SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.26 número2Mejora de la eficiencia energética de la producción de ladrillos de cerámica roja a partir del empleo como biocombustible de material lignocelulósico densificado índice de autoresíndice de materiabúsqueda de artículos
Home Pagelista alfabética de revistas  

Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.26 no.2 Santiago ago. 2011

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732011000200006 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 26 N°2, Agosto de 2011 www.ing.puc.cl/ric PAG. 224 - 239

 

Efecto de la tenacidad del asfalto en la resistencia a fatiga de las mezclas asfálticas

Asphalt toughness effect on bituminous mixture fatigue behavior

 

Alfredo H. Noguera*1, Rodrigo Miró**

* Universidad Nacional Autónomo de México UNAM. MÉXICO.
** Universidad Politécnica de Cataluña. ESPAÑA.

Dirección para Correspondencia


RESUMEN

Uno de los parámetros más importantes para definir el comportamiento de la mezcla en servicio es la tenacidad que el asfalto proporciona al aglomerar los agregados, es decir, la energía que se disipa al fracturar la mezcla, entre mayor sea dicha energía mejor será su calidad. Y por lo tanto, deberá existir una relación si dicha cantidad de energía se disipa en un ciclo de carga (tracción) o con muchos ciclos durante el tiempo (fatiga). El objetivo de éste trabajo es establecer una relación entre la tenacidad que ofrecen distintos asfaltos y el comportamiento a fatiga de sus correspondientes mezclas asfálticas, para lo cual, se ha obtenido la tenacidad mediante un ensayo de tracción directa y se ha comparado con los valores de las leyes de fatiga y energía disipada obtenidas del ensayo de flexo-tracción dinámica.

Palabras Clave: Asfalto, agregados, mezcla asfáltica, tenacidad, fatiga.


 

1. Introducción

La mezcla asfáltica es un material complejo multifase constituido por asfalto, agregado mineral graduado y aire, por lo que pueden obtenerse una gran variedad de tipos de mezclas asfálticas combinando estos componentes. Una de las características más importantes a analizar en el comportamiento de la mezcla es la variabilidad en la resistencia entre el esqueleto mineral y el asfalto (Wagoner et al., 2007; A. N. Kvasnak et al., 2007; Kowalski et al., 2008; Kringos et al., 2008).

Esta resistencia, también llamada tenacidad de la mezcla, es posible analizarla desde el punto de vista de energía disipada, es decir, una mezcla con una mayor capacidad para disipar energía será capaz de resistir las cargas de tráfico sin disgregarse o fracturarse. La mecánica de fractura ha aceptado este tipo de análisis de fallo en distintos materiales, incluyendo las mezclas asfálticas.

Dicha energía depende del trabajo termodinámico de la tenacidad, mecánica de fractura y reología (E. H. Fini et al., 2007; Arago et al., 2011).

De acuerdo con el moderno punto de vista sobre este tema, durante la acción de la fuerza de tensión se desarrolla un trabajo que se almacena en forma de energía de deformación. Cuando esta energía alcanza la magnitud de la densidad de energía de fractura superficial del material Gf, ocurre la fractura y la pieza se separa en dos partes liberando la energía en forma de fractura, tal que cada una de las partes relaja inmediatamente sus tensiones. La energía de fractura Gf ha probado ser un buen parámetro de diseño que puede ser usado en la mecánica de fractura para analizar la propagación de la grieta de un pavimento (Shen et al., 2007; Kim et al., 2009; E. Denneman, 2010).

Asociado a la tenacidad existe otro fenómeno de disipación de energía de una mezcla asfáltica y es la fatiga del sistema agregado-asfalto, donde el compuesto va perdiendo gradualmente su energía disponible debido a cargas de corta duración cada vez que pasa un vehículo (Adhikari et al., 2009). En la especificación actual de SUPERPAVE, se considera que la fatiga no se presenta si el asfalto cumple con un valor reológico mínimo de G*senδ. Este valor representa una disminución del módulo complejo y está relacionado con el total de la energía disipada por ciclo de carga (D'Angelo et al., 2007). Sin embargo, diversos estudios han demostrado que no existe una correlación entre los valores reológicos y el comportamiento de la mezcla en servicio.

