing 747 Gear

1372 mm 1118 mm

1448 mm

1448 mm

1473 mm

N



30

3. Carruseles de fatiga del Laboratoire Central des Ponts et Chausses (LCPC). Uno de estos carruseles, ubicado en el centro de ensayos del LCPC en Nantes, ha sido utilizado desde 1984 y cuenta con unas de las pistas circulares de ensayo más grandes en operación en el mundo. Es un simulador acelerado de tráfico pesado que permite representar en menos de una semana el tráfico de camiones que durante un año soporta un pavimento diseñado para las condiciones más rigu-rosas (altos niveles de carga y volumen de vehículos). El carrusel tiene una torre central de la que se desprenden cuatro brazos que se trasladan de una pista a otra para la realización de los ensayos (ver figura 1.13). En los extremos de los brazos pueden instalarse llantas sencillas o dobles, dispuestas en un eje simple, tándem o trídem. Su sistema electro-hidráulico de 1000 caballos de fuerza asegura que la velocidad de movimiento de las llantas pueda alcanzar los 100 km/h. Las cargas van desde 45 kN para una llanta sencilla hasta 135 kN para un eje trídem con llantas sencillas o un eje tándem con llantas dobles.

Figura 1.13. Carrusel de fatiga (LCPC, 2007).

Cada una de las tres pistas de ensayo tiene un radio promedio de 19.5 m, 122.5 m de longitud y 6 m de ancho. Es posible colocar las cargas a diferentes radios de rotación, dependiendo de la longitud del brazo. Este ensayo a escala natural no solo se utiliza para evaluar el comportamiento de una estructura de pavimento próxima a construirse; también sobre él se realiza investigación tendiente a bus-car nuevas técnicas para el mantenimiento y la rehabilitación de carreteras.



31

4. Carrusel de fatiga de la Universidad de los Andes. Ubicado en Bogotá D. C. (Co-lombia), posee una pista circular de 4 y 35 m de ancho y largo respectivamente (ver figura 1.14). Es capaz de simular ejes simples de hasta 15 toneladas y una velocidad máxima de 40 km/h (Caicedo y Pérez, 2000).

Figura 1.14. Carrusel de fatiga de la Universidad de los Andes.

1.3. Factores que afectan la resistencia a la deformación permanente

1.3.1. CargaMúltiples investigadores han reconocido ampliamente que la acumulación de la defor-mación permanente en mezclas asfálticas es directamente proporcional con la mag-nitud de la carga (p. e., Brown y Bell, 1977; Khedr, 1986; Middleton et ál., 1986; Eisenmann y Hilmer, 1987; Hudson y Seeds, 1988; Kim y Bell, 1988; Mahboub y Little, 1988; Vallerga et ál., 1989; Sousa et ál., 1991; Tarefder et ál., 2003; Fwa et ál., 2004; Al Qablan et ál., 2006; Salama et ál., 2006; Su et ál., 2008; Gao et ál., 2009; Qin et ál., 2009; Quang et ál., 2009) (ver ejemplos en las figuras 1.15 y 1.16). Chen y Zu (2009), con base en ensayos realizados sobre tres mezclas asfálticas fabricadas con dos agrega-dos pétreos y dos ligantes diferentes, reportan que un incremento de 100% en la



32

magnitud de la carga en el APA puede generar hasta un 370% de incremento en la deformación vertical permanente.

Por otro lado, un incremento en la presión de confinamiento de mezclas asfálticas genera aumento en la resistencia a la deformación permanente (ver figura 1.17). Con base en los resultados que se presentan en la figura 1.18, Seo et ál. (2007) reportan que el efecto del confinamiento es mayor a medida que disminuye la frecuencia de carga.

Figura 1.15. Influencia de la magnitud del esfuerzo vertical (Khedr, 1986).

400

350

300

010

Deformación permanente/ciclo [minch/inch]

Esfu

erzo

[psi

]

250

200

150

100

50

0 20 30 40

Muestra 1Muestra 2



33

Figura 1.16. Influencia de la magnitud del esfuerzo vertical σ1. Presión de confinamiento

σ3=0.2 MN/m2, temperatura T=45 °C y frecuencia de carga f=30 Hz (Francken, 1977).

Def

orm

ació

n pe

rman

ente

[-]

0.1

0.01

0.00110 100 1000 10000 100000

Tiempo [s]

σ1 = 0.25 MN/m2

σ1 = 0.35 MN/m2

σ1 = 0.50 MN/m2

Figura 1.17. Influencia de la presión de confinamiento σ3. Esfuerzo vertical σ1=0.01 MN/m2,

temperatura T=30 °C y frecuencia de carga f=30 Hz (Francken, 1977).

