estado del arte del deterioro mecánico del asfalto
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8/19/2019 Estado Del Arte Del Deterioro Mecánico Del Asfalto
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Estado del Arte del Deterioro
Mecánico del Asfalto Tecnología de materiales Civ-251
Profesora: Fabiola Pineda
Integrantes: Felipe Rivera Barrera 201354049-k
Esteban Opazo Verdugo 201311015-0
Roberto Opazo Verdugo 201311005-3
Hugo Navarrete Gómez 201211038-6
Luis Pavez Peña 201311037-1
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INTRODUCCIÓN
El asfalto es un producto negro, viscoso, pegajoso, que por sus propiedades y características tiene
actualmente toda una variedad de usos. Por su versatilidad y fácil manejo es ampliamente utilizado en
diferentes ramas de la construcción. El asfalto es un material de vital importancia en muchos ámbitos de la
construcción, sin embargo su mayor protagonismo reside en la utilización que ha tenido para la construcción
de carreteras en todo el mundo. La gran capacidad que tiene el asfalto como ligante entre agregados, su
condición impermeabilizante que protege al pavimento de la humedad y su gran resistencia a la acción de
esfuerzos ocasionados por las cargas vehiculares, han hecho que este material sea considerado imprescindible
en los proyectos de construcción de vías pavimentadas.
A pesar de la gran resistencia que posee el asfalto ante las cargas vehiculares, éste aun así experimenta fallas,
debido a la repetida acción de cargas sobre éste, lo que provoca agrietamientos y deformaciones permanentes
que se acumulan en todas las capas que componen la estructura vial.
Basándonos en lo último que se ha mencionado, en el presente informe se hará un estado del arte del
deterioro mecánico del asfalto, en donde se mencionarán las propiedades y características generales del
asfalto, se analizará detalladamente el comportamiento mecánico de los pavimentos asfálticos ante la acciónreiterada de cargas, se hablará sobre los principales tipos de deterioro mecánico, definiendo cada uno de ellos
y nombrando los más importantes; posteriormente se mencionarán los principales modelos que se han
propuesto durante los últimos años para analizar el comportamiento mecánico del pavimento asfáltico y para
predecir de manera empírica el comportamiento que tendrá ante un número determinado de cargas cíclicas.
Finalmente se nombrarán algunos tipos de ensayos que se han utilizado para la elaboración de los distintos
modelos de predicción, en donde se nombrarán y se describirán los más importantes.
El objetivo es hacer un estudio de los tipos de deterioro mecánico del asfalto, de las causas que provocan
estos deterioros en los pavimentos asfálticos y de los modelos que se utilizan para la comprensión del
comportamiento mecánico del asfalto ante determinados factores, ya que conocer esto, en el ámbito de la
ingeniería civil, es muy importante si se quieren emplear técnicas de reparación que permitan mantener los
pavimentos en condiciones adecuadas para el uso cotidiano.
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ASFALTO: ASPECTOS GENERALES
El asfalto, también denominado betún, es un material
viscoso, pegajoso y de color negro. Se utiliza mezclado con
arena o gravilla para pavimentar caminos y como
revestimiento impermeabilizante de muros y tejados. El
asfalto se encuentra en depósitos naturales, pero casi todoel que se utiliza hoy es artificial, derivado del petróleo. Para
pavimentar se emplean asfaltos de destilación, hechos con
los hidrocarburos no volátiles que permanecen después de
refinar el petróleo para obtener gasolina y otros productos.
Si bien el asfalto es un material viscoso que se puede utilizar
como revestimiento impermeabilizante de muros y tejados.
En este informe nos vamos referir precisamente al hormigón asfaltico utilizado en vialidad.
El hormigón asfaltico consiste en un agregado de asfalto y materiales minerales, los cuales consisten en una
mezcla de áridos.
No solo por sus propiedades mecánicas se utiliza para la construcción de carretera sino que por su gran
impermeabilidad la cual evita que las fundaciones de las vías colapsen por hundimiento. Si bien esta es una
de las grandes fallas en vialidad, en este informe nos concentraremos en el deterioro del tipo mecánico: cargas
automovilísticas las cuales se caracterizan por ser a baja y alta temperatura, otro factor interesante al
momento de analizar el deterioro es la frecuencia con la que se repiten estas mismas, además de la fatiga en
el mismo pavimento
COMPORTAMIENTO DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS
El comportamiento de estas mezclas
ante un proceso de carga es mediante
el desarrollo instantáneo de
deformaciones específicas de tipoelástico 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
viscoelástica 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.
