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El ENSAYO “8TD”: NUEVA METODOLOGÍA PARA MEDIR LA ENERGÍA DE FRACTURA EN MEZCLAS ASFÁLTICAS

Dr. Pedro Limón Covarrubias (Universidad de Guadalajara)Dra. María de la Luz Pérez Rea

Francisco Pérez Landeros

Jonatán Jiménez Gaxiola

José Luis Villalobos Carrillo

Omar Adame Hernández

Mario Valerio Langarica

• Introducción

• Agrietamiento

• Energía de fractura

• Desarrollo del ensayo 8TD

• Análisis de resultados

• Conclusiones y líneas futuras de investigación

IntroducciónDespués de puesto en servicio un pavimento asfáltico, ya sea nuevo o después de una conservación, la calidad de su servicio disminuye y sus deterioros aumentan, esto debido a los diferentes factores como son el tráfico y el medio ambiente.

Introducción

Introducción

(Fuente: Asphalt Institute)

• Introducción

• Agrietamiento





Agrietamiento

Familias de fisuras:

a) Fisuras por retracción

b) Derivadas por el movimiento del suelo de soporte

c) Fisuras por construcción

d) Fisuras por envejecimiento

e) Fisuras por fatiga

(Fuente: Colombier)

Agrietamiento

Tipos de grietas:

a) Agrietamiento transversal

b) Agrietamiento longitudinal

c) Agrietamiento en bloque

d) Agrietamiento piel de cocodrilo

AgrietamientoPor su aspecto pueden ser:

a) Franja, b) desdoblada, c) ramificada, d) aislada

e) bloque, f) piel de cocodrilo

(Fuente: Félix Pérez)

Agrietamiento

Agrietamiento por fatiga:es la acumulación de un daño bajo la aplicación de una carga repetida (Fuente: Pell, 1962). Las diferentes cargas vehiculares ocasionan un esfuerzo de tensión en el fondo o capa inferior de la carpeta asfáltica. Si el esfuerzo de tensión excede la capacidad de resistencia del material, ocurre un daño progresivo que se traduce en el agrietamiento. Este agrietamiento va propagándose por todo el espesor de la capa asfáltica hasta llegar a la superficie.

Agrietamiento

(Fuente: AAPT)

Análisis de agrietamiento

• El estudio de la relación entre esfuerzo o deformación repetido en un ensayo de tensión y el número de aplicaciones a la falla. Esta teoría está relacionada con la ley lineal de Miner asociado con el daño acumulativo de un pavimento.

Agrietamiento

(Fuente: AAPT)

• El concepto de energía, evalúa el agrietamiento de una mezcla asfáltica. Este concepto de daño por fatiga asume la disipación de energía en cada ciclo de carga (Fuente: Carpenter, 1997).

Agrietamiento

(Fuente: AAPT)

• La fractura es finalmente la tercera teoría de fatiga, la cual basa este concepto en la mecánica de fractura, en el que se estudia el comportamiento y propagación de las grietas.

Agrietamiento

(Fuente: AAPT)

Análisis de muestras para análisis de agrietamiento

- Probeta completa (Bulk test)

- Área reducida

- Endidura o fisura (Notched test)

Agrietamiento

• Introducción

• Agrietamiento





La mecánica de fractura se ha desarrollado desde los materiales metálicos, madera, piedra, cerámicos, poliméricos y materiales viscoelásticos (como pueden ser las mezclas asfálticas). En ellos se estudia la rotura en la cual esta puede ser frágil, elástica, plástica o viscoelástica.

La teoría de mecánica de fractura asume que el material tiene propiedades homogéneas.

Energía de fractura

(Fuente: Laveissiere)


(Fuente: Oller)


(Fuente: Gonzalo Valdés)

• Introducción

• Agrietamiento





• Dentro de los objetivos de este ensayo es obtener parámetros comunes en la mecánica de fractura como es la resistencia al agrietamiento y la tenacidad. Así también, se puede obtener parámetros como son resistencia a tensión, energía disipada, índice de rigidez, índice de tenacidad y desplazamiento (carga máxima, carga a la rotura entre otros).

