Procedimiento de ensayo para evaluar la resistencia a la fatiga de mezclas bituminosas.

El nuevo procedimiento desarrollado de barrido de deformaciones, aplicado en un ensayo dinámico de tensión-compresión, permite evaluar el comportamiento de las mezclas bituminosas ante su fallo por fisuración por fatiga de una forma más clara, rápida y sencilla que los procedimientos convencionales. Durante el ensayo se observa el proceso de deterioro del material con los diferentes escalones de deformaciones, cuyo nivel aumenta progresivamente, determinándose la deformación por debajo de la cual no hay proceso de fatiga "endurance limit" y la deformación en que rompe el material a fatiga. Con estas dos deformaciones se caracteriza el comportamiento del material y se obtiene su ley de fatiga. Si antes de iniciar el ensayo, la probeta es colocada en la prensa, permaneciendo fija la posición de las mordazas mientras baja la temperatura, se pueden introducir las tensiones térmicas en el ensayo a fatiga.

SECTOR DE LA TECNICA

La presente tecnología se engloba dentro de la ingeniería de carreteras, concretamente dentro del ámbito de la caracterización mecánica de mezclas bituminosas para su empleo en la construcción de firmes de carreteras.

EST ADO DE LA TECNICA

La fisuración por fatiga de las capas de mezcla bituminosa es uno de los mecanismos de deterioro más frecuente en los pavimentos bituminosos. La repetición de las cargas producidas por el tráfico, junto con las tensiones térmicas adquiridas debido a los gradientes de temperatura, va dando lugar a la progresiva fisuración y rotura de las capas de mezcla bituminosa del firme. El conocer la resistencia a la fisurac ión por fatiga de la mezcla bituminosa es un parámetro fundamental para el diseño y cálculo de los espesores de las capas del firme. Esta propiedad se determina en laboratorio sometiendo probetas fabricadas con mezcla bituminosa a repetidas aplicaciones de carga similares a las que se producen en el firme.

El paso de las cargas del tráfico sobre un firme produce en las capas de mezcla bituminosa unos esfuerzos de flexotracción. Cuando la carga está relativamente lejos de la sección transversal de cálculo considerada, se produce una tracción en su parte superior de la capa y una compresión en la inferior. Cuando está encima de ella, cambia el estado tensional, la parte superior de la capa está comprimida y la inferior tensionada. Tras pasar la carga, se invierte nuevamente el estado tensional. Este tipo de esfuerzos es el que normalmente se reproduce en el laboratorio cuando se ensayan diferentes tipos de probetas a flexión a dos, tres y cuatro puntos de apoyo. En estos ensayos se someten probetas a una serie de cargas cíclicas, en la que se mantiene constante la tensión, la deformación o el desplazamiento aplicado, hasta que se produce el fallo.

Ahora bien, en el firme puede haber también tensiones térmicas residuales que pueden colaborar en el proceso de fatiga. Estas pueden producirse especialmente en las capas superiores del firme debido a las variaciones diarias de temperatura, pero también se producen en las capas inferiores. Cuando estas tensiones térmicas son muy fuertes producen, y de hecho ocurre con frecuencia en climas fríos, la fisuración de la capa, pero, aunque estas tensiones sean inferiores a las de la rotura, su presencia puede

colaborar en el proceso de fatiga por las cargas del tráfico, y esto no es tenido en cuenta en los ensayos actuales de fatiga, en particular en los de flexotracción que son los habitualmente empleados.

Es por ello, que se ha desarrollado un nuevo procedimiento de ensayo de fatiga, en el cual se aplica una carga cíclica de tensión-compresión sobre una probeta prismática, dentro de una cámara termostática que mantiene constante la temperatura de ensayo. Además el procedimiento desarrollado permite tener en cuenta las tensiones térmicas ya que éstas pueden inducirse cuando se baja la temperatura de la cámara manteniendo la posición de las mordazas fijas. De este modo, al iniciarse el ensayo de fatiga a deformación controlada, la probeta está ya sometida a una tensión térmica inicial.

DESCRIPCION

El objeto de la presente invención es un nuevo procedimiento de ensayo, denominado EBADE (ensayo de barrido de deformaciones) , que permite determinar el fallo por fatiga de las mezclas bituminosas. El procedimiento consiste en realizar un barrido de deformaciones durante el ensayo cíclico de tensión-compresión, sobre una probeta prismática en la que se han realizado dos entallas en la zona central, con el fin de reducir la superficie en su sección intermedia e inducir en ella el fallo.

El procedimiento es aplicado también sobre probetas que previamente son sometidas en la prensa a un proceso de enfriam iento, con el fin de inducir tensiones térmicas, lo que permite introducir las tensiones térmicas en los ensayos de fatiga.

Fabricación de las probetas La probeta de forma prismática no ha de tener unas dimensiones fijas y pueden proceder del serrado de probetas cilíndricas de 10 cm de diámetro fabricadas por el 35 procedimiento Marshall o por medio de una prensa giratoria, o del serrado de placas de 5-6 cm de espesor, fabricadas para los ensayos normalizados de deformaciones plásticas o de fatiga a flexotracción de cuatro puntos, o también de serrado de testigos cilíndricos extraídos directamente de la capa ejecutada en el firme. Sus dimensiones suelen ser de 5 a 6 cm de ancho, similar espesor, y de 6 a 9 cm de altura. A la probeta prismática a ensayar se le practicará por serrado una pequeña entalladura en dos lados opuestos de su sección media, con objeto de inducir la rotura sobre esta sección.