TIPOS DE DETERIORO MECÁNICO DEL CONCRETO ASFÁLTICO
a DEFORMACIONES PERMANENTES
El asfalto es un material que puede ser considerado elástico – lineal a temperaturas bajas y frecuencias de
carga altas, pero muestra propiedades viscosas y plásticas a temperaturas mayores. Debido a este
comportamiento, las cargas repetidas del tránsito generan deformaciones permanentes en las capas
asfálticas, especialmente durante el periodo de verano, donde las temperaturas son mayores. Las
deformaciones permanentes o ahuellamientos son el deterioro caracterizado por la existencia de una sección
transversal de la superficie que ya no ocupa su posición original. Se llama deformación permanente pues
representa la acumulación de pequeñas deformaciones producidas con cada aplicación de carga y que sonirrecuperables. En las mezclas asfálticas son uno de los modos de falla más frecuentes que se producen sobre
los pavimentos y consisten en una depresión canalizada en la huella de circulación de los vehículos. Los
pavimentos asfálticos ahuellados tienen una seguridad deficiente y representan un serio peligro a los
vehículos que transporten por estos, dado que los surcos que se forman retienen suficiente agua como para
provocar hidroplaneo o acumulación de hielo, además de desniveles que podrían afectar la conducción.
El comportamiento de las mezclas asfálticas con respecto a las deformaciones permanentes depende
fuertemente del tipo de ligante utilizado, así como de la composición de la mezcla, forma y tamaño de las
partículas, así como de la calidad de los agregados y aditivos (cuando éstos son empleados). Dentro de los
factores que afectan a la deformación permanente se encuentran la temperatura, el ancho de carriles y la
velocidad del tránsito.
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Después de la fase de consolidación al comienzo de la vida de servicio del pavimento, el índice de
deformaciones permanentes normalmente decrece con un incremento en las repeticiones de carga, hasta
que se vuelve razonablemente constante. Finalmente, el índice de deformación permanente puede comenzar
a incrementarse con un aumento en las repeticiones de cargas. Esta última fase ocurre sobre el camino sólo
en situaciones extremas, e indican deterioro total.
Una de las formas de deterioro más fuertemente asociada a los mecanismos de falla que se generan por laacumulación de deformación permanente en la superficie y que abordaremos en esta investigación es la
formación de roderas. Existen dos principales tipos de roderas: roderas por fallas en la subrasante y roderas
por fallas en la capa de asfalto (Figura 0-0).
El perfil transversal de la
deformación es diferente en
cada caso, ya sea por falla en
la subrasante o por falla en la
capa (o mezcla) asfáltica, y es
relativamente fácil de
distinguir cuando se produce
uno u otro. Cuando la
deformación proviene de la
subrasante debilitada la
mezcla asfáltica acompañará
dicha deformación
observándose un descenso
del nivel de la mezcla
coincidente con la huella de
circulación. Por su parte cuando la
deformación es debida a la capa
asfáltica se produce, además del descenso de la mezcla en coincidencia con la huella, un ascenso de la misma
en los laterales de la huella de circulación. Este tipo de movimiento no es ni más ni menos que una típica falla
de corte.
Si realizamos un enfoque más general, también se podrían clasificar estas deformaciones permanentes según
el comportamiento estructural que presente el pavimento, entre las cuales brevemente definimos a las
siguientes:
-Deformación Elástica: Ocurre cuando una carga deforma temporalmente los materiales de la cimentación y
comprime el aire que llena los vacíos en la base, subbase y subrasante. Si la deformación fuera realmente
elástica, la superficie regresa a su posición original después de que la carga pasa, por lo que no se produce
una falta de uniformidad permanente, aún bajo aplicaciones de carga.
-Deformación por Consolidación: Se trata de deformaciones cerca del centro de la carga asociada sin el
acompañamiento de elevaciones laterales, que ocurren cuando la carga produce una presión suficientemente
elevada en los poros del suelo para expulsar parte del aire y agua, con lo que se consolida el material. La
deformación progresa con las repeticiones adicionales de carga hasta que las capas afectadas se consolidan.
-Deformación Plástica: Aparecen cuando la presión del agua y del aire dentro de los poros del material de
cimentación u otros, se combinan con fuerzas producidas por la carga para desplazar el material del camino.
La deformación provocada es progresiva bajo la repetición de las cargas, manifestándose mediante una
depresión cerca del cetro de la carga aplicada, con elevaciones a cada lado de la depresión.
-Deformación Mecánica: Corresponde al asentamiento de las capas inferiores, que puede acompañarse por
grietas en las capas de pavimento. Ocurre cuando la estructura del pavimento no está bien construida o
proyectada.
A continuación, ahondaremos más en los dos tipos de fallas por roderas que se mencionaron en un principio,
y que son el principal foco de atención por deformaciones permanentes.