• Este ensayo permite evaluar diferentes materiales utilizados en las mezclas asfálticas, tipos de mezclas utilizadas, variables de ejecución (temperatura y energía de compactación), entre otras.

• El ensayo 8TD permite simular el mecanismo de fractura modo I, cuando estas esten solicitadas mediante esfuerzos térmicos o cargas de vehículos, siendo la tensión pura el que simula mejor el comportamiento al agrietamiento de una mezcla asfáltica.

Desarrollo del ensayo 8TD


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

5 10 15 20 25 30 35

ENER

GÍA

DE

FRA

CTU

RA

(J/

M2 )

TEMPERATURA DE ENSAYO (°C)

Variables de ensayo-energía de fractura en ensayo 8TD

ranura 2cm-velocidad 1mm/min ranura 2cm-velocidad 0.5mm/min ranura 2cm-velocidad 2mm/min

ranura 3cm-velocidad 0.5mm/min ranura 3cm-velocidad 1mm/min ranura 3cm-velocidad 2mm/min

• Introducción

• Agrietamiento





Análisis de resultados

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Car

ga(k

N)

Dezplazamiento(mm)

Contenido de asfalto

1% menos de asfalto 1% más de asfalto Optimo de asfalto

Tipo de

mezcla

Fmáx

(kN)

½ Fmáx

(kN)

Smáx

(mm)

Sm

(mm)

Smdp

(mm)

Wd

(kN*mm)

Wmáx

(kN*mm)

Ws

(kN*mm)

1%menos 0.7378 0.3689 3.189 1.394 4.478 1.7904 1.0878 0.7051

1% más 0.8297 0.41485 3.637 1.754 5.524 2.5401 1.4 1.1394

Óptimo 0.8297 0.41485 2.829 0.784 4.494 1.9715 1.0419 0.9291

Tipo de

mezcla

Ef

(kN/mm)

Rt

(MPa)

Irt

(kN*mm)

Gd

(J/m2)

Ie

(J/m2)

It

(J/m2)*mm

1%menos 229.93 229933.11 0.26463 557.97 86.53 1678.79

1% más 271.17 271177.82 0.23651 830.20 167.04 3413.64

Óptimo 288.53 288537.02 0.52914 685.61 152.26 2367.36


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Car

ga (

kN)

Dezplazamiento (mm)

Tipo de asfalto

PG 58 -16 PG 76 -16 (asfalto modificado) PG 64 -16

Tipo de

mezcla

Fmáx

(kN)

½ Fmáx

(kN)

Smáx

(mm)

Sm

(mm)

Smdp

(mm)

Wd

(kN*mm)

Wmáx

(kN*mm)

Ws

(kN*mm)

PG 76-16 1.2641 0.63205 2.788 1.473 3.718 2.0488 1.1538 0.8978

PG 58-16 0.5639 0.28195 3.23 1.052 5.226 1.391 0.6638 0.7313

PG 64-16 0.8297 0.41485 2.829 0.784 4.494 1.9715 1.0419 0.9291

Tipo de

mezcla

Ef

(kN/mm)

Rt

(MPa)

Irt

(kN*mm)

Gd

(J/m2)

Ie

(J/m2)

It

(J/m2)*mm

PG 76-16 453.88 453876.09 0.4291 735.62 141.26 2090.71

PG 58-16 185.64 185636.95 0.2680 457.92 126.57 2024.33

PG 64-16 288.54 288537.03 0.5291 685.61 152.27 2367.37


-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Car

ga(k

N)

Dezplazamiento(mm)

Mezclas con RAP

Mezcla con 50% de RAP Mezcla sin RAP

Tipo de

mezcla

Fmáx

(kN)

