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DETERMINACIÓN DE LA VIDA A FATIGA DE UN CONCRETO ASFÁLTICO TIBIO MEDIANTE DIFERENTES ENFOQUES
Richard Raúl Josephia Santos
Alexandra Ossa López Instituto de Ingeniería, UNAM
RESUMEN En esta investigación se ejecutaron pruebas de flexión en cuatro puntos a fin
de conocer el comportamiento a fatiga del material. Dichas pruebas fueron llevadas a cabo bajo condiciones de deformación controlada de acuerdo a la norma AASHTO T321, y para ello se elaboraron espécimen primaticos tipo viga.
A partir de los resultados de dichas pruebas se determinó la vida a fatiga del concreto asfáltico tibio mediante el enfoque de degradación de la rigidez y tomando en cuenta la energía disipada (DE) a través de los ciclos de carga, así como, el valor del parámetro PV (Plateau Value) de la curva de daño. Finalmente, bajo los enfoques de energía y degradación de la rigidez, se determinó el límite de endurecimiento FEL (Fatigue Endurance Limit) del concreto asfáltico tibio. Palabras clave: Mezcla asfáltica tibia, fatiga, energía disipada, valor de meseta (PV) y límite de endurecimiento (FEL).
1. Introducción
El calentamiento global y el cambio climático son problemas actuales que debe afrontar la humanidad, tomando en cuenta que ninguno de ellos puede ser resuelto de manera definitiva en el corto plazo (Larios J., 2008). Estos problemas en particular hacen referencia al incremento de la temperatura media de la tierra y los efectos que conlleva (Gillis J., 2015) de modo que el clima está cambiando constantemente, mostrando peculiares oscilaciones en diferentes escalas de tiempo (IPCC, 2013). Así mismo, varios estudios han manifestado que la temperatura media global se ha incrementado de manera significativa desde el siglo XIX, en particular en el siglo XX aumentó 33 ± 32 °F (0.6 ± 0.2 °C) (IPCC, 2001). De acuerdo a Larsen J., (2014) y Larios, J., (2008), el principal responsable del cambio climático y de la generación de los gases de invernadero son las emisiones globales de dióxido de carbono (CO2).
Los procesos de mezclado, tendido y compactación de las mezclas asfálticas en caliente (HMA, Hot Mix Asphalt) durante la pavimentación, repavimentación y bacheo de carreteras y vialidades en general requieren elevadas temperaturas del material pétreo y asfaltico con el fin de lograr la fluidez del cementante asfáltico de tal manera que los materiales se incorporen adecuadamente y puedan ser manipulados hasta lograr las condiciones volumétricas deseadas. Durante el proceso de elaboración de una mezcla asfáltica en caliente la emisión de gases contaminantes de tipo CO2, CO, NOx, SO2, TOC y polvo, es muy alta, y causa un grave daño ambiental (Tejash G., 2008). Esta situación ambiental, ha llevado a desarrollar nuevas tecnologías para la producción de mezclas asfálticas tibias (WMA, Warm Mix Asphalt) con la finalidad de mitigar en alguna
medida las emisiones de estos gases. Durante la producción de WMA se reduce la emisión de gases contaminantes en general entre un 20 a un 70% respecto a las mezclas convencionales HMA (Kristjansdottir O., 2006).
De acuerdo a Yan J. et al. (2010), los beneficios de utilizar las WMA son la reducción de la emisión de CO2, ahorro de energía en la producción y sobre todo la reducción a exposición de gases por parte de los operadores (beneficios ambientales). Tambien el uso de aditivos promotores de la viscosidad proporciona una mejor trabajabilidad, permite la utilización de mayores porcentajes de RAP (Reclaimed Asphalt Pavement), reduce el envejecimiento del cemento asfáltico (beneficios de producción), reduce los tiempos de espera para operar un pavimento. Además, las características mecánicas de las WMA son muy similares a las HMA (beneficios de pavimentación) (D’Angelo J. et al. 2007, EAPA 2010, GAPA 2009, Hurley G. C. et al. 2010, Kristjansdottir O. 2006, Yan J. et al. 2010, Vaitkus A. et al. 2009). Así mismo, otro beneficio que la literatura técnica no hace referencia es el menor desgaste de la planta asfáltica cuando se produce WMA (Kristjansdottir O., 2006).
