Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles

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(1)INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE HUMEDAD RELATIVA EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. TRABAJO DE GRADO - PREGRADO NATALIA ANDREA NIETO ALBARRACIN. ASESORA: INGENIERA SILVIA CARO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ING. CIVIL E ING. AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2012.

(2) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Tabla de contenido 1.. OBJETIVOS ............................................................................................................................... 5. 1.1.. Objetivo General ..................................................................................................................... 5. 1.2.. Objetivos Específicos ............................................................................................................... 5. 2.. ANTECEDENTES ....................................................................................................................... 6. 3.. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 7. 4.. DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA A EVALUAR .................................................................... 11. 4.1.. Granulometría ....................................................................................................................... 11. 4.2.. Asfalto ................................................................................................................................... 14. 4.3.. Especímenes .......................................................................................................................... 14. 4.4.. Prueba de Estabilidad y Flujo ................................................................................................ 17. 4.5.. Análisis de Densidad.............................................................................................................. 18. 4.6.. Resultados Obtenidos y Admisibles ..................................................................................... 19. 4.7.. Dificultades encontradas en la elaboración del diseño de mezcla asfáltica ......................... 22. 5.. ENSAYO FATIGA ..................................................................................................................... 24. 5.1.. Procedimiento ....................................................................................................................... 24. 5.1.1. Probetas ................................................................................................................................ 26 5.1.2. Montaje ................................................................................................................................. 28 5.1.3. Recomendaciones para la elaboración del montaje ............................................................. 32 5.2.. Resultados ............................................................................................................................. 33. 6.. ANÁLISIS LEY DE FATIGA........................................................................................................ 36. 7.. SIMULACIÓN DE MECÁNICA DE PAVIMENTOS ..................................................................... 37. 7.1.. Metodología .......................................................................................................................... 37. 7.2.. Procedimiento ....................................................................................................................... 38. 7.2.1. Valores Admisibles ................................................................................................................ 38 7.2.2. Solicitaciones en el pavimento .............................................................................................. 40 7.3.. Resultados ............................................................................................................................. 42. 8.. ANÁLISIS KENPAVE ................................................................................................................ 47. 9.. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 49. 10.. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 50. 11.. ANEXOS FOTOGRÁFICOS ...................................................................................................... 51. 2.

(3) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Lista de Tablas Tabla 1. Granulometría detallada de la mezcla MDC-2 ........................................................................... 12 Tabla 2. Propiedades del Asfalto 60/70 ................................................................................................... 14 Tabla 3. Resultados Densidad .................................................................................................................. 18 Tabla 4.Resultados de diseño Marshall- Primer Ensayo .......................................................................... 20 Tabla 5. Resultados de diseño Marshall- Segundo Ensayo ..................................................................... 20 Tabla 6. Resumen Diseño Marshall – Tráfico Pesado .............................................................................. 21 Tabla 7. Resultados densidad contenido de asfalto 5.6% ........................................................................ 23 Tabla 8. Materiales usados en el montaje ............................................................................................... 31 Tabla 9. Resultados a fatiga con HR 80% ................................................................................................ 33 Tabla 10. Resumen ley de fatiga HR 80% ................................................................................................. 34 Tabla 11. Ley de Fatiga HR 35% (Echeveería 2011) .................................................................................. 38 Tabla 12. Ley de Fatiga HR 8% (Echeverría 2011) .................................................................................... 38 Tabla 13. Valores de la distribución estándar según probabilidad de falla ............................................. 39 Tabla 14. Valores de Kc ............................................................................................................................ 39 Tabla 15. Valores de Ks ............................................................................................................................ 40 Tabla 16. Módulos de Rigidez y Relación de Poisson ............................................................................... 41 Tabla 17. Espesores Iniciales Típicos ........................................................................................................ 41 Tabla 18. Deformaciones verticales admisibles ....................................................................................... 42 Tabla 19. Esfuerzo a tención admisible ................................................................................................... 43. 3.

(4) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Lista de Figuras Figura 1. Granulometría MDC-2 ............................................................................................................... 13 Figura 2. Probetas Ensayo Marshall ......................................................................................................... 15 Figura 3. Granulometría Probeta Marshall .............................................................................................. 15 Figura 4. Mezcla Asfáltica ......................................................................................................................... 16 Figura 5. Prensa de Compactación Marshall ............................................................................................ 16 Figura 6. Baño Termostatado. (Echeverria, 2011) ................................................................................... 17 Figura 7. Prensa de Compactación Marshall ........................................................................................... 18 Figura 8. Análisis de Estabilidad ............................................................................................................... 21 Figura 9. Análisis de Flujo ......................................................................................................................... 21 Figura 10. Análisis de Densidad ................................................................................................................ 22 Figura 11. Cámara Hidrostática ................................................................................................................ 25 Figura 12. Dimensiones de las probetas típicas en ensayo a la fatiga, (Echeverria, 2011) ...................... 26 Figura 13. Probetas Ensayo de Fatiga ...................................................................................................... 26 Figura 14. Molde Para la Fabricación de Panelas ..................................................................................... 27 Figura 15. Montaje para mantener humedad relativa constante............................................................ 29 Figura 16. Extractor de Aire...................................................................................................................... 30 Figura 17. Control de Humedad ............................................................................................................... 30 Figura 18. Reductor de PVC...................................................................................................................... 31 Figura 19. Sensor de Humedad ................................................................................................................ 32 Figura 20. Curva de ley de fatiga a condicione de HR 80% ...................................................................... 34 Figura 21. Ley de fatiga a diferentes humedades relativas (preparada con base en información presentada por Echeverría (2011) e información propia) ....................................................................... 35 Figura 22. Estructura Típica Uno .............................................................................................................. 40 Figura 23. Estructura Típica Dos ............................................................................................................... 40 Figura 24. Eje Típico ................................................................................................................................. 42 Figura 25. Comportamiento del εt admisible a diferentes condiciones de tráfico y humedad relativa .. 44 Figura 26. Comportamiento de la estructura 1 al cambio del espesor de la capa de rodadura.............. 45 Figura 27. Comportamiento de la estructura 2 al cambio del espesor de la capa de rodadura.............. 46. 4.

(5) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo General El objetivo general de este proyecto de grado es determinar el efecto de las condiciones ambientales en la resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas, por medio de un proceso experimental.. 1.2. Objetivos Específicos Determinar el efecto de la humedad relativa en la resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas. Por medio de modelos computacionales encontrar las semejanzas o diferencias del diseño de pavimentos flexibles, incorporando la humedad relativa.. 5.

(6) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 2. ANTECEDENTES En los diferentes métodos actualmente utilizados para el diseño de pavimentos flexibles no se tiene en cuenta las condiciones que generan los cambios de la humedad relativa en la resistencia de los materiales asfálticos. Sin embargo, este es un factor de gran importancia para el periodo de vida de un pavimento ya que el comportamiento a fatiga de mezclas asfálticas se afecta por las condiciones climáticas de la zona. El cambio de humedad relativa en la tierra cambia con la temperatura, la presión y el vapor de agua, lo cual permite entender que el diseño de un pavimento deberá cambiar en función del lugar y. sus condiciones de humedad relativa y no sólo en función de las condiciones de. temperatura de la zona. En el año 2011, Edwin Echeverria, un estudiante del programa de Maestría de Ingeniería Civil de la Universidad de los Andes, elaboró su trabajo de tesis en la determinación de la influencia del contenido de humedad sobre la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica densa en caliente tipo MDC-2 (normativa del Instituto Nacional de Vías, INVIAS); en donde se encontró que existe una fuerte influencia del contenido de humedad en la resistencia a fatiga de mezclas asfálticas. Adicionalmente, se encontró que cuando el ensayo se realiza sumergiendo los especímenes de ensayo en agua, ésta ejerce una fuerza o presión hidrostática que acelera el desgaste de las partículas más finas de la mezcla.. 6.