Con la finalidad contribuir a un mejor entendimiento de los procesos internos del sistema agregado-asfalto y su correlación con la fatiga del mismo, se ha desarrollado este trabajo, empleando el ensayo Barcelona Tracción Directa (BTD) para determinar la tenacidad de diferentes asfaltos (Pérez Jiménez et al., 1997) y el ensayo de flexotracción de 3 puntos (NLT-350/90), para determinar la fatiga de una mezcla fabricada a partir de estas asfaltos.

1.2 Significancia de la investigación

Aunque numerosos trabajos han propuesto varios métodos o ensayos para determinar la fatiga en mezclas asfálticas, como los ensayos de compresión cíclica o los ensayos de flexotracción dinámica, aún actualmente estos ensayos son complejos, requieren mucho trabajo para la fabricación de probetas y el tiempo de ensayo es largo. Por tanto, lo ideal sería poder establecer una relación con la fatiga a partir de ensayos en los asfaltos o másticos.

En este trabajo se pretende establecer una relación entre la tenacidad que ofrecen distintos asfaltos y el comportamiento a fatiga de sus correspondientes mezclas asfálticas. Conociendo esta relación, podría tenerse una idea del comportamiento a fatiga de la mezcla a partir de los ensayos de tenacidad del asfalto, que son monotónicos y por lo tanto, más fáciles y rápidos de hacer, y con ello, poder tener en cuenta esta propiedad en la etapa de diseño.

2. Materiales

Los asfaltos utilizados en los ensayos experimentales son, dos asfaltos de penetración, B-60/70 y B-13/22; dos asfaltos modificados con polímeros, BM-3c y BM-3b, recogidos en el pliego de prescripciones técnicas generales (PG-3). Además, se ha empleado un asfalto modificado con polvo de neumático BM-PN. Las propiedades de cada uno de los asfaltos son recogidas en la siguiente Tabla:

Tabla 1. Caracterización de los asfaltos empleados

En la fase experimental de la investigación, se utilizan 3 tipos de agregados en la elaboración de las probetas a ensayar, uno de tipo granítico para evaluar la tenacidad y una mezcla de agregados de sílice y caliza para evaluar la fatiga.

3. Metodología

La fase experimental se realiza en dos etapas. En la primera, se determina la tenacidad de diferentes asfaltos mediante el empleo del ensayo BTD, y en la segunda, se determina la vida a fatiga de una mezcla, fabricada con los mismos asfaltos, mediante el ensayo de flexotracción dinámica.

El procedimiento de ensayo BTD, consiste en someter una probeta cilíndrica, con un entalle en la base a un esfuerzo de tracción paralelo a ésta base y perpendicular al entalle de la probeta.

Las bases de entalladura son colocadas dentro de un molde cilíndrico de 101,6mm de diámetro, para poder ser utilizado en el compactador Marshall, aplicando 50 golpes únicamente en la cara superior.

El ensayo se realiza a una velocidad de desplazamiento constante de 10mm/min y dentro de una cámara climatizada para mantener la temperatura durante la realización del ensayo. La entalladura se abre a medida que provoca la fisuración de la probeta.

Para elaborar la probeta se emplea una mezcla patrón en dos tamaños, según los tamices UNE:

• 80 % del agregado que pasa por el tamiz de 5mm y queda retenido en el de 2.5mm.
• 20 % del agregado que pasa por el tamiz 2.5mm y queda retenido en el 0.63mm.
• 4.5% contenido de asfalto.

La finalidad de utilizar una mezcla patrón, sin finos ni fíller, es dejar como única variable el tipo y naturaleza del asfalto, por lo que la resistencia dependerá exclusivamente de las propiedades del asfalto utilizado. La temperatura de ensayo fue de 20°C (Tabla 2).

De igual manera, para evaluar la fatiga mediante el ensayo de flexotracción a desplazamiento controlado, se han empleado los mismos asfaltos con la finalidad de poder establecer posibles relaciones con la tenacidad.

