Dispositivo y método de ensayo para la caracterización de materiales ante fenómenos de fisuración.

Dispositivo y método de ensayo para la caracterización de materiales ante fenómenos de fisuración.

La invención propuesta es un dispositivo que permite simular los esfuerzos generados (cortante, flexión y tracción) sobre materiales utilizados en la construcción de firmes de carretera, habitualmente mezclas bituminosas, y que provocan la aparición de fisuras en los mismos. El dispositivo comprende una base (A) cuyo alzado tiene forma de trapecio isósceles; dos elementos deslizantes (B) que se deslizan por las caras no paralelas de la base (A) y a los que se fija una muestra (M) del material que se pretende evaluar; medios mecánicos (C), que permiten ejercer una presión vertical descendente sobre la muestra (M) y medios que permiten medir que las deformaciones verticales y medios que permiten medir las deformaciones horizontales. También se propone un nuevo método de ensayo para la evaluación del comportamiento mecánico de materiales ante fenómenos de fisuración que emplea el dispositivo mencionado.

Dispositivo y método de ensayo para la caracterización de materiales ante fenómenos de fisuración.

SECTOR DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención está enmarcada en el campo de la ingeniería civil, en particular en el sector de la mecánica de estructuras y materiales. Su aplicación más directa es la caracterización y evaluación del comportamiento mecánico de mezclas bituminosas, para su empleo en la construcción de firmes de carretera.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención propuesta es un dispositivo que permite simular los esfuerzos generados (cortante, flexión y tracción) sobre materiales utilizados en la construcción de firmes de carretera, habitualmente mezclas bituminosas, durante su vida de servicio, y que provocan la aparición de fisuras en los mismos.

Asociado a la utilización de este dispositivo se propone, como segundo objeto de la invención, un nuevo método de ensayo para la evaluación del comportamiento mecánico de materiales ante fenómenos de fisuración que emplea el dispositivo mencionado para transmitir esfuerzos de cortante, flexión y tracción generados por la aplicación de cargas cíclicas verticales y así caracterizar y evaluar el comportamiento mecánico de los materiales, en particular mezclas bituminosas, ante fenómenos de fisuración,. Mediante la aplicación de una carga vertical cíclica puede evaluarse la resistencia del material desde la fase de inicio de fisura, hasta su propagación y fallo del material.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

De entre el conjunto de las patologías sufridas por los firmes de carretera, una de las más comunes a nivel mundial, y una de las principales causantes del fin de su vida de servicio, es la aparición y propagación de fisuras. Así, el estudio de este fenómeno se ha convertido en una de las prioridades en el ámbito de la ingeniería de carreteras. Para ello, resulta fundamental la existencia de ensayos eficientes a nivel de laboratorio que permitan una evaluación previa del material, antes de ser utilizado en el firme.

Actualmente existen varios ensayos destinados a la caracterización y evaluación del comportamiento mecánico de mezclas bituminosas ante la aparición de fisuras. No obstante, en la actualidad ninguno de ellos ha sido capaz de erigirse como referencia a nivel internacional para la evaluación de este fenómeno en mezclas bituminosas (al contrario de lo que ocurre con otras patologías comunes como las roderas o las afectadas por la acción del agua). Por una parte, los ensayos que mejores características presentan para analizar dicho comportamiento, no tienen un uso generalizado (siendo muy difícil que éste se lleve a cabo debido principalmente a su alto grado experimental, su sofisticación y su coste económico) y por tanto, es muy complicado establecerlos como sistema de referencia, y que se lleve a cabo su normalización para hacer extensivo su uso al diseño de mezclas (de manera que sean incluidos en los pliegos de prescripciones técnicas). Por otra parte, los ensayos que a lo largo de los años han tenido un uso más común y/o han sido objeto de normalización, a pesar de proporcionar una información bastante útil para el análisis del comportamiento mecánico de la mezcla, no terminan de ser del todo adecuados para proferir una evaluación de su respuesta ante el fenómeno de fisuración.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las figuras presentadas en esta memoria tienen mero carácter ilustrativo y no limitativo.

Figura 1.- Muestra un esquema de las tensiones a las que se ve sometido el firme sometido a cargas generadas por el tráfico rodado. Tc indica las Tensiones de compresión cíclicas, que provocan deformaciones plásticas y Tt indica las Tensiones de tracción cíclicas que provocan la fisuración.

Figura 2.- Muestra una vista esquemática del alzado del dispositivo. M es la probeta o muestra del material que se encuentra fijada a los apoyos deslizantes, B, y sobre el que se aplican un empuje vertical descendente. A es la base sobre la que se apoyan y deslizan los apoyos deslizantes B. C representa el dispositivo o medios necesarios para aplicar el empuje vertical.

Figura 3.- Muestra una vista esquemática del dispositivo en la que junto a la base A se disponen dos vástagos verticales V, a los que se fijarán unos dispositivos que miden las deformaciones verticales de forma que queden situados en la zona superior de la probeta, sobre el cabezal de carga.

Figura 4.- Muestra una vista esquemática del alzado dispositivo en el que D representa unos medios de deslizamiento fijados a la base A con un grosor, a representa el ángulo de inclinación con el que se desliza el elemento B, y E representa una modificación el grosor de la parte superior del elemento deslizante B.