(7) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 3. INTRODUCCIÓN Los pavimentos están conformados por una estructura multicapa que se encuentra sujeta a la acción repetida del tráfico y a las condiciones climáticas de las zonas donde se encuentran localizados. A lo largo de los años se han venido mejorando las metodologías de sección de materiales y de diseño de las estructuras para encontrar estructuras que cumplan con un periodo de tiempo admisible, capaces de brindar comodidad durante todo el periodo de diseño. Sin embargo, existen muchos parámetros que intervienen en la resistencia de los pavimentos, como el nivel y características del tráfico, la magnitud de la temperatura y sus variaciones a lo largo de un año o la disponibilidad y calidad de los materiales. No obstante, existen otros parámetros que aun no han sido estudiados ni tenidos en cuenta en el diseño de pavimentos, como lo es la humedad relativa del medio ambiente. En este trabajo se estudiará la mezcla asfáltica de la capa de rodadura, en la cual se ejercen directamente las agresiones del tráfico y clima, pero más precisamente se medirá el efecto de la humedad relativa en la resistencia a la fatiga de mezcla asfáltica clasificada como tipo MDC-2 de acuerdo con las especificaciones del (INVIAS, 2012). La afectación de la humedad relativa en las propiedades de las mezclas asfálticas es un tema que a la fecha no se conoce muy bien, pero se presume que tiene un grado de afectación en el rendimiento de los pavimentos. Para poder estudiar el comportamiento a fatiga de una mezcla tipo MDC-2, se desarrollaron ensayos Marshall que garantizan un contenido de asfalto óptimo para una granulometría de este tipo de mezcla, más adelante se desarrolló el ensayo a fatiga con el diseño de mezcla según el ensayo Marshall bajo una humedad relativa constante. Por último, se encontró la afectación de la humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles, por medio de la herramienta computacional de mecánica de sistemas multicapa, KENPAVE. En la actualidad, el mecanismo de degradación de la capa de rodadura se asocia a esfuerzos de fricción tangenciales, generados por diferentes componentes ambientales y mecánicos. Uno de los factores más importante es la carga que circula sobre éste, causando esfuerzos verticales que se transmiten al suelo de subrasante con una disipación lateral. Esta repetición de carga puede generar esfuerzos verticales elevados, causando deformaciones a las capas inferiores como la subrasante y en general a las capas granulares, originando deformaciones permanentes a toda la estructura del. 7.

(8) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 pavimento (IDU, 2002). Otros factores importantes son: el ahuellamiento por flujo viscoso, causado por altas temperaturas combinado con el paso de cargas elevadas, la mala adherencia de la capa de rodadura al cuerpo del pavimento, el calcado de fisuras de las capas del cuerpo y la fatiga térmica debido al envejecimiento del asfalto. También se puede inferir, que hay diferentes componentes en cada uno de los factores asociados al desgaste del pavimento, componentes naturales, climáticos, constructivos o posiblemente una mezcla entre ellos. (IDU, 2002). El cambio climático en la zona aledaña a los pavimentos flexibles genera una alta variabilidad en el estado hídrico al interior de la estructura. Sin embargo, el estado hídrico en un pavimento está asociado a efectos de borde, generadores de asentamientos de borde y fisuras en tiempo seco. El deterioro de capas granulares está involucrado en la alta permeabilidad de la capa de rodadura (IDU 2002). A partir de estos conceptos se puede deducir que los cambios relacionados con el clima están asociados a precipitaciones, deltas de temperatura y humedades al interior del pavimento. Sin embargo, la humedad relativa como componente hídrico del planeta, no se nombra ni se involucra como un factor influyente en el desgaste de los pavimentos, con la posible excepción de la reciente preocupación por el daño por agua o stripping que ocurre en las mezclas asfálticas. Para comprender más este concepto, se define la humedad relativa como el contenido de humedad del aire, es decir la cantidad de agua que presenta el aire por unidad de volumen. Siendo la humedad relativa un elemento variable pero persistente en todos los lugares del planeta tierra, causa gran curiosidad saber qué repercusiones existen en el comportamiento de la mezcla asfáltica, bajo la ineludible presencia de la humedad relativa.. El agua como agente corrosivo en el planeta causa grandes complicaciones en todas las obras civiles. Este elemento natural, además de ser la fuente de muchos peligros, es uno de los principales problemas en el desgaste de obras viales. En estado líquido, se reconoce que este agente ayuda a desprender materiales granulares finos, hasta partículas de tamaños más pronunciados, causando un efecto similar al de la erosión en la naturaleza. En pavimentos la aparición de fisuras o grietas en su superficie se convierte en un peligro latente, el cual podría desarrollar un proceso de infiltración del agua que causa problemas como: en primer. 8.

(9) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 lugar, la disminución de la cohesión entre agregados y ligante asfáltico a causa de las fuerzas capilares y en segundo lugar, el aumento de la presión de poros que se transfieren por las cargas dinámicas al paso de los vehículos (Echeverria, 2011). Todo este mecanismo de penetración de agua bajo carga pesada, genera movimientos cinéticos de las partículas de agua en aquellos espacios donde logra penetrar, ocasionando movimientos dinámicos que aumentan la presión intersticial, desarrollando un proceso de erosión de partículas finas que conducen el debilitamiento del pavimento. Por estas razones encontramos que la humedad en todas sus formas aumenta el grado de deterioro de una estructura. Otro importante proceso inscrito a la intervención del agua, son los presuntos procesos de oxidación del asfalto que se pueden generar al interior de la mezcla (i.e., reacción de los hidrocarburos del asfalto con el oxígeno que transporta el agua). Estos procesos se asocian con el aumento del módulo, rigidizando su estructura y causando mayor susceptibilidad a la falla por fatiga (Echeverria, 2011). Las principales fallas estructurales de los pavimentos tienen dos orígenes: 1) deformaciones permanentes causadas en las capas inferiores (subrasante y capas de subbase granular no cementadas) y reflejadas en la superficie del pavimento como hundimientos de gran radio, y 2) pérdida de resistencia estructural de las capas cementadas (asfálticas o estabilizadas con cemento) debido al paso repetido de cargas de tráfico. Este estudio se concentra en el segundo procesos, denominado fatiga. Este mecanismo de deterioro es consecuencia del efecto de la repetición de cargas provenientes del tráfico, la cual genera una deformación a tensión u horizontal en la base de las capas cementadas, hasta lograr el agrietamiento en la estructura por esfuerzos a flexión. La falla por fatiga de las capas con mezclas asfálticas se asocia a la respuesta resiliente (recuperable) de los pavimentos ante la aplicación de una carga dinámica. En general, los pavimentos de capas muy delgadas o rígidas son las más susceptibles a sufrir esta falla, influenciada por parámetros como contenido de asfalto, vacio de aire, tipo de agregados, temperatura o tipo de tráfico (Echeverria, 2011). Actualmente, no se ha estimado con claridad el comportamiento y deterioro que presentan los pavimentos flexibles, al ser sometidos por diferentes condiciones de humedad. Sin embargo, se encontró que la humedad relativa afecta la resistencia al deterioro de la mezcla asfáltica y, por lo tanto, su tiempo de vida útil (Echeverría, 2011). En el estudio realizado por Echeverría (2011) se 9.