La mezcla fabricada es una de tipo S-12 (semidensa tamaño máximo 12mm), compuesta por dos tipos de agregados, uno calizo y el otro silíceo con una proporción de asfalto sobre agregado de 4,5%. El ensayo se ha realizado a la temperatura de 20°C y a una frecuencia de 10 Hz. El rango de desplazamiento fijado para los asfaltos convencionales varía desde 160 a 220 µm; en los asfaltos modificados la amplitud aplicada es mayor, varía de 220 a 360 µm (Tabla 3).

Como se puede apreciar, se han utilizado dos tipos de granulometrías, ya que con el ensayo BTD se pretende estudiar la tenacidad del asfalto de manera individual, mientras que la otra (tipo S-12) corresponde a un tipo de mezcla asfáltica real, empleada usualmente en la construcción de la carpeta asfáltica.

Tabla 2. Matriz de ensayos BTD

Tabla 3. Matriz de ensayos a fatiga

4. Análisis de resultados

4.1 Tenacidad

En los ensayos a tracción directa se registra, para cada asfalto ensayado, el desplazamiento provocado por la variación de la fuerza a tracción. El ensayo se ha realizado a la temperatura de +20°C.

En la Figura 1, se aprecia la curva característica de un asfalto sometido a tracción directa. Dicha curva, presenta una pendiente inicial pre-pico que alcanza un valor de fuerza a tracción máxima y desciende con una pendiente post-pico hasta que la fuerza se reduce a cero.

Al analizar la curva característica podemos observar algunos parámetros relevantes como, la fuerza máxima, el módulo secante, el desplazamiento de rotura, la pendiente post-pico y la energía total.

Figura 1. Curva característica de un asfalto sometido a tracción directa

- Fuerza máxima (Fmáx)

Se define como la fuerza máxima que es capaz de soportar el asfalto sin sufrir una deformación permanente (rango elástico). La fuerza máxima que es capaz de soportar el asfalto, está relacionada con la temperatura. A bajas temperaturas el asfalto soporta una mayor fuerza de tracción que a temperaturas intermedias o altas.

- Módulo secante (α)

Se obtiene dividiendo la fuerza máxima entre el desplazamiento producido por dicha fuerza máxima. El módulo secante también se conoce como módulo elástico.

- Desplazamiento de rotura (δ)

En la curva de comportamiento del asfalto podemos distinguir tres tipos de desplazamientos que pueden considerarse de rotura; el primero corresponde al desplazamiento (δFmáx) que se produce cuando se alcanza el valor máximo de la fuerza a tracción (Fmáx); el segundo, corresponde al desplazamiento (δ50%máx) que se alcanza cuando la carga máxima se ha reducido un (50%Fmáx) en la curva post-pico y el tercero corresponde al desplazamiento total (δ max), cuando la fuerza a tracción se reduce a cero.

En la anterior, se representan los tres criterios de fallo descritos anteriormente; el primer criterio (Fmáx-δFmáx), no refleja la tenacidad de la mezcla, ya que no considera todo el rango de desplazamiento que el asfalto ofrece. El tercer criterio (δmáx), es difícil de determinar ya que, dependiendo del tipo de asfalto analizado, especialmente los asfaltos modificados, la curva puede llegar a ser muy tendida y no llegará a un valor cero de tracción. En cambio, el segundo criterio (50%Fmáx-δ50%máx), se considera más adecuado para representar la tenacidad, ya que representa el desplazamiento que se produce en la curva post-pico, considerando el rango elástico y plástico del material. Este desplazamiento aumenta cuanto mayor es la temperatura.

- Pendiente post-pico

Al analizar la pendiente de caída de las curvas, se advierte que a bajas temperaturas, la pendiente es prácticamente vertical ya que la rotura se produce de forma frágil. A temperaturas intermedias, la rotura es más dúctil y la pendiente post-pico se va tendiendo con un desplazamiento de rotura mayor, y a altas temperaturas la pendiente se vuelve casi plana.