Def

orm

ació

n pe

rman

ente

[-]

0.1

0.01

0.001100 1000 10000 100000

Tiempo [s]

σ3 = 0.20 MN/m2

σ3 = 0.10 MN/m2

σ3 = 0.65 MN/m2

σ3 = 0.030 MN/m2



34

Figura 1.18. Influencia del confinamiento y la frecuencia de carga (Seo et ál., 2007).

E* [M

Pa]

1x105

10-6

Frecuencia [Hz]

UniaxialTriaxial

1x104

1x103

1x102

102

Es interesante observar en la figura 1.19 que a bajas temperaturas el efecto del confi-namiento sobre la rigidez de mezclas asfálticas es casi nulo, pero a altas temperaturas es apreciable (Shu y Huang, 2008).



35

Figura 1.19. Evolución de la rigidez de una mezcla asfáltica con la presión de confinamiento

para una temperatura de a) 10 °C y b) 54 °C (Shu y Huang, 2008).

Rigi

dez

[MPa

]

Frecuencia [Hz]

2000018000

1600014000

12000

100008000

60000,1 100101

0 kPa103,5 kPa207 kPa

Confinamiento

Frecuencia [Hz]Ri

gide

z [M

Pa]

0,1 100101

0 kPa103,5 kPa207 kPa

Confinamiento1400

1200

1000

800

600400

200

0

a) b)

Hua y White (2002), Al-Qadi et ál. (2009), Steyn (2009) concluyen que el tipo y la forma de la llanta de los vehículos tienen una alta influencia sobre el fenómeno de ahuellamiento ya que la distribución de la carga al pavimento es diferente dependien-do del tipo de llanta que se utilice. Un ejemplo que reporta resultados de ensayos de creep bajo carga cíclica aparece en la figura 1.20 (Al-Qadi et ál., 2009).



36

Figura 1.20. Efecto del tipo de llanta sobre la acumulación de la deformación permanente

(Al-Qadi et ál., 2009)

Frecuencia [Hz]

4000

1000

2000

0

8000

6000

02000 3000 4000

Llanta 1Llanta 2

Def

orm

ació

n de

cor

te e

n cr

eep

m [-

]

La figura 1.21 muestra los resultados de ahuellamiento que experimentaron pistas de prueba construidas para simular las cargas que producen en un aeropuerto, aviones tipo Boeing 777 y 747 (Gopalakrishnan y Thompson, 2006). Se observa que el ahue-llamiento incrementa notablemente cuando se pasa de una carga de 20.4 ton a una de 29.4 ton.

Haddock et ál. (2005) mencionan, con base en estudios reportados por White et ál. (2002), que el incremento de ahuellamiento en vías en Estados Unidos en los últimos años se atribuye principalmente al aumento en las presiones de contacto, ejes de carga y volúmenes de tráfico.

Teng et ál. (2008), con base en la utilización del programa de elementos finitos Ansys, concluyen que la magnitud de las cargas y la rigidez de la subrasante tienen el más grande efecto sobre el fenómeno de ahuellamiento de pavimentos. Wu (2004) menciona que en un pavimento bien diseñado y construido el ahuellamiento superfi-cial se debe a la subrasante.



37

Figura 1.21. Influencia de la magnitud del esfuerzo vertical

(Gopalakrishnan y Thompson, 2006).

Ciclos de carga

20

0

Des

plaz

amie

nto

[mm

]

0 x 100 0 x 104 2 x 104 3 x 104 4 x 104 5 x 104

40

60

80

Carga del eje: 29,4 ton.Carga del eje: 20,4 ton.

1.3.2. Temperatura, velocidad de carga y humedad

El comportamiento de una mezcla asfáltica puede considerarse elástico a bajas tem-peraturas o altas velocidades de carga. A medias y altas temperaturas las ecuaciones elásticas conducen a respuestas subestimadas del pavimento (Elseifi et ál., 2006). Estos materiales exhiben comportamiento viscoelástico o puramente viscoso a altas tempe-raturas y cuando se aplican cargas a pequeñas velocidades. Por lo anterior, en general la deformación total que experimenta una mezcla asfáltica bajo carga cíclica se divide en una componente elástica, otra viscoelástica y otra viscoplástica. Según Khattak y Roussel (2008), el comportamiento viscoelástico de mezclas asfálticas es función de a) propiedades químicas, físicas, reológicas y de adhesión del ligante asfáltico, b) tipo y distribución del aditivo en el ligante asfáltico y c) gradación de gruesos y finos, y angularidad de las partículas sólidas, los cuales gobiernan el tamaño de los vacíos y su distribución dentro de la mezcla.