De acuerdo a Hurley G. C. et al. 2010, la tecnología de WMA con base en ceras posee un comportamiento al desempeño fisico y mecánico muy similar a la mezcla asfáltica convencional. Sin embargo la tecnología de WMA que contiene aditivo a base de tensoactivos, presenta un comportamiento al desempeño inferior en relación a la mezcla convencional. Así mismo, los concretos de WMA incrementan sus resistencias conforme transcurre el tiempo, para verificar lo anterior se realizaron pruebas al desempeño despúes de 4 meses de aperturado al tránsito. Tambien en la producción de mezclas asfálticas tibias se registran reducciones en la emisión de gases contaminantes, de un 5% de CO2, 14% de NOx. Así mismo hay reducción un 9% en el combustible para producir una WMA con base en compuestos químicos (Hurley G. C. et al., 2010).
Consciente de la importancia para el equilibrio ambiental que representa la utilización de las WMA, el presente trabajo de investigación tiene como objetivo la caracterización a fatiga de un concreto asfáltico tibio mediante diferentes enfoques, y determinar su comportamiento. Los resultados de este trabajo de investigación contribuyen a la generación de conocimiento acerca del comportamiento de las mezclas tibias y su uso en vialidades urbanas, lo anterior tomando en cuenta que el órgano del Gobierno en la Gaceta Oficial No. 945 del 12 de octubre de 2010 establece el acuerdo del uso obligatorio de mezclas asfálticas tibias en los trabajos de pavimentación, repavimentación y bacheo, así como para otras obras que se lleven a cabo en la Ciudad de México.
2. Comportamiento a fatiga del concreto asfáltico
De acuerdo a Fatemi A. y Yang L. (1998), el agrietamiento por fatiga en el concreto asfáltico de los pavimentos flexibles es una consecuencia del daño acumulado debido al paso repetido de los vehículos, así como a las condiciones ambientales del lugar donde se construya el pavimento. El agrietamiento se inicia en la cota inferior de la capa asfáltica donde los esfuerzos y deformaciones son más altos. Así mismo, éste tipo de daño se considera como el principal tipo de deterioro en los pavimentos flexibles, entre los factores que influyen para provocar el deterioro por fatiga son: las cargas de los vehículos (sobrecargas),
incremento en el volumen del tránsito y las presiones de inflado de los neumáticos.
2.1. Determinación de la vida a fatiga bajo el enfoque de energía
2.1.1. Método Carpenter
El método de Carpenter utiliza el cambio de la energía disipada para relacionar el daño acumulado y la vida a fatiga. Éste método define que la falla a fatiga ocurre en el ciclo de carga en el cual los valores de RDEC dejan de ser constantes, es decir pasan de la etapa 2 a la 3 (Carpenter et al., 2003). Para ello definen el parámetro de relación del cambio de energía (RDEC) descrito por la Ecuación 1, el cual ha sido reconocido como un parámetro apropiado para el análisis del comportamiento a fatiga de concretos asfálticos (Shen et al., 2006):
RDEC =DEn+1 − DEn
DEn (1)
Donde: DEn = energía disipada en el ciclo de carga n; DEn+1 = energía
disipada en el ciclo de carga n + 1. La representación gráfica de los valores de RDEC en función del número de
ciclos de aplicación de carga, describen la curva de daño del material, la cual presenta una forma de U. De acuerdo a Carpenter et al. (2003), la curva se divide en tres etapas e indican como la energía se transforma o disipa. La etapa 1, se caracteriza por un descenso muy súbito de la curva. Este descenso en el valor de RDEC obedece en parte a la orientación de las moléculas y la tixotropía del material (Ghuzlan K.A. y Carpenter S.H., 2000, Shen S., Chiu H. M. y Huang H., 2010).