Roderas por fallas en la subrasante
Este tipo de roderas son causadas por un
excesivo esfuerzo repetido en las capas
interiores (base o subbase) bajo la capa de
asfalto (Figura 0-1), la que posteriormente
cede y se deforma. Si bien los materiales
duros pueden reducir parcialmente este tipo
de roderas, es considerado un problema
estructural más que de los materiales en sí.
Este problema generalmente es el resultado
de una sección de pavimento demasiado
delgada sin la suficiente profundidad para
Figura 0-0 Fallas en capas del Pavimento Asfáltico
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reducir, a niveles tolerables, las tensiones y esfuerzos sobre la subrasante cuando las cargas son aplicadas.
También puede explicarse por una escasa compactación de las capas de suelo o el ingreso de agua o por la
intrusión de humedad, lo cual debilita y afecta a la subrasante. Por ende, la deformación en este caso ocurre
en la subrasante más que en las capas de asfálticas.
Roderas por fallas en la capa de asfalto El tipo de roderas que más preocupa a los diseñadores de mezclas asfálticas es la deformación de las capas de
asfalto. Esta deformación es el resultado de una mezcla de asfalto sin la suficiente capacidad de resistencia alcorte para resistir cargas pesadas repetitivas (Figura 0-2). Una mezcla débil va acumulando pequeñas (pero
permanentes) deformaciones con cada vehículo de peso considerable que pasa, como por ejemplo un camión,
y eventualmente forma una ruta caracterizada por una inclinación y deslizamiento lateral de la mezcla. Las
roderas pueden ocurrir en el curso de la superficie de asfalto, o bien las roderas que se ven en la superficie
pueden ser causadas por el debilitamiento de alguna de las capas bajas de asfalto.
Las roderas de una mezcla asfáltica débil
ocurren típicamente durante el verano, bajo
temperaturas altas del pavimento. Mientras
esto podría sugerir que las roderas del
cemento asfáltico son un problema causado
por el sol, es más correcto pensar que sonuna combinación entre la resistencia de los
agregados minerales y el cemento asfáltico.
Este tipo de deformaciones permanentes se
producen primero con un cambio de
volumen debido a la compactación por el
paso del tránsito; luego se producen deformaciones a volumen constante por flujo de la mezcla. Finalmente,
se produce un tercer estado denominado como “tercer flujo” en el cual la mezcla pierde la capacidad de tomar
carga y se deforma rápidamente, este proceso está asociado con cambios de volumen en la mezcla asfáltica.
Fallas que se presentan por Deformaciones permanentes
A continuación se mencionarán y explicarán las principales fallas que son posibles de encontrar en los
pavimentos asfálticos y que son catalogadas como deformaciones permanentes. Además cada una de ellas
incluye una imagen para ejemplificarlas.
-AhuellamientosSon depresiones canalizadas que se forman bajo las huellas de las ruedas
de los vehículos. Los ahuellamientos pueden producirse por la
consolidación o por el movimiento lateral de una (o más) de las capas
inferiores, o bien por desplazamientos en la propia capa asfáltica
superficial. Pueden desarrollarse bajo la acción del tránsito, sobre todo en
los pavimentos asfálticos nuevos que han tenido poca compactación
durante la construcción.
-Ondulaciones y desplazamientos La ondulación es una forma de movimiento tipificada por “ondas” que se
presentan en la superficie del pavimento asfáltico. El desplazamiento es
una forma de movimiento plástico consistente en un hundimiento y
levantamiento localizado de la superficie del pavimento. Generalmente
ocurren en los sitios donde los vehículos frenan durante alguna bajada, en
las curvas cerradas y donde los vehículos golpean un resalte. Las
ondulaciones y desplazamientos normalmente se producen en las capas
asfálticas que carecen de estabilidad, la que a su vez se debe a que la
mezcla del concreto asfáltico es demasiado rica en asfalto. También puede
ser ocasionada por la alta proporción de agregados finos, o debido a que la
superficie del pavimento tiene una superficie demasiado lisa.
-Depresiones en la rasanteLas depresiones son áreas bajas localizadas y de tamaño reducido que
pueden estar o no acompañadas de fisuras. Penetran varios
centímetros (desde 2 cm a más) por debajo de la rasante, provocando
así que el agua se estanque en ellos. Pueden ser ocasionadas por un
tránsito de vehículos más pesados que los considerados para el diseño
del pavimento o bien por haberse empleado métodos constructivos
deficientes.
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-LevantamientosEl levantamiento es el desplazamiento localizado de un
pavimento hacia arriba, debido al hinchamiento de la
subrasante o de alguna parte de la estructura del pavimento.