38

De manera general, la literatura de referencia reporta que un aumento en la tem-peratura genera disminución en la rigidez de las mezclas asfálticas, elevando el gra-do de susceptibilidad al fenómeno de ahuellamiento (p. e., Khedr, 1986; Archilla y Madanat, 2000; Tarefder et ál., 2003; Uzan, 2003; Zhou et ál., 2003; Fwa et ál., 2004; Seo et ál., 2007; Khan y Kamal, 2008; Shu y Huang, 2008; Su et ál., 2008; Chen y Zu, 2009; Gao et ál., 2009; Liping et ál., 2009; Qin et ál., 2009). Ejemplos se presentan en las figuras 1.22 y 1.23. Hofstra y Klomp (1972), al realizar medidas de deformación permanente en un test-track, observaron que el ahuellamiento incrementó un 40% cuando la temperatura del ensayo aumentó de 20 °C a 60 °C. Linden y Van der Heide (1987) reportaron un incremento notable en la deformación permanente de múltiples vías en Europa durante los periodos de verano de 1975-1976. Mahboub y Little (1988), con base en un estudio realizado sobre diferentes estructuras de pavimento en el es-tado de Texas (Estados Unidos), concluyeron que la acumulación de la deformación permanente de capas asfálticas ocurre principalmente de 7:30 a. m. a 5:30 p. m. en los meses de abril a octubre (verano). Adicionalmente reportan que el fenómeno de ahuellamiento puede ignorarse cuando la temperatura es inferior a 15 °C. Un estudio similar lo reporta Celauro (2004).

Figura 1.22. Influencia de la temperatura (Liping et ál., 2009).

Temperatura [°C]

Des

plaz

amie

nto

[mm

]

0

5

4

3

2

1

010 20 30 40 50 60 70

Mezcla 2Mezcla 1



39

Figura 1.23. Influencia de la magnitud del esfuerzo vertical (σ) y la temperatura (T) sobre

la relación (tasa de deformación) entre la deformación plástica (εp) y el número de ciclos de

carga (N) (Khedr, 1986).

Ciclos de carga

εp/N

[-]

1x10-4

1x10-5

σ=29.76 psi, T=37.7°C

1x10-6

1x101 1x102 1x103 1x104

σ=29.76 psi, T=48.8°Cσ=60.32 psi, T=37.7°Cσ=60.32 psi, T=48.8°C

La figura 1.24 presenta el efecto de la temperatura y la densidad sobre la rigidez de una mezcla asfáltica ensayada en un NAT (Sivapatham y Beckedahl, 2006). Se observa un aumento en la rigidez a medida que disminuye la temperatura de la mezcla y aumenta el grado de compactación. Es interesante observar en la figura que a altas temperaturas la influencia del grado de compactación sobre la rigidez es insignificante y a bajas temperatura el efecto es importante.

De acuerdo con Tarefder et ál. (2003), el agua genera pérdida de resistencia en la interfase entre el ligante asfáltico y el agregado pétreo, generando que la tasa de acu-mulación de la deformación permanente aumente debido a la pérdida de cohesión de la mezcla por humedad. Este fenómeno se identificó en la década de 1930 (Caro et ál., 2008) y la literatura de referencia lo denomina stripping (Majiidzadeh y Brovold, 1968; Lottman y Johnson, 1971; Kandhal et ál., 1989; Mohamed, 1993; Amirkhanian y Williams, 1993; Williams y Miknis, 1998; Bagampadde et ál., 2005; Mallick et ál., 2005; Caro et ál., 2008; Kringos et ál., 2008, 2008a; Mohammad et ál., 2008; Kassem et ál., 2009). Peterson (1982) y Stuart (1986) sugieren que el stripping ocurre por reacción química entre el asfalto y el agregado. De manera similar, Bagampadde et ál. (2005)



