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Contrato de servicios de proyectos de I+D+i relativos al ámbito competencial de la Consejería de Obras Públicas y Vivienda para los años 2012 y 2013 Influencia de los betunes modificados en el comportamiento mecánico de mezclas Bituminosas G-GI3000/IDIR METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS EBADE Granada, OCTUBRE de 2012 Instrucción Técnica 01.2012

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Contrato de servicios de proyectos de I+D+i relativos al ámbito competencial de la Consejería de Obras Públicas y

Vivienda para los años 2012 y 2013

Influencia de los betunes modificados en el

comportamiento mecánico de mezclas Bituminosas G-GI3000/IDIR

METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE

LOS ENSAYOS EBADE

Granada, OCTUBRE de 2012

Instrucción Técnica 01.2012

E.T.S.I.C.C.P Laboratorio de Ingeniería de la Construcción

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METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS EBADE

ÍNDICE

1 Introducción. ___________________________________________________________ 4

2 Objeto _________________________________________________________________ 4

3 Procedencia y autoría _________________________________________________ 5

4 Ensayo EBADE ________________________________________________________ 5

4.1 Definición __________________________________________________________ 5

4.2 Fabricación de las probetas _______________________________________ 6

4.3 Metodología del ensayo ____________________________________________ 7

5 Bibliografía ___________________________________________________________ 13

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METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS EBADE

1 Introducción.

Las reuniones iniciales del proyecto de investigación, se planteó que podría

ser de interés para el objetivo principal del mismo el poder contar con otros

centros de investigación que aportasen una experiencia suficiente en el estudio

específico de los betunes y poder caracterizar a fondo el comportamiento de

los mismos en función de su naturaleza y las distintas combinaciones de

éstas (betunes convencionales / betunes modificadas).

Una vez concretada por parte del LabIC la colaboración con la Universidad de

Politécnica de Cataluña y la aprobación de la misma por parte de la Agencia

de Obra Pública de la Junta de Andalucía, se les ha hecho llegar todo el

material, con la identificación y trazabilidad requerida en este proyecto,

estando en condiciones de acometer un plan de ensayos previamente

establecido y suficiente para obtener conclusiones consistentes desde el punto

de vista investigador.

2 Objeto

Para realizar los ensayos EBADE, como cualquier rutina que se acomete en

un laboratorio de materiales en donde la sistemática es esencial, es necesario

disponer de una instrucción técnica que recoja y defina todos los

Laboratorio de Ing. de la Construcción E.T.S.I.C.C.P

gina 5

procedimientos y métodos que han de aplicarse sin dejar lugar a

interpretaciones personales que pudieran desvirtuar los resultados.

Es objeto por tanto del presente documento el presentar una instrucción

técnica para la realización e interpretación de los ensayos EBADE que se

llevarán a cabo dentro del proyecto de investigación.

3 Procedencia y autoría

Todas las especificaciones que a continuación se detallan son propiedad y

han sido desarrolladas por el Laboratorio de Caminos de la Escuela Técnica

Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la UPC, habiendo

sido facilitado el documento base por el Prof. Dr. Miró Recasens, para

utilización a nivel interno del presente proyecto, debiéndose recabar

autorización expresa de los autores para su posible difusión.

4 Ensayo EBADE

4.1 Definición

El ensayo EBADE (Ensayo de BArrido de DEformaciones) es un ensayo

cíclico uniaxial de tracción-compresión realizado a desplazamiento controlado.

La deformación impuesta a la probeta se calcula teniendo en cuenta la altura

de esta. Para su aplicación en ligantes se emplea una probeta cilíndrica de 20

mm de diámetro y alrededor de 40 mm de altura, figura 1.

