Nivel de esfuerzos del suelo

El tiempo de vida por fatiga de los pavimentos determinados mediante pruebas de laboratorio generalmente es menor que los observados en el campo. La razón de que las ecuaciones fallan al predecir la fatiga en los pavimentos es debido a las diferencias entre las condiciones de carga en laboratorio y en campo; las principales son las siguientes: 1 En el campo, hay un periodo de reposo entre las aplicaciones de carga que

permite la relajación de los materiales del pavimento.

2 En el campo, los esfuerzos residuales a compresión (o tensión) pueden permanecer en la parte inferior de la capa superficial después del paso de cada carga y por lo tanto “preesforzar” la capa de manera que los esfuerzos a tensión que ocurren cuando pasa la siguiente carga pesada causan mucho menos (o mucho mas) daño por fatiga, dependiendo de si las capas de asfalto acumulan mas (o menos) esfuerzos residuales que la capa inferior de base. En el campo, estos esfuerzos residuales se relajan con el tiempo; con un periodo de espera suficiente entre las cargas, los esfuerzos residuales no permanecerán. En el laboratorio, los esfuerzos residuales también aumentan en las probetas para fatiga. Después de varios ciclos, la tensión actúa sobre una cara durante la carga y la misma magnitud de la tensión actúa sobre la otra cara durante el periodo de reposo entre los pulsos de carga.

De esta manera, el historial de esfuerzos residuales de las mezclas asfálticas en el laboratorio es muy diferente al de aquellos observados en el campo.

Yandell y Lytton (1979) en su estudio sobre esfuerzos residuales en un pavimento, encontraron que debido a la deformación residual a tensión o compresión, los esfuerzos a tensión resultantes de una aplicación de carga son aproximadamente entre el 80 y 120% de la deformación resultante de la aplicación de la carga precedente. Durante el periodo de reposo entre las cargas, pueden presentarse dos procesos de recuperación. En un proceso, el material se relaja y pierde algo de su esfuerzo residual, incrementando o disminuyendo de esta manera el nivel de esfuerzos aplicado por la siguiente solicitación de carga. En el otro proceso, las microgrietas en el material más allá de las grietas visibles se permiten remediar parcialmente debido a la recuperación viscoelástica del cemento asfáltico y parcialmente debido a la reformación de fuerzas confinantes en el material después de la eliminación de la carga aplicada. Estos dos efectos juntos resultarán en el incremento de la vida por fatiga de los pavimentos sujetos a las cargas del tránsito.

Monismith et al. (1994) presentaron en su reporte sobre comportamiento a la fatiga (SHRP-A-404), los efectos que muestran distintas variables de prueba sobre las mezclas asfálticas.

La primer variable analizada fue el nivel de esfuerzos de el suelo, para esto, se utilizó la prueba de viga a flexión con deformación controlada por fatiga, además de dos niveles de esfuerzos (alto y bajo) y tres temperaturas de prueba (0°C, 20°C y 40°C), observándose el comportamiento de la vida por fatiga. La Tabla 5-10 muestra los resultados obtenidos:

Vida por fatiga (Ciclos) Nivel de esfuerzos

0°C 20°C

Bajo 7,317,900 327,400

Alto 1,815,000 93,200

% Diferencia -75% -72%

Tabla 5-10 Resultados promedio de la variación del tiempo de vida por fatiga en función del nivel de esfuerzos y la temperatura de prueba

La Tabla 5-10 muestra que existe una gran influencia del nivel de esfuerzos sobre la vida por fatiga de las mezclas asfálticas estudiadas, existiendo disminuciones mayores al 70% en función de un incremento en el nivel de esfuerzos. Por otra parte, el aumento en la temperatura de prueba también genera una reducción considerable en los valores de tiempo de vida por fatiga.

5.5.2 Tipo de asfalto

Kim et al. (1991) realizaron un estudio en el que analizaron el efecto del tipo de asfalto sobre el comportamiento por fatiga de las mezclas asfálticas. Se utilizaron dos tipos de asfaltos (AAK-1 y AAG-1) y dos temperaturas de prueba (0 y 20°C). Los resultados arrojaron que las mezclas que contienen asfaltos AAK-1 demuestran más resistencia a la fatiga que las mezclas elaboradas con asfalto tipo AAG-1. Observándose además, que la diferencia en la resistencia a la fatiga de las dos mezclas es más pronunciada para 20°C que para 0°C.