Figura 5.- Muestra una vista esquemática de un modo de realización. Junto a los elementos A, B y V, antes descritos, Sh y Sv representan los soportes donde se fijarán los medidores de deformación horizontal, Mh, y vertical, Mv, respectivamente, y T representa el carril sobre el que se desplaza el elemento B.

Figura 6.- Gráfica que muestra la evolución de las deformaciones horizontales y verticales durante un ensayo.

Figura 7.- Gráfica que muestra la evolución de la rigidez horizontal y vertical durante el ensayo.

Figura 8.- Gráfica que muestra la evolución de la tasa de energía horizontal y vertical durante el ensayo.

Figura 9.- Gráfica que muestra la Evolución de la energía disipada horizontal y vertical durante el ensayo.

Figura 10.- Gráfica que muestra la Evolución de la tasa de cambio de energía disipada horizontal y vertical durante el ensayo.

Figura 11.- Gráfica que muestra la evolución de la tasa de trabajo horizontal y vertical durante el ensayo.

Figura 12.- Gráfica que muestra la evolución de los ciclos de histéresis horizontales durante el ensayo.

Figura 13.- Gráfica que muestra la evolución de los ciclos de histéresis verticales durante el ensayo.

Figura 14.- Gráfica que muestra la evolución de la macro-grieta durante el ensayo bajo inspección visual.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Con el fin de evaluar el comportamiento de un material, en particular mezclas bituminosas, materiales compuestos tipo mezcla bituminosa más sistema anti-reflexión de fisuras, o varias capas de mezcla bituminosa bituminosas o materiales compuestos (en adelante "materiales") ante esfuerzos de cortante, flexión y tracción similares a los que se verán sometidos por el tráfico rodado y los cambios de temperatura (Fig. 1), se inducen estos esfuerzos sobre una muestra, espécimen o probeta (en adelante "muestra") de dicho material (M). El dispositivo objeto de esta invención, permite inducir estos esfuerzos

De forma general, el dispositivo de ensayo para la evaluación del comportamiento mecánico de materiales comprende al menos los siguientes elementos:

una base (A) cuyo alzado tiene forma de trapecio isósceles cuya base mayor se sitúa debajo de la base menor;

dos elementos deslizantes (B) que se deslizan por las caras no paralelas de la base (A) y sobre los que se fija una muestra (M) del material que se pretende evaluar;

medios mecánicos (C), que permiten ejercer una presión vertical descendente sobre la muestra (M);

medios que permiten medir que las deformaciones verticales; y

medios que permiten medir las deformaciones horizontales.

De esta forma, al someter la muestra a un empuje vertical descendente, los elementos (B) se desplazan horizontalmente en sentidos opuestos provocando una tensión de tracción en la muestra equivalente a la que se desea simular y que dará lugar a su fisuración.

En una realización preferida (Fig. 3), junto a la base (A) se disponen dos vástagos (V) verticales, a los que se fijarán unos dispositivos que miden las deformaciones verticales de forma que queden situados en la zona superior de la muestra (M). Preferentemente dichos dispositivos serán sensores de distancia basados en un transformador diferencial variable lineal (LVDT).

A través de medios que permitan su regulación en la altura y situación sobre la muestra, como puede ser un cabezal con tornillos que ejercen presión sobre el vástago de forma que quede fijado, se colocan los medidores de deformación verticales.

En otra realización preferida, unos dispositivos que miden las deformaciones horizontales causadas en la muestra, preferentemente sensores tipo LVDT, se fijan a la cara frontal de los elementos deslizantes (B), de manera que dichas medidas se lleven a cabo en las zona frontal inferior de la muestra donde estas deformaciones van a ser más acentuadas. Por "frontal" se entenderá la parte delantera...

1.- Dispositivo de ensayo para la evaluación del comportamiento mecánico de materiales que comprende al menos los siguientes elementos:

una base (A) cuyo alzado tiene forma de trapecio isósceles cuya base mayor se sitúa debajo de la base menor;

dos elementos deslizantes (B) que se deslizan por las caras no paralelas de la base (A) y sobre los que se fija una muestra (M) del material que se pretende evaluar;

medios mecánicos (C), que permiten ejercer una presión vertical descendente sobre la muestra (M);

medios que permiten medir que las deformaciones verticales; y

medios que permiten medir las deformaciones horizontales

2.- Dispositivo según reivindicación anterior, que además comprende dos vástagos (V) 15 verticales, a los que se fijan unos dispositivos que miden las deformaciones verticales de forma que queden situados en la zona superior de la muestra.

3.- Dispositivo según reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque los dispositivos que miden las deformaciones horizontales se fijan a la cara frontal de los elementos deslizantes (B), de 20 manera que dichas medidas se llevan a cabo en la zona frontal inferior de la muestra donde estas deformaciones van a ser más acentuadas.

4 - Método de ensayo para la evaluación del comportamiento mecánico de materiales ante fenómenos de fisuración que emplea el dispositivo según reivindicaciones anteriores para 25 transmitir esfuerzos de cortante, flexión y tracción generados por la aplicación de cargas cíclicas verticales.