Son causados principalmente por la expansión del hielo en las
capas inferiores del pavimento o de la subrasante. También
pueden ser causados por el hinchamiento de los suelosexpansivos debido a la humedad.
b AGRIETAMIENTO POR FATIGA
La fisuración o agrietamiento por fatiga de las capas de mezcla asfáltica es uno de los mecanismos de deterioro
más frecuente en los pavimentos flexibles. En ingeniería, la fisuración, y en especial, el fenómeno de fatiga,
están asociados al deterioro que se produce en un material a consecuencia de la aplicación de cargas repetidas
con una magnitud muy inferior a la resistencia máxima que puede soportar el material.
El efecto por fatiga puede generarse por diferentes razones, dentro de las más comunes se presentan porcalidad de las mezclas asfálticas e insuficiencia del espesor.
La fatiga en las mezclas bituminosas o asfálticas se traduce en una pérdida de su resistencia y se pone de
manifiesto por la disminución de la rigidez y por las fisuras generalizadas causadas por el aumento de las
deformaciones superficiales elásticas. Es por este motivo, que para el dimensionamiento de un firme es
necesario conocer el comportamiento y la resistencia a fatiga que tendrán todas las capas de la mezcla
asfáltica que componen el pavimento.
Se ha identificado que las primeras fisuras encontradas en el pavimento son fisuras de tipo longitudinal; así
pues, los daños son causados por las tensiones transversales. Consecuentemente, las tensiones transversales
son más perjudiciales que las longitudinales en las mismas condiciones. Posteriormente, las fisuras
transversales se reproducen hasta que se llega a la denominada fisuración generalizada del pavimento (“piel
de cocodrilo”).
Tipos de fisuras por fatiga
Fisuras Longitudinales:
Corresponden a fisuras predominantemente paralelas al eje de la vía y localizadas en áreas sujetas al tránsito
vehicular (huellas del tránsito). El fisuramiento se inicia en la superficie de las capas asfálticas y evolucionan
en sentido descendente.
Las causas más comunes de este tipo de deterioro son los altos esfuerzos horizontales de tensión producidos
por las llantas de los vehículos pesados, así como una baja rigidez de la capa asfáltica superior, a causa de las
altas temperaturas superficiales.
Fisuras Piel de Cocodrilo:
Corresponden a una serie de fisuras interconectadas que se generan
formando polígonos irregulares de ángulos agudos, generalmente
localizadas en áreas sujetas al tránsito vehicular. El fisuramiento se inicia
en la parte inferior de las capas asfálticas donde los esfuerzos y las
deformaciones de tensión producto de las cargas repetidas de tránsito,
alcanzan su mayor magnitud.
La causa principal de estas fisuras es la fatiga de las capas asfálticas
sometidas a repeticiones de cargas en un mismo sitio, superiores a las
permisibles. Otra causa puede ser la insuficiencia estructural del
pavimento.
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MODELOS DEL DETERIORO MECÁNICO DEL CONCRETO ASFÁLTICO
1 Modelos semi-empíricos
Los mecanismos fundamentales de la fatiga de un AC (Asphalt Concrete; Concreto Asfáltico) son complicados.
En general, la fatiga es la acumulación de daños (en el sentido amplio) en los materiales bajo el efecto de la
carga repetida. La acumulación de fatiga por daños en mezclas de AC resulta en el agrietamiento, que es unode los principales deterioros mecánicos en pavimentos flexibles.
Las propiedades de la fatiga de AC se obtienen habitualmente mediante ensayos de laboratorio de carga
repetida. La ley de Paris (que se detalla en “The Uzan Model”) juega un papel importante en la vinculación de
la tasa de crecimiento de la grieta a la deformación por tracción desarrollada en la mezcla asfáltica. Además,
se han desarrollado modelos de fatiga basados en daño continuo o fractura mecánica. La ley de París también
se utiliza para vincular la tasa de crecimiento de la grieta a la degradación de los indicadores de tenacidad de
la fractura tales como el factor de intensidad de tensiones cuando se considera LEFM (Linear elastic fracture
mechanics)
a) Modelos fenomenológicos empíricos
Los modelos de esta categoría fueron desarrollados en base a los datos experimentales para vincular la vidade la fatiga (número máximo permitido de repeticiones Nf) a la deformación por tracción y el módulo de E *
dinámico de un AC. Una formulación típica puede representarse como:
−|∗|− En qué ,, son coeficientes de regresión. Un criterio de fallo típico para vida de la fatiga en unadeformación específica es la repetición de carga en el que los AC pierden su módulo en un 50%. Si = ypara los ensayos de tensión directa, ∗− −
Modelo de Monismith
Monismith (1969) propuso un modelo con el siguiente formato:
( 1 ) ( 1 )
Donde es la rigidez a la flexión, K es un factor que reconoce la influencia del contenido de asfalto y gradode compactación; = deformación por tensión aplicada, y a, b son coeficientes determinadosexperimentalmente.