En la etapa 2, la trayectoria de la curva de daño tiende a ser horizontal durante un prolongado número de ciclos de carga, reflejando que el material ha sufrido un daño interno por el efecto repetido de la carga, el cual se hace evidente por la aparición de microfisuras. El valor de RDEC en esta etapa es llamado PV del inglés plateau value (valor de meseta). Finalmente la etapa 3, se caracteriza por un aumento del valor de RDEC indicando que el material comienza a tener un daño por fatiga. Bajo este enfoque el punto de falla (Nf) se define como el número de ciclos de carga donde el cambio en la relación de energía comienza incrementarse súbitamente como se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Ejemplo típico de RDEC versus ciclos de carga (Carpenter et al., 2003)
De acuerdo a Tayebali et al. (1993), Ghuzlan K.A. (2001) y Carpenter et al.
(2003), el parámetro PV, puede representarse con el valor de RDEC que corresponde al ciclo de carga donde se presenta un 50% de degradación de la rigidez inicial del material (Nf50) y es por ello que para determinar el valor de PV, pueden emplearse las Ecuaciones 2 y 3, las cuales dependen de la pendiente
exponencial, 𝑘, de la curva ajustada energía disipada (DE) versus ciclos de carga, como se muestra en la Figura 2. El punto de falla definido, Nf50, puede obtenerse fácilmente de los ensayos estándar de fatiga.
PV =1 − (1 +
100𝑁𝑓50
)𝑘
100
(2)
PV = −𝑘
𝑁𝑓50
(3)
Figura 2 Energía disipada vs ciclos de carga
2.1.2. Método Hopman
De acuerdo a Souliman et al. (2012), Pronk y Hopman (1990) propusieron la utilización del concepto de la “Relación de Energía” de acuerdo a la Ecuación 4,
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0100002000030000400005000060000700008000090000100000110000120000130000140000150000160000170000180000
RD
EC
Número de ciclos de carga
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
Valor de Meseta
Nf50
PV
y = 3.3142x-0.078
R² = 0.9712
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1.9
2.1
2.3
2.5
0.E+00 2.E+05 4.E+05 6.E+05 8.E+05
DE
, kP
a
Número de ciclos de carga
Nf50
Pendiente exponencial
para determinar la vida a fatiga del concreto asfáltico bajo condiciones de deformación controlada. El punto de fallo (Nf) es definido como el número de ciclos de carga donde la relación de energía cambia de pendiente en la curva relación de energía (ERH) versus el número de ciclos.
ERH =nWo
Wn (4)
Donde: ERH = relación de energía de Hopman; n = ciclo de carga n; Wo =
energía disipada inicial; Wn = energía disipada en el ciclo de carga n.
2.1.3. Método Pronk
Pronk A.C. (1997), definió la falla a fatiga bajo un enfoque de energía, desarrollando un modelo expresado con la Ecuación 5. Bajo este enfoque el ciclo de falla (Nf) se define como el número de ciclos de carga donde la relación de energía (ERP) cambia de pendiente (Souliman et al., 2012).
ERP =WA
Wn (5)
Donde: ERP = relación de energía de Pronk; WA = energía disipada acumulada en el ciclo de carga n; Wn = energía disipada durante el ciclo de carga n.
2.2. Comportamiento a fatiga bajo el enfoque de la rigidez
2.2.1. Norma AASHTO T 321
La norma AASHTO T 321 “Determining the Fatigue Life of Compacted Hot Mix Asphalt Subjected to Repeated Flexural Bending”, utiliza el criterio de degradación de rigidez para definir la falla por fatiga del material. Considera que el número de ciclos a la falla es aquel durante el cual, la rigidez del material representa el 50% del valor inicial.
2.2.2. Método de Rowe
El método de Rowe para determinar la vida a fatiga del material es una modificación del modelo de Hopman (Rowe G. M., 1993). El modelo modificado expresado en la Ecuación 6 se emplea tanto para esfuerzo controlado como deformación controlada. Este método establece como criterio de falla a fatiga el punto máximo de la curva relación de rigidez (SRR) versus ciclos de carga (Souliman et al., 2012).
SRR = n ∗ S (6)
Donde: SRR = relación de rigidez de Rowe; n = ciclo de carga n; S = rigidez a la flexión en el ciclo n.