40

mencionan que la calidad del agregado y la composición mineralógica es uno de entre tantos factores que afectan la magnitud de este fenómeno. Kanitpong y Bahia (2008) reportan que la adherencia entre el ligante y el agregado pétreo es fuertemente de-pendiente de la mineralogía de este último material. Lu y Harvey (2006, 2006a) demos-traron que la edad del pavimento tiene una alta influencia en el daño por humedad. El Hussein et ál. (1998) concluyen que existe incompatibilidad térmica entre el agregado pétreo y el ligante, lo cual genera contracción térmica diferencial de estos componen-tes, induciendo altos esfuerzos de tensión, grietas, deterioro localizado en la matriz de asfalto y deterioro de la interfase ligante-agregado. Rondón y Moreno (2010) reportan que ligantes asfálticos en presencia de agua modifican su consistencia aumentando su rigidez. Lo anterior causa contracción del ligante asfáltico sin cambio de volumen dentro de la mezcla, lo cual podría ser una de las causas que genera el desprendimiento del ce-mento asfáltico con el agregado. Las causas que generan el fenómeno de stripping son com-plejas ya que involucran aspectos físicos, químicos, mecánicos y termodinámicos. El estado del conocimiento en esta área indica que, a pesar del alto número de investiga-ciones realizadas, este fenómeno y las causas que lo generan no han sido totalmente entendidos e identificados (Mohamed, 1993; Bagampadde et ál., 2005).

Figura 1.24. Efecto del grado de compactación y la temperatura sobre la rigidez de una

mezcla asfáltica (Sivapatham y Beckedahl, 2006).

Temperatura [°C]

Mód

ulo

resi

lient

e [M

Pa]

5 10 15 20 25 30 35

15000

12000

9000

6000

3000

0

94%97%

100%



41

En la figura 1.25, Dunhill et ál. (2006) muestran la influencia de la velocidad de aplicación de carga y la temperatura sobre la resistencia bajo carga monotónica a com-presión y a tensión de una mezcla asfáltica. Se observa un aumento de la resistencia en tensión y compresión de las mezclas a medida que aumenta la tasa de deformación y disminuye la temperatura. Chen et ál. (2004), mediante simulaciones en el progra-ma de elementos finitos Abaqus y ensayos a escala real, reportan que la deformación vertical evaluada cuando el vehículo circula a 20 km/h es dos veces mayor que cuan-do circula a 90 km/h. Su et ál. (2008), con base en los estudios reportados por Pell y Taylor (1974), mencionan que la deformación causada por un vehículo a 10 cm/s es equivalente a la causada por 10 vehículos con la misma carga circulando a 100 cm/s. Fwa et ál. (2004), en ensayos en un Wheel Tracking Test, reportan un aumento en la resistencia a la deformación a medida que aumenta la velocidad de carga. Uge y Van de Loo (1974), en ensayos de creep, reportaron un incremento en la deformación per-manente de mezclas asfálticas entre 3.7 y 4.6 veces cuando el tiempo de carga se aplicó de 1 a 104 segundos.

Figura 1.25. Influencia de la velocidad de deformación sobre la resistencia a compresión

de una mezcla asfáltica (Dunhill et ál., 2006).

Tasa de deformación [1/s]

Resi

sten

cia

a la

com

pres

ión[

MPa

]

-5

0

1x101 1x103 1x102 1x101 1x100

-10

-15

-20

-25

-30

-35

35°C20°C5°C



42

Ali et ál. (2009) realizaron simulaciones en Abaqus de una estructura de pavimento compuesta por 17 cm de capa asfáltica, 40 cm de base y subbase granular no tratada. Utilizaron una ecuación elasto-visco-plástica para las simulaciones. Concluyen que el fenómeno de ahuellamiento disminuye en el pavimento si la velocidad de carga aumenta (ver figura 1.26); reportan un incremento de 100% en las deformaciones per-manentes cuando se disminuye la velocidad de carga de 60 a 10 km/h. Resultados similares fueron reportados por Al-Qadi et ál. (2004), Wang y Machemehl (2004).

Figura 1.26. Influencia de la velocidad de carga (Ali et ál., 2009).

Velocidad [km/h]

Des

plaz

amie

nto[

mm

]

18

0 10

12

20 30

15

9

640 50 60 70

1.3.3. Densidad y compactaciónUge y Van de Loo (1974), Linden y Van der Heide (1987), Sousa et ál. (1991), Siva-patham y Beckedahl (2006) reportan que un incremento en la densidad genera dis-minución en la susceptibilidad al fenómeno de ahuellamiento de mezclas asfálticas. Un ejemplo se presenta en la figura 1.27. Monismith y Tayebali (1988) compararon la respuesta que experimentan, en el ensayo de corte de creep, muestras de una mezcla asfáltica fabricada en laboratorio e in situ; reportaron que las mezclas compactadas en laboratorio por amasado a través del “compactador de California” experimentan módulos de corte similares a las obtenidas in situ.


Ahuellamiento y fatiga en mezclas asfálticaseditorial.udistrital.edu.co/contenido/c-8.pdf ·...

Documents

Transcript of Ahuellamiento y fatiga en mezclas asfálticaseditorial.udistrital.edu.co/contenido/c-8.pdf ·...