Modelo de Shell
0.856 1.08−.
−
Donde =vida de la fatiga; = deformación por tensión; =rigidez a la flexión de la mezcla; y =Contenido de asfalto por volumen.
Modelo del “Asphalt Institute”
∗ 10[.−.] ∗ 0.004325 ∗ −. ∗ 0.856 1.08−. Donde =vida de la fatiga; =Factor de cambio para convertir los resultados de los test de laboratorio alcampo de resultados esperados (el factor recomendado es de 18,4 para un área agrietada del 10%); =deformación por tensión aplicada; =rigidez a la flexión de la mezcla; and VFB = huecos llenos de betún.Modelo de Tayebali (1996)
∗ 2.738 × 10 ∗ . ∗ −. ∗ ,,−. Donde =Factor de cambio para convertir los resultados de los test de laboratorio al campo de resultadosesperados (el factor recomendado es de 10 para un área agrietada del 10% y 14 para un 45%); e=base del
logaritmo natural; VFB = porcentaje de huecos llenos de betún; = nivel de deformación; y ,,= pérdida derigidez medida en flexión.
Modelo de Medani y Molenaar (2000)
( 1
)
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20.541 0.346 0.03524
log 6.589 3.762 3209 2.332log 0.149 0.928 0.0721&
Donde =coeficiente; = deformación inicial por tensión; m=pendiente de la curva de la mezcla maestra derigidez; &= punto de ablandamiento para aglutinante (determinado por una prueba de anillo y bola) (° C);= rigidez de la mezcla (Mpa); n= parámetro de fractura; = contenido de vacíos de aire (%); =Volumende aglutinante (%).
b) Modelos de la Mecánica de la fractura
Los modelos de fractura hechos usan la ley de propagación de grietas tanto para la mecánica de fractura
elástica lineal como para la mecánica de la fractura no lineal. Para LEFM se utiliza a menudo la ley París. Para
la mecánica elástica no lineal, se utiliza generalmente la J-integral.
Modelo de Uzan
Uzan (2007) modeló el agrietamiento por fatiga como un proceso de dos etapas que consiste en la iniciaciónde grietas y la propagación de grietas. La etapa de iniciación de grietas se caracteriza por ensayos de fatiga de
laboratorio convencionales; mientras que la etapa de propagación de grietas es descrita usando la ley de Paris-
Erdogan.
Uzan adoptó el modelo desarrollado por Tayebali (descrito más arriba) para modelar la iniciación de la grieta.
La Ley de Paris-Erdogan Δ fue usada como modelo de la propagación de la grieta para evaluar el
número de repeticiones de cargas necesarias para propagar la grieta. Donde c= largo de la grieta; N=número
de repeticiones de la carga; Δ=diferencia entre el máximo y mínimo del factor de intensidad de esfuerzo K;y A, n = Propiedades del material.
Fractura Mecánica no lineal
Para la mecánica de fractura no lineal, se considera la deformación plástica. Un parámetro comúnmente
utilizado para la caracterización del comportamiento no lineal es la J-Integral, que puede ser utilizada tanto
como un parámetro de energía como un parámetro de intensidad de esfuerzos.
∫
Donde W= densidad de energía de deformación, Γ= contorno, y ds= diferencial de longitud a lo largo delcontorno, Al igual que el factor de intensidad de esfuerzos K en la mecánica elástica lineal, la tasa de
crecimiento de la grieta es una función de J en vez de K en la mecánica de la fractura no lineal.
c) Modelos basados en el daño
Los modelos de esta categoría se basan en el concepto de daño acumulativo.
Modelo de Castro y Sanchez
Castro y Sánchez (2008) propusieron un modelo fenomenológico basado en la teoría de daño continuo. Se
usó el ensayo tres puntos de fatiga por flexión para determinar los parámetros de la ecuación que se muestra
a continuación:
∙ ∙ Donde N es el número de ciclos de carga; es la deformación inicial; a, b y c son parámetros del concretoasfáltico determinados experimentalmente; D es el parámetro de daño,
|∗|−|∗|
∗ definido como la pérdida
de la norma del módulo complejo que toma lugar en una muestra durante un ensayo.
Modelo de Bodin
Bodin (2004) propuso un modelo de daño no local para predecir la el agrietamiento del pavimento por fatiga.
El modelo matemático utilizado para describir el daño mecánico es un modelo de daño basado en la
elasticidad de la fatiga.