(10) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 encontró que a mayor humedad relativa menor es el número de repeticiones de carga que soporta el material antes de su falla. También se observó que a humedades relativas más altas las deformaciones son menores, es decir su resistencia a la fatiga es menor que en condiciones de ambiente seco. Por otro lado, implementar los resultados experimentales a un modelo computacional, permite analizar el comportamiento de un pavimento a las diferentes condiciones de humedad relativa. De esta forma se lograría investigar el potencial efecto de incorporar otra variable que interviene en el comportamiento mecánico de los pavimentos. El presente documento sintetiza los resultados experimentales que se realizaron para determinar el efecto de un valor de humedad relativa en la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica densa en caliente tipo MDC-2. La curva de fatiga obtenida bajo estas condiciones se puede considerar un complemento a las curvas obtenidas por Echeverría (2011), las cuales fueron realizadas bajo otras condiciones de humedad relativa. Así mismo, el documento presenta los resultados de un ejercicio académico que consistió en efectuar diseños de pavimentos empleando diversas condiciones de humedad relativa e involucrando el efecto que esta variable tiene en la resistencia a fatiga de la carpeta de rodadura. En la primera parte del documento se presentan las actividades que se realizaron para determinar el diseño de la mezclas asfáltica. A continuación se resume el montaje experimental empleado para el ensayo de fatiga y los resultados obtenidos para una humedad relativa del 80%. En la siguiente sección se presentan los resultados de los ejercicios de diseño realizados para evaluar el impacto de la humedad relativa en los espesores finales de estructuras de pavimento flexible convencionales. Finalmente, la última sección presenta los principales resultados obtenidos en el estudio y presenta algunas recomendaciones para tener en cuenta en futuras investigaciones a realizar sobre este tema.. 10.

(11) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 4. DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA A EVALUAR Para el diseño de mezcla asfáltica se utilizó el método Marshall; un método que a lo largo del estudio de pavimentos flexibles, es el más conocido y utilizado en el mercado. Este método se aplica a mezclas asfálticas en caliente, implementado en laboratorios y en control de campo. A partir de los ensayos encontrados en el laboratorio, se espera encontrar el porcentaje óptimo de asfalto, que permita determinar la proporción entre asfalto y agregados para obtener una resistencia, condiciones de compactación (porcentaje de vacíos en la mezcla), manejabilidad y cohesión deseables. Este contenido óptimo de asfalto permite garantizar que la mezcla resultante no presente problemas de rigidez, que garantiza el deterioro por fatiga o problemas de ahuellamiento por exceso de ligante. Los parámetros más importantes en este proceso son la densidad, el análisis de vacios, la estabilidad y el flujo de los especímenes o probetas compactadas (Garnica et al. 2004). Vale la pena mencionar que el procedimiento empleado en este estudio es simplificado con respecto al especificado en la norma (INV 450-96). Sin embargo, se realizó de esta manera con el único objetivo de verificar o ajustar el diseño de la mezcla (i.e., contenido óptimo de asfalto) que fue empleado en el estudio de Echeverría (2011). 4.1. Granulometría Se seleccionó la granulometría MDC-2 establecida por el INVIAS en el artículo 450-96 de la especificaciones para materiales asfálticos (INVIAS 2012) . La Figura 1 es una grafica semi-logaritmica donde se graficaron las línea de control (superior e inferior) establecidas por la MDC-2, así como la granulometría encontrada por tres tipos de materiales diferentes, detallados en la Tabla 1. El primer material analizado es una arena con referencia comercial tamiz 50, suministrada de la cantera Chuzaca. El segundo y tercer material, son una grava fina y arena suministrados por la Universidad de los Andes, respectivamente. A partir de estos tres materiales se calculó la granulometría resultante con 10% de arena tamiz 50, 30% de grava fina y 60% de arena. En el Anexo 1 se presentan fotos de los tres materiales utilizados.. 11.

(12) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 Tabla 1. Granulometría detallada de la mezcla MDC-2. Granulometría 0.1. 0.3. 0.6. Tamiz. Diámetro (mm). ARENA-50. GRAVA FINA. ARENA. Resultado. 1. 25.400. 100.000. 100.000. 100.000. 100.000. 3/4. 19.000. 100.000. 100.000. 100.000. 100.000. 1/2. 12.700. 100.000. 50.820. 100.000. 85.246. 3/8. 9.510. 100.000. 19.204. 100.000. 75.761. 4*. 4.760. 100.000. 0.468. 87.563. 62.678. 8*. 2.380. 100.000. 0.234. 63.246. 48.018. 16*. 1.190. 100.000. 0.234. 46.508. 37.975. 30*. 0.595. 98.053. 0.234. 33.065. 29.715. 50*. 0.297. 49.754. 0.234. 16.011. 14.652. 100*. 0.149. 19.931. 0.234. 5.305. 5.246. 200*. 0.074. 8.078. 0.234. 4.398. 3.517. En la Figura 1 se puede ver que en la parte inferior de la curva resultante no cumple con los límites de la MDC-2. Este comportamiento permite deducir que la mezcla no cumple para la porción fina, pero se podría mejorar incluyendo otro tipo de material. que contenga mayor contenido de finos. Sin. embargo, se optó por continuar los ensayos con esta granulometría anteriormente mencionada.. 12.

(13) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Figura 1. Granulometría MDC-2. 13.

(14) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 4.2. Asfalto Se seleccionó Asfalto 60/70 de la refinería de Apiay con las propiedades definidas en la Tabla 2. El único criterio que se tomó para la escogencia de este asfalto, fue tratar de tomar las mismas características escogidas en el trabajo de grado “Influencias del contenido de humedad sobre la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica tipo MDC-2” por Edwin Echeverría (2011). Sin embargo, no fue posible conseguir las mismas especificaciones empleadas en este proyecto y se optó por utilizar Apiay 60/70 (Anexo 2). Tabla 2. Propiedades del Asfalto 60/70. Grado Referencia Actualización Características Ductibilidad a 25 °C, 5cm/min Penetración a 25 °C, 100g 5 s Punto de ablandamiento. Producto: Asfalto 60/70 Asfalto Liquido ASTM D 1437 Marzo 1, 2005 Unidades Métodos Mínimo. Máximo. cm. D113. 100. mm/10. D5. 60. 70. °C. D36. 45. 55. Punto de inflamación. °C. D92. 232. Solubilidad en Tricloroetileno. g/100g. D2042. 99. Pérdida de masa. g/100. D2872. 1. Especificaciones asfalto 60/70 (s.f) Recuperado el 1 junio de 2012 de http://www.ecopetrol.com.co/contenido.aspx?catID=222&conID=37385. 4.3. Especímenes Para la elaboración de las probetas se establecieron cuatro contenidos de asfalto diferentes (4.5%,5%, 5.5% y 6%), para cada contenido de asfalto se fabricaron 3 probetas, con el fin de ajustar los errores. cometidos en la elaboración de cada probeta. Las dimensiones de los. especímenes son de 4’’ de diámetro y 2.5’’ de espesor, en la Figura 2 se puede visualizar la forma. 14.

(15) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 de las probetas. La compactación se diseñó para niveles de tráfico pesado, es decir un mínimo y máximo de 75 golpes.. Figura 2. Probetas Ensayo Marshall. Para la elaboración de estos especímenes se desarrolló el siguiente procedimiento, el cual sigue las especificaciones de la norma INVIAS (INV 450-96): 1. Secar en un horno a 110°C el material granular durante un día. 2. Pesar cada una de las cantidades requeridas de material granular en recipientes separados por probeta, el peso estimado por probeta es 3600gr (Figura 3).. Figura 3. Granulometría Probeta Marshall. 15.

(16) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 3. Introducir cada uno de los recipientes a un horno a 150°C durante 2 horas junto con el asfalto. 4. Para cada recipiente, es decir para cada probeta, mezclar el material granular con el contenido de asfalto requerido, hasta conseguir una mezcla homogénea (Figura 4).. Figura 4. Mezcla Asfáltica. 5. Alistar previamente el montaje de compactación o prensa de compactación Marshall, comúnmente conocido como “martillo” (Figura 5).. Figura 5. Prensa de Compactación Marshall. 16.