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Figura 1: Dimensiones de las probetas cilíndricas empleadas en el ensayo EBADE para ligantes (unidades en milímetros)

4.2 Fabricación de las probetas

Para la fabricación de las probetas se calienta el ligante en estufa hasta 120-

130oC durante 2 horas. Posteriormente se vierte el ligante en un molde

cilíndrico. Se emplea papel anti-adhesivo para facilitar el desmolde y se

excede con holgura la altura deseada de la probeta final. Una vez la probeta

adquiere la temperatura deseada, se retira la parte superior del papel

adhesivo hasta y mediante una espátula caliente se enrasa la probeta a la

altura objetivo1

1 Para conocer todos los detalles y especificaciones técnicas relativas a los trabajos a desarrollar en el laboratorio, tanto preparatorios como de ejecución del propio ensayo se puede consultar: “Pérez F., Miró R., Martínez A., Alonso J., Cepeda J. y Rodríguez M. (2005). Desarrollo de un Nuevo Procedimiento para la Evaluación del comportamiento a Fatiga de las Mezclas Bituminosas a Partir de su Caracterización en un Ensayo a Tracción. Primer Premio Internacional a la Innovación en Carreteras Juan Antonio Fernández del Campo. España.”

, figura 2.

Laboratorio de Ing. de la Construcción E.T.S.I.C.C.P

gina 7

Figura 2: Probeta de betún en su molde antes de ser enrasada

Las probetas son adheridas a la máquina de ensayo mediante un adhesivo de

cianocrilato. Según las especificaciones del fabricante el adhesivo endurece en

menos de 15 minutos, aunque por precaución se estableció un periodo de 1

hora de secado antes de comenzar el ensayo. Este tipo de adhesivo presenta

un módulo elástico muy superior al del ligante y por lo tanto se puede

suponer que su deformación es despreciable, figura 3.

Figura 3: Probeta de betún adherida a la máquina de ensayo lista para ser ensayada

4.3 Metodología del ensayo

El procedimiento del ensayo EBADE consiste en aplicar un cierto número de

ciclos a una deformación constante imponiendo un desplazamiento vertical

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senoidal a una frecuencia dada. Una vez se alcanza el número de ciclos

programado, se aumenta la amplitud del desplazamiento y se aplican el

mismo número de ciclos. De esta forma cada cierto número de ciclos la

deformación aumenta un valor determinado que en este caso se mantuvo

constante. En las figura 4 se muestra un ejemplo de la señal impuesta

durante los ensayos.

Figura 4: Ejemplo de la señal impuesta durante un ensayo EBADE con dos ciclos por escalón de deformación

El número de ciclos por escalón empleado normalmente son 5000, es decir,

cada 5000 ciclos aumenta la amplitud de deformación. El primer escalón se

realiza con una amplitud de desplazamiento de 30 micras, y esta se

incrementa escalón a escalón en 30 micras. La altura de las probetas se fija

en 39.5 mm.

La adquisición de datos se realiza registrando 50 puntos de carga y

desplazamiento a lo largo de 1 ciclo cada 100 ciclos. De esta forma se puede

controlar la evolución de la señal resultante de carga y la elipse que se forma

Laboratorio de Ing. de la Construcción E.T.S.I.C.C.P

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en el plano carga-desplazamiento. De cada ciclo se obtiene la carga y el

desplazamiento máximo, y teniendo en cuenta la altura y sección de la

probeta se obtiene la deformación y tensión máximas, ecuaciónes 1 y 2. Con

estos dos valores se puede obtener el valor del módulo complejo, figura 5.

Donde F es la fuerza máxima registrada por la célula de carga, S es la

sección transversal de la probeta, D es el desplazamiento máximo, h es la

altura de la probeta y E*es el módulo complejo.

Figura 5: Cálculo aproximado del módulo complejo como la inclinación de la elipse tensión-deformación en un ensayo cíclico

Monitorizando ciclo a ciclo el valor del módulo complejo se puede evaluar la

evolución del daño inducido a la probeta por los ciclos aplicados y el

incremento de la deformación. También es posible obtener el ángulo de fase

en cada ciclo, ya que el software de adquisición de datos registra el instante

en que se realiza cada medición, por lo tanto este se puede obtener

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calculando la diferencia temporal entre el máximo de deformación y el máximo

de tensión y teniendo en cuenta la frecuencia de ensayo, ecuación 4.

Donde es el ángulo de fase, tmax y t"max son los tiempos para la

deformación y tensión máximas respectivamente y f la frecuencia de ensayo.