∙ 1̅ + con ; ∑ ̅ + 1
Donde d es la variable de daño, ̅ es la amplitud de la deformación equivalente durante un ciclo; F(d) es lafunción escalar de daño; y es un parámetro del modelo.
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Los desarrollos permiten la consideración de cualquiera de las pruebas de control de estrés o tensión, que
dan los mismos resultados analizados. Un ejemplo de simulación de daños no lineal para un ensayo de fatiga
de esfuerzo controlado se presenta en la siguiente figura 3.3.
El modelado de este comportamiento de daño con
la ley DBN se puede hacer considerando que los
módulos iniciales de cada cuerpo EPi toman encuenta la fatiga por una ley de daños del siguiente
tipo:
ó, Donde : Daño del cuerpo tipo EP i en el ciclo N : Amplitud de la deformación en el ciclo N
b) Acumulación de deformaciones
permanentes
Las deformaciones permanentes, que crean formación de surcos en la carretera, tienen dos orígenes
diferentes:
1. La primera de ellas se puede observar durante el ensayo
de fluencia.
2. El segundo es puramente relacionado con el efecto
cycling, que crea una reorganización específica del
esqueleto granular.
Un experimento adaptado fue especialmente desarrollado
para cuantificar estas dos contribuciones (Neifar, 2002).
Modelar el primer efecto es posible cuando se considera laley viscoplástica clásica del tipo: ε = f (σ). El segundo
fenómeno, que es más complejo de caracterizar, puede ser
modelado con la ley DBN considerando que una
deformación no viscosa acumulada se introduce en el
modelo del cuerpo EPi.
De manera separada a los demás modelos se presenta uno construido a partir del análisis de elementos finitos
en 3d:
Modelo construido a partir del análisis de elementos finitos
En los últimos años, varios estudios analizan el comportamiento de los pavimentos flexibles asfalticos
desarrollando modelos de elementos finitos 3D, que son capaces de determinar con precisión tensiones y
deformaciones en pavimentos causadas por cargas aplicadas.
A diferencia de la mayoría de los métodos descritos anteriormente, este método puede ser una herramienta
de análisis complejo y costoso; Por tanto, es empleado sólo cuando se necesitan resultados y simulaciones
precisas de los problemas de pavimento. Además, este método permite considerar parámetros como por
ejemplo, la carga dinámica, discontinuidades, tales como grietas y articulaciones, comportamiento
viscoelástico y elástico no lineal, fundaciones rígidas, sistemas de amortiguación y la propagación de grietas.
Como ejemplo de aplicación se presenta el caso de los efectos de los fuertes impactos repetidos causados por
ruedas del tren de aterrizaje de aviones en los pavimentos de los aeropuertos. En particular, el papel
implementado un modelo 3-D para simular el comportamiento del pavimento bajo aterrizaje de aviones, con
el fin de investigar la relación entre la profundidad de la formación de surcos y el número de cargas.De manera simplificada se presentan fórmulas matemáticas utilizadas:
,, Donde (deformación) es una función del esfuerzo, temperatura y tiempo.Donde también la velocidad de deformación queda representada por:
̇ ∗ ∗ Donde
= Tasa de deformación uniaxial equivalente= Tensión desviadora equivalente uniaxial Tiempo total
A, n, m = usuario define constantes que son funciones de la temperatura.
A y n deben ser positivos con 1 < ≤ 0 Temperatura debe ser constante
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Para la estimación de la tensión se utiliza una malla cúbica, donde el grado de refinamiento es lo más
importante en la estimación del campo de tensiones en el pavimento: la más fina malla se requiere cerca de
las cargas para capturar los gradientes de tensión y deformación. La malla que se presenta tiene 69090 nodos
y 64124 elementos. En el modelo el elemento infinito se utiliza para representar el límite infinito en la
dirección de aterrizaje. La malla de elementos finitos considerado para el análisis se muestra en la siguiente
figura.
Para este caso las cargas se han aplicado sobre la superficie del pavimento con una presión máxima de 1.060
kPa y la distribución sobre la longitud de contacto se ilustra en la Figura 6.a.
Por simplicidad, se utilizó la curva de puntos para representar la distribución de la presión de contacto para
cada neumático en la simulación.
Dentro de cada ciclo, la carga se aplicó con un tiempo de duración de 0,01 segundos con el fin de simular la
velocidad de aterrizaje de aeronaves.
Para
analizar el comportamiento de la estructura del pavimento bajo ciclos de carga repetidas, en la simulación de
la carga fue retirado durante 1,0 segundos como se muestra en la figura 6.b.