- Energía total o tenacidad

La energía total se obtiene a partir del área bajo la curva fuerza-desplazamiento dividida entre el área de fractura.

A continuación se presentan las curvas fuerza-desplazamiento obtenidas del trabajo experimental del grupo de asfaltos a la temperatura de +20°C (Figura 2).

Figura 2. Variación de la tenacidad del grupo de asfaltos a 20°C

 

Tabla 4. Valores de energía obtenidos

Estos valores son los que se emplean posteriormente para establecer las correlaciones con el comportamiento a fatiga.

4.2 Fatiga

A continuación se muestran las leyes de fatiga obtenidas para el grupo de asfaltos mediante el ensayo de flexotracción dinámica (Figura 3).

Tabla 5. Leyes de fatiga obtenidas de los asfaltos considerados

Figura 3. Leyes de fatiga a flexo-tracción dinámica

Otro procedimiento para evaluar el comportamiento a fatiga de la mezcla, es por medio del ratio de energía disipada a fatiga (Disipated energy ratio, DER), obtenido a partir de la suma acumulada de energía, ciclo a ciclo, hasta el momento de fallo considerado en la probeta.

(1)

DER = ratio de energía disipada
σ = Esfuerzo aplicado
ε = Deformación aplicada
Φ = ángulo de fase

Al graficar los valores de tensión y deformación de cada ciclo se obtienen los bucles de energía. En los asfaltos convencionales tienen una forma definida, casi elíptica, y a medida que la probeta se va fatigando, los bucles se inclinan y se deforman (Figura 4).

Del mismo modo, se pueden graficar los bucles de energía para los asfaltos modificados (Figura 5), donde se percibe que los bucles se mantienen en un mismo rango de deformación y sobre él, ocurre la distorsión; esto no ocurre en el asfalto convencional donde los bucles se presentan a diferentes niveles de deformación.

Figura 4. Bucles de energía disipada de un asfalto convencional

Figura 5. Bucles de energía disipada de un asfalto modificado

A partir de la energía acumulada hasta el ciclo de rotura y el número de ciclos de rotura para cada probeta ensayada, es posible dibujar una ley de energía (Figura 6), parecida a la ley de fatiga presentada anteriormente, que en este caso representa la energía total disipada (DER) frente al numero de ciclos que puede resistir la mezcla.

Figura 6. Ley de energía de los asfaltos considerados

4.3 Correlaciones entre tenacidad y fatiga

En base a los ensayos realizados al grupo de asfaltos, se trata, de ver si existe relación entre algunos de los parámetros que definen el comportamiento a tracción directa (ensayo estático) y algunos de los que definen el comportamiento a fatiga (ensayo dinámico). La posible relación entre ambos ensayos permitiría tener una idea de la respuesta a fatiga de una mezcla a partir de los resultados obtenidos en el ensayo a tracción directa, mucho más rápido y sencillo, y poder tener en cuenta esta propiedad en la fase de diseño.

4.3.1 Relación entre desplazamiento de rotura al 50% de la fuerza máxima a tracción y la deformación en el ciclo 1 obtenida de la ley de fatiga

En primer lugar, se ha estudiado la relación entre el desplazamiento de rotura al 50% de la fuerza máxima a tracción directa y la deformación en el ciclo 1 de fatiga (Figura 7). El desplazamiento de rotura adoptado es el que se produce cuando la carga inicial se ha reducido al 50% ya que se considera representativo de la tenacidad (pendiente de la curva de caída) y más fácil de determinar que el desplazamiento de rotura total, que para los asfaltos modificados a veces no llega a obtenerse. La deformación a flexotracción en el ciclo 1 de carga se ha obtenido a partir de la ley de fatiga sustituyendo el valor N=1.

Figura 7. Relación entre desplazamiento de rotura y deformación en el ciclo 1 de fatiga

En la Figura anterior se aprecia que los asfaltos modificados BM-3c y BM-3b tienen un mayor desplazamiento de rotura a tracción directa y también, una mayor deformación a fatiga. El asfalto BM-PN, como en los casos anteriores, se sitúa entre los asfaltos modificados y los de penetración. Después, se sitúan los asfaltos de penetración B-60/70 y B-13/22, respectivamente.