2.2.3. Método ASU
El método de la Universidad del Estado de Arizona (ASU) utiliza un criterio de
falla a fatiga del material similar al presentado por Rowe. La relación (n ∗ S) se normaliza dividiendo por la rigidez inicial (So) del material, de esta manera se obtiene un nuevo origen. En la Ecuación 7 se expresa el modelo obtenido por la ASU para determinar el fallo a fatiga del material. La vida a fatiga bajo este método se define como el punto máximo de la curva de relación de rigidez versus el número de ciclos de carga. De acuerdo a Souliman et al. (2012), los métodos de ASU y Rowe son los más precisos, fiables y sencillos para analizar los resultados de vida a fatiga de las vigas prismáticas de concreto asfáltico. Debido a que son independientes de la temperatura de prueba y el tipo de mezcla.
SRASU =n ∗ S
So (7)
Donde: SRASU = relación de rigidez de la ASU; n = ciclo de carga n; S =
rigidez a la flexión en el ciclo n; So = rigidez inicial del ciclo número 50.
2.3. Límite de endurecimiento a fatiga (FEL, Fatigue endurance limit)
El límite de endurecimiento a fatiga (FEL), se define como la una amplitud de deformación por debajo del cual el concreto asfáltico no presenta daños significativos por fatiga cuando es sometido a un ilimitado número de ciclos de carga (NCHRP, 2010).
De acuerdo al reporte 646 de la NCHRP (2010), se utiliza el modelo expresado en la Ecuación 8 para determinar el límite de endurecimiento a fatiga de laboratorio. Ésta ecuación se basa en un límite de predicción del 95% de 50 millones de ciclos de carga de un análisis de regresión lineal log-log entre los niveles de deformación del material ensayado y el ciclo o punto de falla a fatiga.
𝐹𝐸𝐿 = ŷ0 − 𝑡𝛼𝑠√1 +1
𝑛+
(𝑥0 − �̅�)2
𝑆𝑥𝑥 (8)
Donde: ŷ0 = log de la predicción del nivel de deformación (με); 𝑡𝛼 = valor de la distribución; 𝑡 para n - 2 grados de libertad = 1.9432 para 𝑛 = 8 con 𝛼 = 0.05; 𝑠 = estimación de la desviación estándar a partir del análisis de regresión, también
se hace referencia al error estándar del Microsoft Excel; 𝑛 = número de muestras = 8; 𝑥0 = log 50,000,000 = 7.69897; �̅� = promedio del log de los resultados a la
vida a fatiga; 𝑆𝑥𝑥 = ∑ (𝑥0 − �̅�)2𝑛𝑖=1 (Nota: log de vida a fatiga).
3. Materiales y métodos
En esta investigación se evaluó el comportamiento a fatiga de especímenes de concreto asfáltico elaborados a partir de WMA. Para tal efecto se fabricaron un total de 8 vigas prismáticas de 380 ± 6 mm de largo, 63 ± 2 mm de ancho y 50 ± 2 mm de espesor.
3.1. Materiales
Para la elaboración de la WMA se utilizó un aditivo basado en tensoactivos como agente modificador de la viscosidad del cemento asfáltico, el cual permite mezclar, tender y compactar la mezcla asfáltica a temperaturas inferiores que las utilizadas en la elaboración de HMA. Así mismo, se empleó un cemento asfáltico proveniente de la refinería Miguel Hidalgo del Estado de Hidalgo perteneciente al municipio de Tula de Allende, a 82 km al norte de la Ciudad de México. En la Tabla 1 se muestran los resultados de las pruebas de caracterización realizadas a dicho material, los cuales indican que el cemento asfáltico se clasifica como un AC-20 (ASTM D 3381/3381M).
Tabla 1 Caracterización del cemento asfáltico
Por otra parte, el agregado mineral utilizado fue un basalto vesicular triturado proveniente del banco de materiales ubicado en el km 38.5 de la carretera federal México-Cuernavaca. En las Tablas 2 y 3 se presentan los resultados de las pruebas de rutina y de origen, consenso efectuado a los agregados.