Los resultados de la simulación se ilustran en las siguientes figuras. El desplazamiento se considera como una
respuesta de la aplicación de cargas repetidas. La magnitud final del desplazamiento U por debajo del centro
de la carga después de 1000 ciclos de carga es 0.39 mm
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La figura 8 muestra la deformación permanente (ahuellamiento) a través de la sección transversal bajo el
centro de embarque de los distintos ciclos de carga. La figura ilustra que la deformación permanente aumenta
junto con el aumento del número de ciclos de carga. Este resultado demuestra que el modelo es cap az de
capturar el comportamiento del pavimento bajo cargas repetidas.
La Figura 9 muestra la relación entre la profundidad ahuellamiento (mm) y el número de ciclos de carga (N).
Esta figura muestra que la tasa de acumulación de ahuellamiento se hace más pequeño con un aumento de
los ciclos de carga. Además, después de N = 500, el material de asfalto llega a la etapa de fluencia secundaria.
El análisis de elementos finitos de estructuras de pavimento, si es validada, puede ser muy útil, se puede
aplicar directamente para estimar parámetros de respuesta del pavimento sin recurrir a costosos
experimentos potencialmente de campo. Se pueden obtener correlaciones precisas entre lo calculado
teóricamente y los parámetros de respuesta en campo medido
Avances futuros de investigación se pueden hacer en la dirección de un mejor perfil del comportamiento del
pavimento bajo tensión, en función de las diferentes combinaciones de variables como temperatura, tipo de
neumático y la presión
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ENSAYOS: RESPALDO DE MODELOS SEMI-EMPÍRICOS
La mayoría de los modelos matemáticos utilizados en el deterioro mecánico del asfalto son completamente
empíricos es decir la gran mayoría fue determinado desde el ensayo es por eso que haremos un repaso por
todos estos.
Ensayo de creep estático en compresión axial y triaxial: Elensayo de creep con o sin confinamiento lateral y con carga
estática ha sido muy utilizado para evaluar las características de
las mezclas asfálticas, sus resultados fueron muy utilizados para
evaluar los modelos de ahuellamiento. Se caracteriza por ser 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.
Descripción: se somete a las probetas de hormigón asfaltico (tipo
Marshall) a una compresión vertical localizada con carga
estática. Si bien el ensayo no debería ayudar al comportamiento del asfalto al tratarse de una cargalocalizada y estática se pueden realizar similitudes con el ahuellamiento producido por el
comportamiento vehicular.
Ensayo de creep en compresión axial y triaxial con carga pulsante : Para representar de mejormaneras las condiciones a las que se encuentra expuesto el hormigón asfaltico es que se utiliza un
ensayo con carga pulsante ya que refleja de mejor manera los estados reales.
Descripción: se aplican cargas repetidas tanto axiales como laterales para pulsos de carga con
distintas formas, para rangos de 0.5 a 1 segundo, se incorporan ciclos de descanso entre los distintos
ciclos y se miden las deformaciones permanentes.
Dejando un poco de lado los ensayos por compresión que sirven para determinar propiedades dinámicas,creep, pasaremos a ensayos que reflejan las condiciones de fatiga del asfalto
Ensayo de tracción indirecta por compresión diametral concarga pulsante: consiste en someter a compresión en sumanto a probetas cilíndricas, este tipo de ensayo ha
alcanzado un gran desarrollo a nivel de técnica vial mundial,
destinado para determinar el módulo de deformación y la
resistencia a la fatiga de mezclas asfálticas. Las ventajas que
tiene de aplicación es que es sencillo de efecturar, posee
buena repetibilidad con bajo coeficiente de variación de sus
resultados y es que pueden efectuarse ensayos con cargas
pulsantes o en condición de carga estática.
Ensayo de rueda cargada o Wheel tracking test: es un
ensayo que se encuentra dentro de los catalogados ensayos de simulación el cual sirve para alcanzar
una validación correcta entre lo que sucede en el laboratorio y en la práctica.
El procedimiento general del ensayo consiste en medir la velocidad de deformación o la deformación
vertical que se produce en una probeta de mezcla asfáltica, prismática o cilíndrica, ante la aplicación
de una carga dinámica aplicada mediante una rueda cargada.
Las variantes de este ensayo preceden de acuerdo al origen de sus equipos y laboratorios
1. Georgia loaded Wheel tester: desarrollado a mediados de
los 80 para ensayar lechadas de asfalto para así realizarensayos de medición de ahuellamiento en laboratorio así
como también control de calidad en obras de mezclas
asfálticas en caliente. La metodología consiste en la
aplicación de una carga de aproximadamente 450 [N] a
través de una rueda metálica sellada con una neumática,
ubicada sobre la muestra.
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CONCLUSIÓN
El concreto asfaltico es un material que puede ser considerado elástico – lineal a temperaturas bajas y
frecuencias de carga altas, este muestra propiedades viscosas y plásticas a temperaturas mayores. Debido a
este comportamiento, las cargas repetidas del tránsito generan deformaciones en su estructura las cuales son
perjudiciales para su funcionamiento.