(17) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 6. Introducir la mezcla homogénea al equipo de compactación y aplique los golpes requeridos. 4.4. Prueba de Estabilidad y Flujo Esta prueba está especificada en la misma norma INVIAS (INV-450-96) y consiste en sumergir los especímenes en un baño de maría a 60 °C ± 1°C durante 30 minutos en el baño termostatado, tal como se muestra en la Figura 6.. Figura 6. Baño Termostatado. (Echeverria, 2011). Con el equipo previamente listo se retira la probeta del baño de maría y se ubica en el equipo de carga (Figura 7), teniendo cuidado de que la probeta quede centrada tanto en la mordaza superior como la mordaza inferior. En seguida se somete a carga constante de 51 mm por minuto hasta encontrar su punto de falla, el punto de mayor resistencia será considerado el valor de estabilidad de Marshall. Para obtener el valor de flujo se toma el valor de flujo de la estabilidad de Marshall menos el flujo inicial, este valor indica la disminución del diámetro (i.e., deformación permanente) que sufre cada especimen.. 17.

(18) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Figura 7. Prensa de Compactación Marshall. 4.5. Análisis de Densidad Para este proceso se miden las dimensiones de los especímenes y se toma el peso seco de cada una. Con el volumen y el peso se obtiene la densidad. Por medio de la Tabla 3 se puede examinar de una forma más detallada el desarrollo de este análisis. Tabla 3. Resultados Densidad. Espesor (mm ) Diametro(mm) Peso seco (g) Volumen (m^3) Peso seco (Kg) Densidad (Kg/m^3). 5% 65.06 103.00 1147.09 0.00054 1.15 2116.02. 5% 65.31 101.70 1160.09 0.00053 1.16 2186.65. 5% 64.84 102.00 1132.82 0.00053 1.13 2138.10. 5.5% 66.06 102.76 1176.08 0.00055 1.18 2146.64. 18. 5.5% 65.00 102.03 1143.24 0.00053 1.14 2151.19. 5.5% 6.0% 6.0% 6.0% 65.50 65.86 64.17 63.30 102.08 101.87 101.84 101.88 1159.73 1180.73 1139.83 1133.42 0.00054 0.00054 0.00052 0.00052 1.16 1.18 1.14 1.13 2163.44 2199.61 2180.63 2196.44.

(19) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 4.6. Resultados Obtenidos y Admisibles Se desarrollaron dos ensayos Marshall con el mismo procedimiento. El primer ensayo se llevó a cabo con probetas de 4.5%, 5% y 5.5% de contenido de asfalto. Para el segundo ensayo se fabricaron probetas de 5%, 5.5% y 6% de contenido de asfalto. El motivo de la elaboración de dos ensayos fue por extraños resultados obtenidos durante el primer ensayo. Estas irregularidades se referencian a la mala medición en las proporciones de agregados y contenido de asfalto, a los cambios en la manipulación de la preparación de mezclado, a temperaturas por debajo de las admisibles, o a la mala calibración en las máquinas manipuladas. Por medio de las Tablas 4 y 5 se estimaron los valores de densidad, estabilidad y deformación para cada uno de las probetas, en cada uno de los ensayos. Continuamente para cada contenido de asfalto se calculó la media aritmética para los valores de densidad, estabilidad y deformación. Con estos valores promedio se garantizó unificar las diferencias de cada una de las probetas. A partir del segundo ensayo, se logró encontrar con claridad el porcentaje óptimo de asfalto como 5.6%, ilustrado por medio de la Figura 8, en la cual se define el punto óptimo como el punto máximo de resistencia, es decir el punto máximo de concavidad. Por medio de las Figuras 9 y 10 se establece la densidad y el flujo de 5.6% de asfalto óptimo. Los valores obtenidos en las Tablas 4 y 5 según los valores admisibles en INVIAS 450-96 presentados en la Tabla 6, se encuentran dentro de los rangos admisibles para un diseño de mezcla con tráfico pesado.. 19.

(20) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Tabla 4.Resultados de diseño Marshall- Primer Ensayo. Contenido de Asfalto Densidad (Kg/m^3) Densidad media (Kg/m^3) 4.5% 2136.094 4.5% 2133.554 2129.551 4.5% 2119.004 5.0% 2116.761 2151.864 5.0% 2156.269 5.0% 2182.562 5.5% 2170.628 5.5% 2143.663 2155.234 5.5% 2151.411. Estabilidad (lb) 1238.976 801.641 731.822 708.738 636.762 934.893 1242.216 1016.211 839.544. Estabilidad media (lb) 924.146. 760.131. 1032.657. Deformación (0.01 in) Deformación media (0.01 in) 11.143 8.987 9.927 9.652 9.148 9.961 11.475 9.259 10.633 11.651 11.194 11.297. Tabla 5. Resultados de diseño Marshall- Segundo Ensayo Contenido de Asfalto 5.0% 5.0% 5.0% 5.5% 5.5% 5.5% 6.0% 6.0% 6.0%. Densidad (Kg/m^3) Densidad media (Kg/m^3) 2116.017 2186.655 2146.923 2138.098 2146.645 2153.757 2151.188 2163.438 2199.614 2180.627 2192.227 2196.440. Estabilidad (lb) 1638.463 1364.044 1103.723 1884.715 1764.694 1400.999 1637.488 1675.442 1611.566. 20. Estabilidad media (lb) 1368.743. 1683.469. 1641.499. Deformación (0.01 in) 11.135 8.982 10.979 11.636 11.142 9.475 14.481 11.773 11.490. Deformación media (0.01in) 10.365. 10.751. 12.581.

(21) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 Tabla 6. Resumen Diseño Marshall – Tráfico Pesado. Propiedad Asfalto Optimo Estabilidad Flujo Densidad. Resumen Diseño Marshall Unidad Valor Según Norma INV 450-96 % 8.6 * Lb 1675.08 1653 min 0.01 in 11.11 8 a 14 Kg/m^3 2170.45 *. Estabilidad Estabilidad(lb). 1800 1600 1400 1200. Segundo Ensayo. 1000. Primer Ensayo. 800 600 4,5%. 5,0%. 5,5%. 6,0%. % de Asfalto. Figura 8. Análisis de Estabilidad. Flujo 14,400 Deformación (0.01 in). 12,400 10,400 8,400. Segundo Ensayo. 6,400. Primer Ensayo. 4,400 2,400 4,5%. 5,0%. 5,5% % de Asfalto Figura 9. Análisis de Flujo. 21. 6,0%.

(22) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Densidad 2200 Densidad (Kg/m^3). 2190 2180 2170 2160. Segundo Ensayo. 2150. Primer Ensayo. 2140 2130 2120 4,5%. 5,0%. 5,5%. 6,0%. % de Asfalto. Figura 10. Análisis de Densidad. 4.7. Dificultades encontradas en la elaboración del diseño de mezcla asfáltica La obtención de material granular fue la mayor dificultad para la elaboración de los especímenes. Las empresas que trabajan en el procesamiento de estos materiales no prestan sus servicios para cantidades pequeñas, requeridas para una práctica de laboratorio. Otro punto importante a resaltar es que el material entregado por estas empresas no siempre cumple con los requerimientos del laboratorio. Esto se vio evidenciado con la comprobación de una muestra de arena tamiz 50 extraída de una cantera, a la cual se le realizó un proceso de tamizaje, donde se encontró que menos del 50% de esta referencia pertenece a la requerida. Para la obtención de la densidad del porcentaje óptimo no se encontró un patrón representativo entre los ensayos uno y dos ilustrado en la Figura 10. Con estas inconsistencias se decidió desarrollar de nuevo un ensayo Marshall, para tres probetas con el contenido óptimo seleccionado. Con estas probetas se validó la densidad de la mezcla y se encontró que el error fue de 0.78%, un valor que indica que los resultados del ensayo 2 sí son validos para este porcentaje óptimo. Estos resultados son expuestos en la Tabla 7.. 22.