Monismith et al. (1994) utilizaron en su estudio dos tipos de asfaltos. Primero, un asfalto AAK-1 (AC-30), con susceptibilidad a la temperatura relativamente más baja y un índice de penetración (IP) de –0.5; en segundo lugar, un asfalto AAG-1 (AR-4000), con susceptibilidad a la temperatura relativamente mayor y un IP de –1.5. De nueva cuenta se consideraron dos métodos (axial y diametral) y tres temperaturas de prueba (0°C, 20°C y 40°C). La Tabla 5-11 muestra los resultados obtenidos:

Vida por fatiga (Ciclos) Tipo de asfalto

0°C 20°C

AAK-1 2,744,600 84,500 AAG-1 4,839,200 361,400

% Diferencia 43% 77%

Tabla 5-11 Resultados promedio de la variación del tiempo de vida por fatiga en función del tipo de asfalto y la temperatura de prueba

En la Tabla 5-11 se observa que los especimenes con temperaturas menores y contenido de asfalto tipo AAK-1 exhiben menores tiempos de vida por fatiga con respecto a los especímenes con contenido de asfalto AAG-1. Para altas temperaturas, los valores de vida por fatiga obtenidos difieren en un mayor porcentaje (77%) con respecto a los obtenidos para temperaturas bajas (43%).

5.5.3 Contenido de asfalto

Barksdale (1978) analizo las propiedades de fatiga de mezclas para bases de concreto asfáltico. Evaluó la influencia del contenido de asfalto para una mezcla con contenido de asfalto optimo de 4.8% basado en el método de diseño Marshall. Encontró que un incremento en el contenido de asfalto de 4.25 a 4.5% incrementa la vida por fatiga en un 350% y que un incremento de 4.5 a 4.75% incrementa la vida por fatiga en un 95%. Barksdale concluyó que el mejoramiento en la resistencia a la fatiga al incrementar un porcentaje específico de contenido de asfalto se vuelve menos significativo al utilizar un contenido de asfalto mayor.

Kim et al. (1991) concluyó que el efecto del contenido de asfalto es mucho mas significativo para temperaturas de prueba de 0°C que para temperaturas de 20°C. Esto es, un incremento de 0.6% en el contenido de asfalto de la mezcla proveerá mas resistencia al agrietamiento por fatiga para 0°C, el cual es el rango de temperaturas donde el agrietamiento por fatiga es de gran preocupación.

Monismith et al. (1994) utilizaron en su estudio dos contenidos de asfalto. Primero, el más bajo (optimo), que fue determinado con el procedimiento estándar de Hveem. El segundo contenido de asfalto fue fijado 0.6% mayor, correspondiendo aproximadamente al contenido de asfalto óptimo que se obtiene utilizando el procedimiento de diseño del Cuerpo de Ingenieros (método Marshall). La Tabla 5-12 muestra los contenidos de asfalto utilizados para las mezclas consideradas:

SUSCEPTIBILIDAD A LA TEMPERATURA

Baja (AAK, IP = -0.5) Alta (AAG, IP = -1.5) Contenido de asfalto Contenido de asfalto Potencial de

adherencia del agregado

Optimo Alto Optimo Alto

Bajo (RB) 5.1 5.7 4.9 5.5

Alto (RL) 4.3 5.0 4.1 4.8

Tabla 5-12 Contenido de asfalto utilizado para varias mezclas

La Tabla 5-13 muestra los resultados obtenidos:

VIDA POR FATIGA (CICLOS) CONTENIDO DE

ASFALTO 0°C 20°C

Optimo 4,977,800 213,700

Alto 2,668,200 142,800

% Diferencia -46% -33%

Tabla 5-13 Resultados promedio de la variación del tiempo de vida por fatiga en función del contenido de asfalto y la temperatura de prueba

En la Tabla 5-13 se observa de manera general, que disminuyen los valores de vida por fatiga para contenidos de asfalto altos en relación con los contenidos de asfalto óptimos. Obteniendo de nueva cuenta una disminución de la vida por fatiga con respecto al incremento de las temperaturas de prueba.