Tabla 2 Resultados de la prueba de rutina
Ensayos Resultado Especificación Método de
ensayo ASTM
Ligante original
Viscosidad dinámica a 60 °C (Pa-s) 232 200 ± 40 D 2171 Viscosidad cinemática a 135 °C; (mm2/s = 1 centistoke) 375 300 mínimo D 2170 Viscosidad Saybolt-Furol a 135 °C (s) 231 120 mínimo D 88 Penetración en décimos de mm a 25 °C, 100 g, 5 s 72 60 mínimo D 5 Punto de inflamación, Copa Abierta de Cleveland (°C) 239 232 mínimo D 92 Punto de combustión, Copa Abierta de Cleveland (°C) 274 - D 92 Prueba anillo y esfera (°C) 48 48-56 D 36 Ductilidad a 25 °C, 5 cm/minuto, (cm) 90 - D 113 Peso específico a 25 °C 1.025 - D 70 Pérdida por calentamiento en la prueba de RTFOT (%) 0.53 1 máximo D 2872
Del residuo de la prueba de la Película Delgada:
Penetración en décimos de mm a 25 °C, 100 g, 5 s 40 - D 5 Prueba anillo y esfera (°C) 55.2 - D 36 Ductilidad a 25 °C, 5 cm/minuto, (cm) 51 50 mínimo D 113
Tamiz Gsb (Neta del
Agregado)
Gsss (Saturada
Superficialmente Seca)
Gsa (Aparente
del Agregado)
(%) Absorción de Agua
Método de
Ensayo ASTM
pulgadas mm
½" 12.5 2.499 2.563 2.669 2.54 C 127 ⅜" 9.5 2.578 2.643 2.758 2.53 C 127 ¼" 6.3 2.496 2.577 2.716 3.25 C 127
No. 4 4.75 2.476 2.560 2.703 3.38 C 128 No. 8 a Filler 2.36 a Filler 2.441 2.560 2.773 4.91 C 128
Tabla 3 Propiedades de consenso y de origen del agregado
2.2. Granulometría
En la Figura 3, se presenta la granulometría utilizada para la elaboración de las mezclas asfálticas tipo WMA, la cual tiene un tamaño máximo de ¾” (19 mm) y un tamaño máximo nominal de ½” (12.5 mm). Para la selección de esta granulometría, se tomaron en cuenta las recomendaciones del Instituto del Asfalto (2001) para la elaboración de mezclas asfáltica densas.
Figura 3 Granulometría
2.3. Diseño de la mezcla asfáltica
Para la ejecución de esta investigación, se utilizó el diseño de la mezcla asfáltica definido por García J. L., (2014) quien utilizando los mismos materiales pétreos y asfálticos, así como iguales características granulométricas, determinó un contenido óptimo de cemento asfáltico de 6.8% medido con respecto a la masa del agregado y un valor de TSR (Tensile Strength Ratio) de 85%. Dicho diseño se basó en la metodología Superpave establecida en la Strategic Highway Research Program (SHRP) (Asphalt Institute, 2001), se llevó a cabo para un
tránsito (ESAL´s) de 9.5106 el cual corresponde al Nivel 2 de dicha metodología y es representativo de vialidades urbanas. En las Tablas 4 y 5, se presentan las especificaciones de compactación y de propiedades volumétricas que fueron tomadas en cuenta durante el diseño volumétrico de la mezcla asfáltica.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
Porc
enta
je q
ue p
asa
Abertura de malla0.45 (mm)
Superpave superior
Superpave inferior
Línea de máxima densidadZona restringida
Prueba Resultado Requerimiento
Superpave Método de
Ensayo ASTM
De consenso
Angularidad del agregado grueso (%) 100/100 95/90(*) mínimo D 5821 Angularidad del agregado fino (%) 49 45 mínimo C 1252 Partículas alargadas y planas 2 10%(**) máximo D 4791 Equivalente de arena (%) 62 45 mínimo D 2419
De origen
Desgaste de Los Ángeles (%) 17 35% máximo C 131 Prueba de sanidad del agregado grueso (%) 9.21 10% máximo C 88 Prueba de sanidad del agregado fino (%) 6.76 - C 88 (*) "95/90": 95% del agregado grueso tiene una cara fracturada y 90% tiene dos caras fracturadas. (**) Criterio basado en la relación de máximo a mínimo 5:1.