(23) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 Tabla 7. Resultados densidad contenido de asfalto 5.6%. 5.6%. 5.6%. 5.6%. Espesor (mm ). 65.54. 64.08. 64.14. Diámetro(mm). 101.89. 101.70. 101.82. Peso seco (g). 1157.67. 1126.15. 1139.35. Volumen (m^3). 0.00053. 0.00052. 0.00052. Peso seco (Kg). 1.16. 1.13. 1.14. Densidad (Kg/m^3). 2166.33. 2163.43. 2181.58. Prom. Densidad (Kg/m^3). 2170.45. El porcentaje de error entre densidad verificada y densidad encontrada fue muy bajo y se muestra a continuación:. 23.

(24) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 5. ENSAYO FATIGA El objetivo de este ensayo se enfoca en la caracterización del comportamiento convencional a fatiga de mezcla asfáltica. El ensayo se realiza a deformación controlada y se define el criterio de ruptura de una probeta cuando su fuerza de reacción en la cabeza corresponde a la aplicación de una deformación disminuida a la mitad (i.e., pérdida del 50% en la resistencia del material), así mismo se define un número de ciclos correspondiente al criterio de ruptura que mide la vida útil del probeta bajo una deformación εi. (NORMA FRANCESA NSP-98-260). La ley de fatiga corresponde a un lote de probetas homogéneas de un mismo material sometidas a diferentes amplitudes de deformación, donde se calcula la deformación relativa correspondiente a 10^6 ciclos de solicitación. , la pendiente de la ley de fatiga b, la desviación estándar y el. intervalo de confianza. 5.1. Procedimiento Después de diseñar la mezcla asfáltica por medio del ensayo Marshall se crean las probetas según las especificaciones de la norma Francesa NSP-98-260. En seguida de esto se construyó el montaje para mantener la humedad relativa constante por medio de cajas acrílica que actúan como cámaras hidrostáticas, tal como se muestra en la Figura 11, las cuales aíslan las condiciones ambientales del resto de las probetas.. 24.

(25) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Orificio para la entrada del aire. Orificio para la entrada del brazo de empuje. Orificio para la salida del aire. Figura 11. Cámara Hidrostática. Estas probetas fueron sometidas a una humedad relativa controlada durante 5 días, para garantizar la “saturación” de las mismas (i.e., para garantizar que la condición de humedad al interior del material había alcanzado la humedad impuesta en el ambiente). Posteriormente de acondicionadas las probetas, se sometieron a 3 deformaciones en su parte superior hasta su falla. Por cada nivel de deformación se realiza el ensayo sobre un total de 4 probetas. Los niveles de deformación fueron definidos por la norma de acuerdo con el siguiente criterio: que generen falla en el material en los rangos comprendidos entre 104 a 105 repeticiones, 105 a 106 repeticiones o mayor a 106 repeticiones de carga, en total por cada fatiga se fallaron 12 probetas. Lo ensayos fueron realizados a temperatura ambiente aproximadamente 20°C y frecuencia de carga 10 Hz. A continuación se describe en detalle las características del procedimiento experimental:. 25.

(26) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 5.1.1. Probetas Las probetas son de forma trapezoidal isósceles como se ilustra en la Figura 12 y 13. Para la preparación de probetas se tomó el diseño de mezcla asfáltica encontrada en el ensayo Marshall, y se realizó el siguiente procedimiento:. b:2,5cm e:2,5cm h: 25cm B:7,5cm. Figura 12. Dimensiones de las probetas típicas en ensayo a la fatiga, (Echeverria, 2011). Figura 13. Probetas Ensayo de Fatiga. 1. Por medio del ensayo Marshall se toma la densidad promedio del porcentaje óptimo de asfalto seleccionado. 2. Se mide el volumen del molde para la fabricación de probetas para ensayo de fatiga (Figura 14.. 26.

(27) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Figura 14. Molde Para la Fabricación de Panelas. 3. Por medio de la densidad y el volumen encontrados en los pasos uno y dos, se calcula la masa de mezcla asfáltica necesaria por panela. 4. Con el porcentaje óptimo de asfalto seleccionado en el ensayo Marshall se estima la cantidad exacta de asfalto y agregados requeridos por panela. Las “panelas” son moldes rectangulares de 30 cm*30 cm*4 cm, en las cuales se compacta el material y a partir de las cuales se extraen los especímenes trapezoidales a ensayar. 5. Dejar secar en un horno a 110°C el material granular durante un día. 6. Pesar cada una de las cantidades requeridas de material granular en recipientes separados por panela. 7. Introducir cada uno de los recipientes a un horno a 150°C durante 2 horas junto con el asfalto. 8. Para cada recipiente, es decir para cada panela se debe mezclar el material granular con el contenido de asfalto calculado, hasta conseguir una mezcla homogénea. 9. Previamente alistar los moldes, con una capa de aceite que no permita la adherencia de la mezcla con el molde (Figura 13) 10. Introducir la mezcla homogénea al molde, a temperatura de 135°C y aplique presión de 130 toneladas en la prensa de compactación, después de 24 horas, desencofrar y dejar las panelas paradas.. 27.

(28) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 11. Con un molde trazar las dimensiones de las probetas típicas como se ilustra en la Figura 12. 12. Cortar y almacenar sobre una superficie plana al aire libre, a una temperatura máxima de 30 Según la norma Francesa NSP-98-260, las probetas deben ser medidas al milímetro y la desviación estándar sobre Vi% debe ser menos de 0.5%. Para la estabilidad de las probetas, se deberán almacenar mínimo 15 días antes de ser falladas sobre una superficie plana al aire libre. Antes de ser montadas a la máquina, cada probeta deberá ser pegada en su base mayor a una platina metálica de 20 mm de espesor, esto se hace con el fin de fijar la probeta al armazón de la máquina, así mismo se coloca otra platina en la cabeza de la probeta que permita la aplicación de la fuerza. Para ambos extremos se utilizo pegante epóxido. 5.1.2. Montaje La máquina utilizada para este ensayo es suministrada por la Universidad de los Andes. Esta máquina aplica ciclos de deformaciones a frecuencias controladas de 25±1 Hz aplicada a la cabeza de la probeta a flexión sinusoidal, bajo deformación controlada. La fuerza y la deformación son medidas en la cabeza de la probeta por medio de un programa computacional. El montaje que se utilizó para obtener la humedad relativa requerida fue el mismo montaje utilizado por Edwin Echeverria en su proyecto de grado del semestre 2011. Este montaje busca controlar la humedad relativa por medio de unas cajas de acrílico que separan la humedad relativa del medio ambiente. A partir de la preparación de las probetas, se prepara una solución de agua y sal que logran conseguir una humedad relativa mayor a la del ambiente. Para este ensayo se encontró que por un litro de agua y 15 gramos de NaCl la humedad relativa esta alrededor del 80%. Estas sales higroscópicas permiten dar o recibir humedad del ambiente circundante, este proceso se denomina humedad de equilibrio en el cual se capta y se libera humedad a la misma velocidad (Echeverria, 2011).. 28.

(29) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 Para lograr inyectar esta humedad relativa a cada uno de las cajas, se montó un sistema de circulación de aire que logra mantener constante la humedad relativa en el interior de cada una de las cámaras hidrostáticas (Figura 15).. Figura 15. Montaje para mantener humedad relativa constante. El sistema mostrado cuenta con una extractor de aire de 115 voltios (Figura 16), conectado por el lado de la succión de aire al recipiente de la solución (Figura17), mientras que por el otro costado se conecta con un tapón reductor en PVC (Figura18), que disminuye el diámetro del motor a un diámetro más cómodo para conectar cuatro mangueras de 2/7 ‘’. Más adelante estas mangueras van conectadas a la tapa superior de las cajas, para la entrada del aire succionado por el extractor. En la parte de abajo de las cajas, también se cuenta con un orificio que permite la salida del aire hacia el recipiente con la solución, completando el ciclo del aire y volviendo a empezar. En la Tabla 8 se puede encontrar cada uno de los materiales utilizados para la creación de este sistema de aire, junto con sus características y su función dentro del sistema.. 29.