EI trabajo del ingeniero civil en el diseño del concreto asfaltico involucra el análisis teórico y el cálculo de
esfuerzos y deformaciones en lugares críticos, como resultado de las aplicaciones de carga originadas por las
ruedas de los vehículos. La condición más crítica, es cuando la rueda se encuentra exactamente encima del
punto de análisis. En dicho punto, los esfuerzos cortantes son nulos y únicamente actúan los esfuerzos
normales, obteniéndose un estado triaxial de esfuerzos. Por lo tanto, en el laboratorio se realizan toda clase
de pruebas que buscan reproducir o simular esta condición de esfuerzos, considerada la más desfavorable.
Por otro lado cuando los neumáticos de los vehículos se apoyan sobre el concreto asfaltico producen una
huella de forma distinta para cada tipo de neumático, presión de inflado, carga por rueda, velocidad y estado
de la superficie que a la larga genera las fallas por ahuellamiento. Cuando está en movimiento, además de
variar la forma de la huella, aparecen solicitaciones distintas a las verticales, que son las que existen cuando
el vehículo está detenido o con movimiento uniforme: aparecen esfuerzos horizontales debido al rozamiento
y a los cambios de trayectoria, succiones de agua contenida en la sección estructural y esfuerzos verticales deimpacto por efectos del movimiento del vehículo.
Si bien el comportamiento del asfalto es algo irregular en el tiempo debido a los argumentos descritos más
arriba como las condiciones climáticas, carga por rueda, velocidad. Hemos repasado en este trabajo una serie
de modelos semi-empiricos los cuales permiten modelar deterioro mecánico en el asfalto como la vida de
fatiga, acumulación de fatiga y fallas de ahuellamiento, también se ha encontrado que para el mismo deterioro
se pueden encontrar distintos modelos, esto nos indica que la investigación del asfalto no está completa y se
pueden seguir desarrollando modelos y procedimientos que nos entregan una mejor predicción de cómo y
dónde se va a deteriorar el concreto asfaltico.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Angelone, Martínez, Santamaría, Gavilán, Casaux. Reporte Técnico “Deformación Permanente de
Mezclas Asfálticas”. Laboratorio Vial Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras Facultad de
Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura. Universidad Nacional de Rosario. 2006
Anguas, Gómez, Sesma. “Mecánica De Materiales Para Pavimentos”. Secretaría De Comunicaciones
Y Transportes Instituto Mexicano Del Transporte. 2002.
G. Leonardi. “Finite Element Analysis Of Airfield Flexible Pavement”.2014.
Linbing Wang. Mechanics of Asphalt, Microstructure and Micromechanics, McGraw-Hill, 2011
Y. Richard Kim. Modeling of Asphalt Concrete, McGraw-Hill, 2009
Chang C, Freeman T (2007 ). Implementación de la Guía de Diseño Mecanístico de
Pavimentos NCHRP 1-37A en Texas. EEUU
Silvia Angelone, Fernando Martínez (2006) “Deformación Permanente de mezclas asfálticas”
J. Alonso. “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. Barcelona, 2006.
Guide for Mechanistic – Empírica Design, OF NEW AND REHABILITATED PAVEMENT STRUCTURES.
Part 3. Design analysis, Champaign, Illinois. National Cooperative Highway Research ProgramTransportation Reseach Board National Research Council, March 2004.
“Estado del Arte en el Estudio de las Deformaciones Plásticas en Pavimentos”, Tesis por Laura
Moreno Villamizar y Paula Pinto Marín, para optar a Título de Ingeniero Civil, Universidad Industrial
de Santander, Facultad de Ingenierías Físico Mecánicas, Escuela de Ingeniería Civil, Bucaramanga,
2007
“Deterioros en Pavimentos flexibles Y rígidos” Tesis para optar al título de Ingeniero Constructor, por
Ricardo Javier Miranda Rebollado, Universidad Austral de Chile, Facultad de Ciencias de la Ingeniería,
Escuela de Construcción Civil, Valdivia, Chile, 2010
“El asfalto, en la conservación de Pavimentos”, por Mariana Valenzuela V., Universidad Austral de
Chile, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Escuela de Construcción Civil, Valdivia, Chile, 2003
Morea, Francisco. Tesis presentada para el grado de Doctor En
Ingeniería. “Deformaciones Permanentes En Mezclas Asfálticas”, Efecto de la reología de los asfaltos,
la temperatura y las condiciones de carga. Departamento de Construcciones, Facultad de Ingeniería,
Universidad Nacional de La Plata. 2011.