4.3.2 Relación entre desplazamiento de rotura al 50% de la carga máxima a tracción y la deformación crítica en fatiga

Además de considerar la deformación a fatiga en el primer ciclo de carga, también se ha considerado la deformación critica de rotura de la mezcla. La deformación critica de rotura corresponde a un valor de deformación a partir del cual la fisura de la probeta se propaga de manera imparable hasta la rotura total, este valor corresponde a la deformación en que la curva de evolución de la deformación presenta un cambio de pendiente brusca (Figura 8).

Figura 8. Deformación critica en fatiga

En la siguiente Figura, se representa la relación entre estos dos parámetros. En ella se aprecia que los asfaltos modificados BM-3c y BM-3b tienen un mayor desplazamiento de rotura a tracción directa y también, una mayor deformación critica a fatiga en la mezcla fabricada con ellos. El asfalto BM-PN, como en los casos anteriores, se sitúa entre los asfaltos modificados y los de penetración. Después, se sitúan los asfaltos de penetración B-60/70 y B-13/22, respectivamente.

Figura 9. Relación entre desplazamiento de rotura y deformación crítica de fatiga

4.3.3 Relación entre desplazamiento de rotura al 50% de la carga máxima a tracción y la pendiente de la ley de fatiga en el ensayo a flexotracción

Otra de las posibles relaciones entre los dos ensayos (tracción directa y flexotracción), se establece entre el desplazamiento de rotura a tracción directa y la pendiente de la ley de fatiga, para cada unos de los asfaltos, a la temperatura de 20°C (Figura 10).

Figura 10. Relación entre el desplazamiento de rotura a tracción y la pendiente de la ley de fatiga

4.3.4 Relación entre módulo secante del asfalto obtenido del ensayo a tracción directa y el módulo dinámico de la mezcla obtenido en el ensayo a flexotracción

Por último, es posible relacionar el módulo secante a tracción directa y el módulo dinámico a flexotracción (Figura 11). En este caso, los asfaltos modificados con menores módulos (secante y dinámico), se sitúan en la parte inferior de la recta de tendencia, seguidos en orden ascendente por el asfalto convencional B-60/70, el asfalto BM-PN y al final el asfalto B-13/22, ya que estos últimos al tener una mayor dureza presentan mayores módulos, tanto a tracción directa como a flexotracción.

Figura 11. Relación entre el módulo secante a tracción y el módulo dinámico a flexotracción

5. Conclusiones

Las correlaciones obtenidas demuestran que la tenacidad del asfalto y la fatiga de la mezcla están, por lo menos, relacionadas, y que por tanto una tiene efecto sobre la otra.

Esta posible relación entre algunos de los parámetros que definen el comportamiento a tracción directa (ensayo estático) y algunos de los que definen el comportamiento a fatiga (ensayo dinámico), permitiría tener una idea de la respuesta a fatiga de una mezcla a partir de los resultados obtenidos en el ensayo a tracción directa, mucho más rápido y sencillo, y poder tener en cuenta esta propiedad en la fase de diseño.

En primer lugar, se han relacionado los valores de desplazamiento al 50% de la carga máxima a tracción directa y la deformación a fatiga en el primer ciclo de carga. En los resultados obtenidos se aprecia que los asfaltos modificados BM-3c y BM-3b tienen un mayor desplazamiento a tracción directa y, también, una mayor deformación a fatiga. El asfalto BM-PN, se sitúa entre los asfaltos modificados y los de penetración. Después, se sitúan los asfaltos de penetración B-60/70 y B-13/22, respectivamente.

En segundo lugar, se relacionaron las energías obtenidas a tracción directa y a fatiga; los resultados obtenidos ponen de manifiesto que aunque es difícil establecer una relación cuantitativa entre los valores de energía de los dos ensayos, ambos están relacionados. Una más de las posibles relaciones obtenidas de los dos ensayos, tracción directa y flexotracción, es entre el desplazamiento de rotura a tracción directa y la pendiente de la ley de fatiga para cada uno de los asfaltos. Los asfaltos modificados presentan un mayor desplazamiento a tracción y una menor pendiente en sus leyes de fatiga que los asfaltos convencionales, con una deformación a tracción menor pero con una mayor pendiente de la ley de fatiga.