(30) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Figura 16. Extractor de Aire. Cuatro orificios conectados por mangueras hacia cada una de las cajas de acrílico.. Orificio dirigido al flujo de aire succionado por el extractor de aire.. Figura 17. Control de Humedad. 30.

(31) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Figura 18. Reductor de PVC Tabla 8. Materiales usados en el montaje Materiales Tipo. Características. Extractor de Aire. 115 voltios. Tapón reductor. PVC , Diámetro 5"a 1.18". Función Energía para el movimiento cíclico del aire, de la caja con la solución requerida a las cajas de acrílico. Permite reducir el flujo de aire absorbido por el motor, hacia la boquilla de las cuatro mangueras. Permite reducir el flujo de aire absorbido por el motor, hacia el tapón reductor de PVC.. Embudo de gaseosa Tereftalato de polietileno. Diámetro 2/7". Conecta el flujo de aire absorbido por el extractor hacia cada una de las cajas de acrílico.. Cajas de Acrílico. Cajas rectangulares de 37 de alto, 14 de ancho y 10 de profundidad, todas las caras desprendibles unidas con tornillos de 3/416', agujeros en sus caras laterales con el fin de permitir la entrada del brazo inyector de fuerza y permitir la entra de del calibrador de la máquina de fatiga.. Aísla la humedad relativa del medio ambiente de la humedad requerida por el ensayo. Permite que las probetas se aclimaten y mantenga la humedad necesaria.. Caja de mezcla. Caja plástica de 18 de alto, 12 de ancho y 9 de profundidad, Contiene la mezcla de agua con sal que presenta 4 agujeros de 2/7" con el fin de permitir la permite manipular la humedad requerida del entrada de las mangueras provenientes de las cajas de ensayo. acrílico.. Manguera. 31.

(32) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 5.1.3. Recomendaciones para la elaboración del montaje Con base en la experiencia del montaje realizado, se aconseja seguir las siguientes recomendaciones para la ejecución de ensayos similares: Antes de comenzar a pegar las cajas a las máquinas de fatiga, verifique que encajen y que todas las tapas cuadren con alguna de las cajas. Verifique que todos los orificios estén recubiertos con silicona. Antes de sellar las cajas verifique que las probetas están debidamente ajustadas a las máquinas de fatiga. Sea lo más creativo posible para que su montaje no presente pérdidas considerables. Verifique la humedad relativa por medio de un sensor de humedad y temperatura dentro de las cajas de acrílico (Figura19).. Figura 19. Sensor de Humedad. Antes de comenzar a fallar cada fatiga, es importante calibrar las máquinas el mismo día que se inicia el ensayo. Vale la pena mencionar que desde la fabricación de los especímenes hasta la obtención final de la ley de fatiga (4 probetas por cada uno de los tres niveles de deformación) transcurren 20 días. Este tiempo es mayor al que usualmente se requiere para obtener. 32.

(33) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 una ley de fatiga convencional, debido a que el montaje exige que las probetas se acondicionen a la humedad relativa impuesta por un periodo no inferior a 5 días. Por esta razón, se recomienda que en caso en que se planeen ensayos de este tipo se tengan en cuenta estos tiempos de ejecución. 5.2. Resultados La Tabla 9 resume los datos obtenidos en el ensayo a fatiga con humedad relativa del 80%. Esta tabla indica el tiempo de falla de cada probeta, el número de repeticiones de carga a la falla (Nf) y la deformación suministrada. En la Figura 20 se graficó las deformaciones εt vs número de ciclos a la falla Nf . Por medio de esta figura se encontró la pendiente b de la ley de fatiga, a través de una regresión potencial, así como la deformación ε6, definida como la deformación que debe aplicarse a las probetas para que éstas fallen a un millón de ciclos (es decir, para que Nf sea igual a 1*106). Estos datos están resumidos en la tabla 10. Con base en los resultados presentados en el proyecto de grado de Edwin Echeverría (2011), se tomaron los datos relacionados a las curvas de ley de fatiga para diferentes humedades 8%, 35%, 70% y 100%. Estos datos fueron graficados en la Figura 20 para su posterior análisis. Tabla 9. Resultados a fatiga con HR 80%. Probeta 1. 2. 3. 4. Resultado de Fatiga HR=80% Minutos Segundos Nf = t(s)/(1/f) 150 9000 90000 1125 67500 675000 4320 259200 2592000 140 8400 84000 1140 68400 684000 5040 302400 3024000 130 7800 78000 900 54000 540000 5760 345600 3456000 140 8400 84000 960 57600 576000 5760 345600 3456000. 33. εt(10^-6) 2.16E-04 1.54E-04 1.02E-04 2.16E-04 1.54E-04 1.02E-04 2.16E-04 1.54E-04 1.02E-04 2.16E-04 1.54E-04 1.02E-04.

(34) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Deformación εt vs. Ciclos a la falla (Nf) con HR 80% 1,00E-03. εt. y = 0,0023x-0,205 R² = 0,9825 1,00E-04. 1,00E-05 10000. 100000. 1000000 Ciclos a la falla (Nf). Figura 20. Curva de ley de fatiga a condicione de HR 80%. Tabla 10. Resumen ley de fatiga HR 80%. Ley de fatiga HR 80% Deformación ε6 Pendiente (b) f(Hz). 1.35E-04 -0.205 10. 34. 10000000.

(35) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Deformación εt vs. Ciclos de carga a la falla (Nf) 7,00E-04. HR 70% HR 100% HR 80% εt. HR 35% HR 8%. Potencial (HR 70%) Potencial (HR 100%) Potencial (HR 80%) Potencial (HR 35%) Potencial (HR 8% ). 7,00E-05 10000. 100000. 1000000. 10000000. Repeticiones de cargas (N). Figura 21. Ley de fatiga a diferentes humedades relativas (preparada con base en información presentada por Echeverría (2011) e información propia). 35.

(36) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 6. ANÁLISIS LEY DE FATIGA Por medio de los datos obtenidos en las Tablas 9 y 10, se optó por graficar las curvas de fatiga para humedades relativas diferentes a la calculada por este informe, las humedades tomadas del proyecto de grado de maestría por Edwin Echeverria son de 8%, 35%, 70% y 100% ilustradas en la Figura 21. Por medio de esta ilustración se encuentra que la humedad relativa del 80% si se encuentra en el lugar indicado según el resto de las curvas graficadas. Sin embargo, la curva presenta complicaciones en las deformaciones más bajas, puesto que sus puntos se encuentran por debajo de la humedad relativa del 70%. Es decir, aunque la curva mantiene el sentido de la pendiente según las otras líneas, se ve una inclinación desigual a causa de los puntos con deformaciones más bajas. Se cree que estas irregularidades se deben a la interrupción de energía durante los días festivos, lo cual podría haber causado una recuperación del módulo de las probetas. Adicionalmente, aunque la mezcla ensayada es una MDC-2 como la ensayada por Echeverría, las dos mezclas no fueron fabricadas con los mismos materiales. De esta forma se puede relacionar que se cometieron errores técnicos en la obtención de estos puntos y se sugiere repetirlos. Otro punto importante, que se puede verificar en la Figura 21, es la afectación de la humedad relativa frente al número de repeticiones de carga. Para humedades relativas bajas se calcula que su periodo de vida es más largo que a condición de humedad relativa alta. Se puede observar que para una misma deformación, la diferencia del número de ciclos a la falla entre la humedad relativa más baja 8% y la humedad relativa más alta 100%, está alrededor del 50%, un valor que corrobora la afectación de la humedad relativa a la resistencia a la fatiga en una mezcla asfáltica. Por otro lado, si se mira la deformación que se debería aplicar al material para que la falla del especimen ocurriera a un millón de ciclos ( 6), se encontró que a menor humedad relativa mayor es este valor y a mayor humedad menor es el la deformación, indicando una baja resistencia por fatiga a humedades altas. Estos resultados demuestran que la humedad sí tiene altas afectaciones en el comportamiento de la mezcla asfáltica a fatiga, debido al comportamiento dinámico que tiene el agua para afectar la resistencia estructural de la mezcla asfáltica.. 36.