En las figuras 6 y 7 se muestra un ejemplo de las gráficas de tensión y

módulo obtenidas en un ensayo EBADE. Los niveles de deformación que no

causan degradación en el ligante se caracterizan por mantener constante el

valor de la tensión y por lo tanto el del módulo, mientras que cuando se

alcanzan niveles de deformación superiores al límite viscoelástico lineal se

observa una disminución del módulo con el número de ciclos dentro de un

mismo escalón.

Figura 6: Ejemplo de gráfica de evolución de la tensión registrada con el número de ciclos en el ensayo EBADE

Laboratorio de Ing. de la Construcción E.T.S.I.C.C.P

gina 11

Figura 7: Ejemplo de gráfica de evolución del módulo complejo con el número de ciclos en el ensayo EBADE

El área encerrada por la elipse que se forma en el plano tensión-deformación

durante cada ciclo de carga aplicado es proporcional a la Densidad de

Energía Disipada en cada ciclo debido al comportamiento viscoelástico del

material. Para el cálculo de esta área se emplea la Fórmula Determinante de

Gauss, ecuación 5. Esta expresión permite calcular el área del polígono

cerrado por una serie de n puntos en el plano xy.

Donde S es el área del polígono en unidades [x] · [y] y xi; yi son las

coordenadas de los n puntos ordenados horaria o anti-horariamente por

proximidad. Finalmente, en el caso que nos ocupa, para obtener la Densidad

de Energía Disipada, ED, en J=m3 se emplea la ecuación 6:

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Donde g es la aceleración de la gravedad, A la sección transversal de la

probeta, h la altura de la probeta.

En ensayos a deformación constante esta magnitud disminuye a medida que

el daño en el material aumenta, figura 8. Los niveles de deformación que no

causan daño se caracterizan por mantener constante la densidad de energía

disipada, ED. Por otro lado es mayor cuanto mayor es la deformación

aplicada, obviamente el área de la elipse aumenta cuando aumenta la

deformación hasta que se alcanza la deformación máxima que puede soportar

el material y se produce la rotura, en cuyo momento la ED se hace cero,

figura 9.

Figura 8: Ejemplo de la evolución de las elipses tensión-deformación con el número de ciclos en un ensayo de barrido de tiempo

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Figura 9: Ejemplo de la evolución de las elipses tensión-deformación con la deformación aplicada en un ensayo de barrido de deformaciones

5 Bibliografía

Alonso J. (2006). Estudio del proceso de deformación y agrietamiento por

fatiga de mezclas bituminosas sometidas a carga cíclica. Tesis Doctoral,

Escuela de Caminos Canales y Puertos de Barcelona, Universidad

Politécnica de Cataluña. Dirigida por F. Pérez.

Baaj H. and H. Di Benedetto (2005). Effect of Binder Characteristics on

Fatigue of Asphalt Pavement Using an Intrinsic Damage Approach. Road

Materials and Pavement Design. Vol. 6, N° 2, pp. 147-174.

Di Benedetto H., de La Roche C., Baaj H. and Pronk A. (2003). Fatigue of

Bituminous Mixtures: Different Approaches and RILEM Group Contribution.

Sixth International RILEM Symposium on Performance Testing and

Evaluation of Bituminous Materials, 15 – 38.

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Mezclas bituminosas. Métodos de ensayo para mezclas bituminosas en

caliente. Parte 24: Resistencia a la fatiga. (2007). Norma europea EN

12697-24:2004+A1.

Pérez F., Miró R., Martínez A., Alonso J., Cepeda J. y Rodríguez M..(2005).

Desarrollo de un Nuevo Procedimiento para la Evaluación del

comportamiento a Fatiga de las Mezclas Bituminosas a Partir de su

Caracterización en un Ensayo a Tracción. Primer Premio Internacional a la

Innovación en Carreteras Juan Antonio Fernández del Campo. España.

Pérez F., Miró R., Martínez A., Botella R., Reyes O. and Valdés G. (2009).

False Failure in Flexural Fatigue Tests. 2nd Workshop on 4 PB - Four Point

Bending, 47-57.