½ Fmáx

(kN)

Smáx

(mm)

Sm

(mm)

Smdp

(mm)

Wd

(kN*mm)

Wmáx

(kN*mm)

Ws

(kN*mm)

Con

50%RAP

1.3943 0.69715 2.427 0.851 3.792 3.9264 1.9874 1.9403

Sin RAP 0.8297 0.41485 2.829 0.784 4.494 1.9715 1.0419 0.9291

Tipo de

mezcla

Ef

(kN/mm)

Rt

(MPa)

Irt

(kN*mm)

Gd

(J/m2)

Ie

(J/m2)

It

(J/m2)*mm

Con

50%RAP

464.27 464271.66 0.8192 1307.41 319.27 4015.27

Sin RAP 288.54 288537.03 0.5291 685.61 152.27 2367.37


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Car

ga(k

N)

Desplazamiento(mm)

Envejecimiento de la mezcla

Mezcla asfáltica con envejecimiento Mezcla asfáltica sin envejecimiento

Tipo de

mezcla

Fmáx

(kN)

½ Fmáx

(kN)

Smáx

(mm)

Sm

(mm)

Smdp

(mm)

Wd

(kN*mm)

Wmáx

(kN*mm)

Ws

(kN*mm)

Mezcla

envejecida

0.8733 0.43665 2.873 1.379 4.326 2.048 1.018 1.0161

Mezcla no

envejecida

0.8297 0.41485 2.829 0.784 4.494 1.9715 1.0419 0.9291

Tipo de

mezcla

Ef

(kN/mm)

Rt

(MPa)

Irt

(kN*mm)

Gd

(J/m2)

Ie

(J/m2)

It

(J/m2)*mm

Mezcla

envejecida

270.56 270559.79 0.3166 634.50 156.19 2297.25

Mezcla no

envejecida

288.54 288537.03 0.5291 685.61 152.27 2367.37

• Introducción

• Agrietamiento





Conclusiones

• El ensayo “8TD” es un ensayo confiable para medir la energía de fractura de una mezcla asfáltica

• En este ensayo se representa el estado de tensiones puras, lo cual tiene una similitud con algunos esfuerzos que se presentan en la carpeta asfáltica como son el estado de tensiones en modo I.

• Puede ser utilizado en el diseño de mezclas asfálticas o para control de calidad de campo de las mismas.

Conclusiones

• Evalúa las diferencias que puede tener una mezcla asfáltica durante su fabricación como son contenido y tipo de asfalto.

• Es un ensayo muy importante en el análisis de mezclas con RAP, tanto en diseño como en el control de las mismas.

• Es otra alternativa en el mercado de las mezclas asfálticas para medir la energía de fractura, pero con una geometría y procedimiento menos complejo.

Líneas futuras de investigación

• Correlacionar los resultados de energía de fractura con el agrietamiento por fatiga con la ley de Paris.

Nf = K1 * e-K2 * GdK3

• Analizar más variables de ensayo como son diferentes granulometrías, tipo de mezclas y asfaltos.

Líneas futuras de investigación

• Realizar un estudio más profundo de mezclas con diferentes contenidos de RAP.

• Analizar los resultados obtenidos en la energía de fractura con el ensayo “8TD” y otros ensayos que evalúan el mismo comportamiento, como pueden ser el Fénix, BTD, DC, SCB, entre otros.

• Convertir el ensayo “8TD” en dinámico, el cual pueda evaluar también el número de ciclos a la falla, entre otras propiedades de la mezcla.

Agradecimientos

-Al Grupo SURFAX

-A la constructora CYPSA VISE

-A la empresa GCTS

-A la Constructora Asfaltos Guadalajara

-A la concesionaria Red de Carreteras de Occidente

-A la Universidad de Guadalajara

-A la Universidad Autónoma de Querétaro

Pedro Limón Covarrubias

Universidad de Guadalajara

[email protected]

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