(37) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 7. SIMULACIÓN DE MECÁNICA DE PAVIMENTOS 7.1. Metodología El software Kenpave es un programa de libre acceso que permite realizar análisis de mecánica de estructuras multielásticas, como es el caso de los pavimentos flexibles. El programa permite encontrar esfuerzos y deformaciones en puntos de gran importancia para el diseño de pavimentos, cuando estos son sometidos a diferentes condiciones de carga de tráfico. La metodología a seguir consiste en suponer tres clases de climas, cada una con humedades relativas diferentes pero con la temperatura constante. Para el primer caso, se tiene humedad relativa del 8%, para el segundo caso humedad relativa del 35% y para el tercer caso una humedad relativa del 80%. Para cada tipo de clima se modeló con tres tipos de tráfico, tráfico alto, representado con un número total de repeticiones de ejes estándar acumulados en el carril de diseño en el periodo de diseño (NE) de 40x10^6 ejes de 8.2 Ton, tráfico medio, representado con un valor de NE de 5X10^6 ejes de 8.2 Ton y tráfico bajo, con un NE de 0.5X10^6 ejes de 8.2 Ton. Para estos 3 climas y 3 tipos de carga se estimaron en total 9 escenarios diferentes. Para los nueve escenarios se encontraron los parámetros de control para un diseño mecanicista para pavimento flexible, en el cual se aplicarán los principios de ingeniería mecánica enfocados a un proceso mecanicista de diseño. Estos parámetro son: 1) deformación vertical en la base superficial de la subrasante ( z), con la finalidad de controlar ahuellamiento ( esfuerzo de tensión en la base de las capas asfálticas ( ) para controlar fatiga (. adm), y 2). adm).. El análisis consistió en definir dos estructuras típicas sometidas a la carga de un eje simple con llantas duales de 8.2 ton (eje estándar), como se ve en las Figuras 22 y 23, y cambiar el espesor de la capa de rodadura en incrementos de 1 cm. Para las dos estructuras se hallaron los esfuerzos a tensión en la base de la capa asfáltica ( ), por medio del software KENPAVE, en función del espesor de la carpeta de rodadura. Las deformaciones verticales en la parte superior de la subrasante no se tomaron en cuenta, pero se debe mencionar que éstas siempre satifacieron el criterio en el que las exigencias estructurales son inferiores a las admisibles.. 37.

(38) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. 7.2. Procedimiento 7.2.1. Valores Admisibles De acuerdo con el método de diseño mecanicista francés, las siguientes son las ecuaciones para calcular los valores de admisibilidad que controlan el ahuellamiento y la fatiga: Deformación vertical en la base superior de la subrasante. Deformación a tensión u horizontal en la base de las capas asfálticas. Los valores de. 6. en función de la humedad relativa (para valores de del 8% y 35%), se. fueron definidos como aquellos listados en las Tablas 11 y 12, los cuales fueron suministrados por Edwin Echeverría en su proyecto de grado “Determinación de la influencia del contenido de humedad sobre la resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica tipo MDC-2”. Para la humedad relativa del 80 %, los valores de obtuvieron de la Tabla 10. Tabla 11. Ley de Fatiga HR 35% (Echeveería 2011). Ley de fatiga saturación (w=35%) Deformación E6 1.251E-04 b 0.23 f(Hz) 10. Tabla 12. Ley de Fatiga HR 8% (Echeverría 2011). Ley de fatiga saturación (w=8%) Deformación E6 1.452E-04 b 0.24 f(Hz) 10 38. y pendiente se.

(39) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Por otra parte, Kr es un coeficiente que ajusta el esfuerzo admisible a la probabilidad de falla adoptada en:. donde u es el valor de la distribución estándar pata una probabilidad de falla, definidos en la Tabla 13, b es la pendiente de la ley de fatiga encontrados en las Tabla 11, 12 y 10 para cada humedad relativa. Por último δ es la desviación estándar de la variabilidad total de la estructura, definida de la siguiente forma:. Tabla 13. Valores de la distribución estándar según probabilidad de falla. Pf% u. 50. 30. 25. 20. 0. -0.5. -0.67. -0.84. 12. 10. -1.17 -1.28. 5. 2. -1.65 -2.05. Por su parte, Kc es el coeficiente de calibración entre las medidas de laboratorio y los resultados in-situ, los valores típicos se encuentran en la Tabla 14. Kt es un coeficiente de corrección por temperatura que, para el desarrollo del modelo, se tomará constante con un valor unitario con el fin de facilitar el análisis de resultados. Por último, Ks un coeficiente de reducción cuya finalidad es tener en cuenta la heterogeneidad del suelo de la subrasante, los valores típicos están descritos en la Tabla 15. Tabla 14. Valores de Kc. Modulo de Subrasante (Mpa). Kc. Rodadura Asfáltica. 1.1.. Base Asfáltica. 1.3. 39.

(40) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Tabla 15. Valores de Ks. Modulo de Subrasante (Mpa). E˂50. 50˂E˃120. E˃120. Ks. 1/1.2. 1/1.1. 1. 7.2.2. Solicitaciones en el pavimento Para el desarrollar esta herramienta se establecieron los siguientes supuestos con el fin de encontrar comparaciones claras y sencillas: 1) Se definieron las estructuras Típicas mostradas en las Figuras 22 y 23, con espesor de rodadura cambiante entre 6<h’<30 cm:. Carpeta de Rodadura- h’ Capa de Base Granular-25cm Capa de Base Granular 35cm Subrasante. Figura 22. Estructura Típica Uno. Carpeta de Rodadura- h’ Capa de Base Granular-25cm Capa de Base Granular-25cm Capa de Sub-base Granular 40cm Subrasante. Figura 23. Estructura Típica Dos. 2) Se supuso una temperatura igual y constante en todas las simulaciones 40.

(41) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 3) Se supuso también que el módulo de la carpeta de rodadura se mantiene constante en todos los casos definidos en la Tabla 16, puesto que no se encuentran estudios que provean datos del efecto que tiene la humedad relativa en el comportamiento del módulo en las capas asfálticas. Estos módulos fueron supuestos por medio de los valores presentados por Huang (2003). Por simplicidad, el módulo de todas las otras capas también se supusieron constantes e independientes de la humedad relativa externa del aire. Tabla 16. Módulos de Rigidez y Relación de Poisson. E (Mpa). ν. Rodadura. 2400. 0.35. Base Granular. 600. 0.4. Subbase Granular. 200. 0.4. Subrasante. 50. 0.45. 4) Se definieron los siguientes espesores iniciales (Tabla 17), los cuales fueron supuestos a partir del manual de diseño de pavimentos para Bogotá D.C. (IDU 2002) : Tabla 17. Espesores Iniciales Típicos. Espesores Iniciales (cm) NE: 40x10^6. NE: 5X10^6. NE: 0.5X10^6. Rodadura. 12. 8. 4. Base Granular. 35. 30. 25. Subbase Granular. 30. 25. 20. 5) Se definió la carga como la aplicada por un eje estándar de 8.2 ton (Figura 23). 41.