De manera similar, otra posible relación se establece entre el desplazamiento de rotura a tracción directa y la pendiente de la ley de energía. En este caso, se aprecia que la relación es inversa a la anterior. Los asfaltos convencionales, con un menor desplazamiento de rotura que los asfaltos modificados, tienen una menor pendiente en su ley de energía.

Los módulos secantes a tracción directa y dinámico en flexotracción están también relacionados: cuanto mayor ó menor es uno, mayor o menor es el otro. Los asfaltos modificados con polímeros son los que presentan menores módulos, seguidos por el asfalto convencional B-60/70, el asfalto BM-PN y el asfalto B-13/22, que al tener una mayor dureza, presentan mayores módulos, tanto a tracción directa como a flexotracción.

6. Referencias

Adhikari Sanjeev, Shen Shihui y You Zhanping (2009), Evaluation of fatigue models of hot-mix asphalt through laboratory testing. In Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 2127, TRB, National Research Council, Washington, D.C., 36-42.        [ Links ]

Aragao Francisco Thiago, Kim Yong-Rak, Lee Junghun y Allen David H. (2011), Micromechanical model for heterogeneous asphalt concrete mixtures subjected to fracture failure. Journal of materials in civil enginering, 23, 30.         [ Links ]

Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) (1990), Ensayo de Fatiga en Flexotracción Dinámica de Mezclas Bituminosas.        [ Links ]

D'Angelo John, Kluttz Robert, Dongre Raj, Stephens Keith y Zanzotto Ludo (2007), Revision of the SUPERPAVE high temperature binder specifications: The multiple stress creep recovery test. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 76, 123-162.        [ Links ]

Denneman E. (2010), Method to determine full work of fracture from disk shaped compact tension test on hot mix asphalt. Proceedings of the 29th Southem African Transport Conference (SATC 2010), Pretoria, South Africa. ISBN: 978-1-920017-47-7        [ Links ]

Fini E. H., Al-Qadi Imad y Masson Jean Francois (2007), A new blister test to measure bond strenght of asphaltic materials. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 76, 275-302.        [ Links ]

Kim Hyunwook y Buttlar William G. (2009), Discrete fracture modeling of asphalt concrete. International Journal of Solids and Structures, 46, 2593-2604.        [ Links ]

Kowalski Karol J., McDaniel Rebecca S. y Olek Jan (2008), Development of a laboratory procedure to evaluate the influence of aggregate type and mixture proportions on the frictional characteristics of flexible pavements. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 77, 35-70.        [ Links ]

Kringos N., Scarpas A. y De Bondt A. (2008), Determination of moisture susceptibility of mastic-stone bond strength and comparación to thermodynamical properties. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 77, 435-478.        [ Links ]

Kvasnak A. Andrea y Williams R. Christopher (2007), Evaluation of interaction effects between asphalt binder and fillers using a moisture susceptibility test. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 76, 163-200.        [ Links ]

Pérez Jiménez F., Miró Recasens R. y Fonseca Rodríguez C. (1997), Essai BTD pour la Determination de la Ténacitè et Resístanse à la Fissuration des Mélanges Bitumineux. Mechanical Test for Bituminous Materials, RILEM, 391-396.        [ Links ]

Shen Shihui y Carpenter Samuel. (2007), Development o fan asphalt fatigue model based on energy principles. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 76, 525-574.        [ Links ]

Wagoner Michael P., Buttlar William G., Paulino Glaucio H., Blankenship Philip. (2005), Investigation of the fracture resistance of hot-mix asphalt concrete using a disk-shaped compact tension test. In Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 1929, TRB, National Research Council, Washington, D.C., 183-192.        [ Links ]

Fecha de recepción: 27/ 10/ 2010, Fecha de aceptación: 20/ 05/ 2011.