Realización del ensayo Para realizar el ensayo y asegurar la normalidad de la carga aplicada respecto a la sección de rotura, se han desarrollado unos soportes, que se fijarán a las bases de la probeta mediante un sistema de guías, y unas mordazas especiales que permitirán aplicar los esfuerzos a tracción; tanto los soportes y el sistema de guí as, como las mordazas han sido objeto de otra patente anterior (P200600737) . Sobre la probeta, en las caras entalladas, se colocan dos comparadores que permiten controlar y medir las deformaciones durante el proceso de ensayo, figura 1.

El ensayo se realiza aplicando una serie de ciclos con una deformación sinusoidal de amplitud constante y registrando la variación de la carga con el número de ciclos. El nivel de deformación de cada serie de ciclos va aumentando en magnitud progresivamente hasta que se produce el fallo del material, figura 2. En el ensayo se determina también la evolución del módulo dinámico de la probeta, figura 3

Resultados del ensayo Al llevar a cabo este barrido de deformaciones durante el ensayo, se determina el nivel de deformación por debajo del cual no se fatiga la mezcla y la deformación en que se produce su fallo por fatiga. Estas dos deformaciones permiten determinar la curva de fatiga del material.

La primera deformación indica el nivel de deformaciones que necesitaría un gran número de aplicaciones de carga para producir el fallo del material y que se ha asociado a 5.107 aplicaciones de carga, valor superior al número de aplicaciones de ejes tipo que soporta el firme de una carretera con tráfico pesado y 30 años de servicio. Esta deformación límite se determina, en el ensayo EBADE, a partir de la curva de evolución durante la realización del ensayo mantiene el módulo inicial de la mezcla.

El otro valor, corresponde al nivel de deformación en que se produce el fallo por fatiga en el procedimiento EBADE , cuando la carga se reduce al 50% de la máxima aplicada, figura 2. Esta deformación correspondería, en un ensayo normal de fatiga, a la que provoca el fallo del material con muy pocas aplicaciones de carga, que se ha asociado a 103 aplicaciones de carga.

Se obtiene así la curva de fatiga, de una manera rápida y sencilla, determinándose los dos parámetros más interesantes de un material desde el punto de vista de su fallo por fatiga, el nivel de deformaciones por debajo del cual el material no se fatiga y la deformación en que rompe por fatiga, figura 4.

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Figura 1. Disposición de la probeta en la prensa durante la realización del ensayo Figura 2. Evolución de tensiones y deformaciones, procedimiento EBADE, mezcla AC, B-60/70 a 20ºC.

Figura 3. Evolución del módulo dinámico, procedimiento EBADE mezcla AC, B-60/70 a 20ºC.

Figura 4. Ley de fatiga, procedimiento EBADE, mezcla AC, B-60/70 a 20ºC.

Figura 5. Evolución de tensiones y deformaciones, procedimiento EBADE, mezcla AC, B-60/70 y B 13/22 a 20ºC.

Figura 6. Evolución del módulo dinámico, procedimiento EBADE mezcla AC, B-60/70 y B-13/22 a 20ºC.

Figura 7. Leyes de fatiga, procedimiento EBADE, mezcla AC, B-60/70 y 8-13/22 a 20ºC.

SºC; posterior aplicación procedimiento de fatiga EBADE, mezcla AC, B-60/70 y B-13/22.

DESCRIPCiÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACiÓN

Mezclas ensayadas Se incluyen a modo de ejemplo los resultados obtenidos en la aplicación del procedimiento de ensayo desarrollado al análisis del comportamiento a fatiga de dos mezclas bituminosas tipo AC para capas de base. Ambas han sido fabricadas con el mismo tipo de árido calizo y composición granulométrica, diferenciándose en la penetración del betún empleado. Una ha sido fabricada con un betún de muy baja penetración,...

1. Procedimiento para determinar el fallo por fatiga de las mezclas bituminosas, caracterizado por aplicar un barrido de deformaciones en un ensayo cíclico de tensión-compresión, sobre probetas prismáticas, que comprende las siguientes etapas:

- aplicación de series de ciclos de carga tensión-compresión, con una amplitud de deformación constante en cada serie, cuya magnitud aumenta progresivamente en cada serie aplicada de ciclos de carga, barrido de deformaciones

- obtención de los registros de carga, de módulo y de deformación con las sucesivas series de ciclos de carga, a partir de los que podrán obtenerse los dos niveles de deformación que determinan el comportamiento a fatiga de las mezclas bitum inosas, la deformación por debajo de la cual la mezcla no se fatiga y la deformación en que rompe por fatiga.

- obtención de las leyes de fatiga de las mezclas a partir de los dos niveles de deformación anteriores.

2. Procedimiento para determinar el fallo por fatiga de las mezclas bituminosas, según la reivindicación primera, caracterizado por poder considerar el efecto superpuesto de las tensiones térmicas, que comprende las siguientes etapas:

someter a la probeta, antes de la ejecución del ensayo, a un enfriamiento, manteniendo fija la posición de las mordazas en la prensa mientras baja la temperatura, para inducir las tensiones térmicas.

- aplicar el ensayo de barrido de deformaciones, según las etapas descritas en la reivindicación primera, superponiendo así las solicitaciones de fatiga a las de origen térmico.