(42) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Figura 24. Eje Típico. Con esta información, se procedió a cambiar el espesor de la carpeta de rodadura y a determinar la deformación a tensión en la base de la carpeta de rodadura, oara cada estructura sometidas a los diferentes nivel de tráfico y de humedad relativa. 7.3. Resultados En la Tabla 18 se presentan los valores admisibles de deformación vertical para las capas granulares. Es importante resaltar que estas deformaciones sólo dependen del tráfico, por tal motivo los escenarios 1, 2 y 3 tienen la misma deformación vertical. Esto mismo ocurre para los escenarios 4, 5 y 6 con tráfico medio y 7, 8 y 9 para tráfico bajo. En la Tabla 19 se indican cada uno de los parámetros definidos en cada escenario para el cálculo de las deformaciones admisibles por esfuerzos a tención en la capa de rodadura. Por medio de la herramienta KENPAVE se modeló el comportamiento de las dos estructuras en función del cambio en el espesor de la carpeta de rodadura, ilustrado en las Figuras 26 y 27. Es importante resaltar que los espesores de las capas granulares nunca se modificaron. En la Figura 25 se presenta el comportamiento de los deformaciones admisibles a tensión, frente al cambio de la humedad relativa para los niveles de tráfico alto, medio y bajo. Tabla 18. Deformaciones verticales admisibles. Deformación Vertical -Sobrasarte Ahuellamiento εz adm. Trafico NE: 40x10^6. NE: 5X10^6. NE: 0.5X10^6. 0.00024633. 0.00039085. 0.00086886. 42.

(43) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Tabla 19. Esfuerzo a tención admisible. Trafico NE HR(%) ε6 b P. falla (%) u σh σn C δ Kr Ks Kt Kc εt adm. Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Escenario 4 Escenario 5 Escenario 6 Escenario 7 Escenario 8 Escenario 9 Alto Alto Alto Medio Medio Medio Bajo Bajo Bajo 4.00E+07 4.00E+07 4.00E+07 5.00E+06 5.00E+06 5.00E+06 5.00E+05 5.00E+05 5.00E+05 8% 35% 80% 8% 35% 80% 8% 35% 80% 1.45E-04 1.25E-04 1.35E-04 1.45E-04 1.25E-04 1.35E-04 1.45E-04 1.25E-04 1.35E-04 -0.25 -0.23 -0.205 -0.25 -0.23 -0.205 -0.25 -0.23 -0.205 2% 2% 2% 20% 20% 20% 50% 50% 50% -2.05 -2.05 -2.05 -0.88 -0.88 -0.88 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.310 0.312 0.315 0.310 0.312 0.315 0.310 0.312 0.315 0.693 0.712 0.737 0.854 0.865 0.877 1.000 1.000 1.000 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 4.00E-05 3.81E-05 4.67E-05 8.29E-05 7.46E-05 8.51E-05 1.72E-04 1.47E-04 1.56E-04. 43.

(44) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Humedad Relativa vs εt adm para diferentes tipos de tráfico 2,00E-04. 1,80E-04 1,60E-04 1,40E-04. εt adm. 1,20E-04 Trafico Alto. 1,00E-04. Trafico Medio. 8,00E-05. Trafico Bajo. 6,00E-05 4,00E-05 2,00E-05 0,00E+00 0%. 10%. 20%. 30%. 40%. 50%. 60%. 70%. 80%. Humedad Relativa (%). Figura 25. Comportamiento del εt admisible a diferentes condiciones de tráfico y humedad relativa. 44. 90%.

(45) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Comportamiento de la Estructura 1 al cambio del espesor de la capa de rodadura 1,800E-04. 3,000E-04. 1,600E-04. 2,500E-04 1,400E-04 2,000E-04. 1,000E-04 1,500E-04 8,000E-05 6,000E-05. 1,000E-04. 4,000E-05 5,000E-05 2,000E-05 0,000E+00. 0,000E+00 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. Espesor de la capa de rodadura h'(cm). Figura 26. Comportamiento de la estructura 1 al cambio del espesor de la capa de rodadura. 45. 40. 45. εz actuante. εt actuante. 1,200E-04.

(46) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36. Comportamiento de la Estructura 2 al cambio del espesor de la capa de rodadura 1,800E-04. 1,600E-04. 1,600E-04. 1,400E-04. 1,400E-04. 1,200E-04. 1,200E-04 1,000E-04 8,000E-05 8,000E-05 6,000E-05 6,000E-05 4,000E-05. 4,000E-05. 2,000E-05. 2,000E-05 0,000E+00. 0,000E+00 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. Espesor de la capa de rodadura h'(cm). Figura 27. Comportamiento de la estructura 2 al cambio del espesor de la capa de rodadura. 46. 40. 45. εz actuante. εt actuante. 1,000E-04.

(47) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 8. ANÁLISIS KENPAVE En las Tablas 18 y 19 se describen los 9 escenarios con sus deformaciones admisibles, calculadas anteriormente. Si se analiza el comportamiento del tráfico, vemos que para los escenarios 1, 2 y 3 con tráfico alto se admiten menos deformaciones verticales como deformaciones a tensión, que para el resto de escenarios con tráfico menor. Esto se debe a la restricción que se debe presentar para escenarios donde las cargas son altas, buscando la rigidez de la estructura en todas sus capas. Frente a la Figura 25, solo se tuvo en cuenta el comportamiento de la capa de rodadura y de los esfuerzos a tensión en su base. Bajo el objetivo de este informe , se encontró que la afectación de la humedad relativa es directamente sobre las capas asfálticas y, para el caso de las dos estructuras analizadas (Figuras 22 y 23), sólo se encuentra este material en la capa de rodadura, por tal motivo se analizaron sólo los εt admisibles. Bajo esta aclaración, se encontró que si existe un afectación en la admisibilidad de los esfuerzos a tensión en la base de la capa de mezcla asfáltica, para diferentes humedades relativas. Sin embargo, este comportamiento no es el mismo para tráfico alto, medio y bajo. Para tráfico alto y medio a mayor humedad relativa mayor es la admisibilidad, mientras que para humedades relativas intermedias se obtienen las admisibilidades más restringidas. Para el caso de tráfico bajo a menor humedad relativa mayor es la admisibilidad, mientras que para humedades intermedias se encuentran las admisibilidades mas restringidas. Las Figuras 25 y 26 permiten encontrar de una forma más tangible, la afectación de la humedad relativa frente al diseño mecanicista de pavimentos. La Figura 25 muestra el comportamiento de la estructura uno, como una estructura de menor resistencia y la Figura 26 muestra la estructura 2 como un diseño más robusto y resistente. Estas dos gráficas permiten, a partir de un εt actuante calculado por KENPAVE, encontrar el espesor de la capa de rodadura requerida para satisfacer el criterio de diseño, así mismo encontrar el εz actuante en la subrasnate correspondiente. Si se comparan dos escenarios con un mismo. nivel de tráfico pero. con humedaded relativas. diferentes, como por ejemplo escenarios 4 y 6 , con tráfico medio pero humedad relativa del 8% y 80 % respectivamente , con εt admisibles de 8.29E-5 Y 8.51E-5 , se encontró que para una estructura 1 el espesor de rodadura requerido es de 23,5 cm para escenario 4 y 23 cm para el escenario 6. Si se toman los mismos puntos para la estructura 2, se encuentra espesores de 21 cm. 47.

(48) Universidad de los Andes Influencia de las condiciones de humedad relativa en el diseño de pavimentos flexibles. ICIV 201210 36 para escenario 4 y 20,5 cm para escenario 6. De esta forma se confirma que si existe un efecto en la diseño estructural de los pavimentos a causa de la humedad relativa.. 48.