Tabla 4 Especificaciones de compactación para el nivel II (Asphalt Institute, 2001)
ESAL de diseño Número de giros
(millones) Inicial Diseño Máximo
3 - 30 8 100 160
Tabla 5 Especificaciones de las relaciones volumétricas (Asphalt Institute, 2001)
ESAL de diseño Densidad requerida (porcentaje de Gmm)
VMA(*) Porcentaje mínimo VFA(**) Proporción
Tamaño nominal máximo (mm) Porcentaje de polvo
(millones) Ninicial Ndiseño Nmáximo 37.5 25 19 12.5 9.5 mínimo (Filler)
mar-30 ≤ 89.0 96 ≤ 98.0 11 12 13 14 15 65-75 0.6 - 1.2 (*) Vacíos en el agregado mineral. (**) Vacíos llenos de asfalto.
2.4. Elaboración de especímenes
Previo al mezclado de los materiales se calentó el cemento asfáltico en el horno durante una hora a una temperatura de 120 – 125 °C (248 – 257 °F) y posteriormente se mezcló con el aditivo a una proporción de 2.4 kg de aditivo por cada 1000 kg de mezcla asfáltica (ver Figura 4). A continuación, se mezclaron vigorosamente ambos materiales por un tiempo de 15 minutos a 500 r.p.m. aproximadamente.
En la elaboración de las WMA, inicialmente los agregados dosificados se
acondicionaron en un horno de convección a una temperatura de 130 °C (266 °F), la cual fue seleccionada cuidando de no exceder en más de 28 °C (82 °F) la temperatura de mezclado, por un periodo de 16 horas. El mezclado de ambos materiales se llevó a cabo a una temperatura de entre 110 – 114 °C (230 – 237 °F), ver Figura 5. Posteriormente, dicha mezcla se depositó en charolas previamente calentadas al horno a una temperatura de compactación entre 99 – 101 °C (210 – 214 °F) las cuales se dejaron en el horno a la misma temperatura, por un periodo de 240 ± 10 minutos, moviendo el material cada 30 minutos, permitiendo de esta forma se diera el curado de la mezcla.
Posterior al tiempo de curado se extrajeron las mezclas del horno e inmediatamente se procedió a su compactación, en el compactador de rodillo liso, ver Figura 6.
Figura 4 Adición del aditivo a base de tensoactivos en el cemento asfáltico
Figura 5 Mezclado de la WMA
Figura 6 Compactación en el rodillo liso
2.5. Evaluación del comportamiento a fatiga
En esta investigación se evaluó el comportamiento a fatiga de especímenes de concreto asfáltico elaborados a partir de mezclas tipo WMA. Para tal efecto se realizaron pruebas de flexión en cuatro puntos bajo el criterio de la norma AASHTO T 321. Las vigas prismáticas de concreto se ensayaron a una deformación controlada de 350, 450, 600 y 750 με, bajo una frecuencia de 10 Hz y a una temperatura de 20 °C.
4. Resultados y discusión
A continuación se presentan los resultados de las pruebas de flexión en viga de cuatro puntos a fatiga llevadas a cabo en especímenes prismáticos de concreto asfáltico elaborado a partir de mezclas tibias. En la Figura 7 se presentan las curvas de degradación de la rigidez para cada una de las amplitudes de deformación evaluadas.
Figura 7 Evolución de la degradación del módulo de rigidez a la flexión según AASHTO T 321
4.1. Determinación de la vida a fatiga
4.1.1. Enfoque de Energía
En la Tabla 6 se presentan los ciclos a los cuales las vigas ensayadas presentaron un estado de falla. Cabe mencionar que en términos generales todas las vigas fallaron a ciclos mayores a los 10,000 y menores a los 1,000,000. Adicionalmente, se observa que los tres criterios de falla adoptados bajo el enfoque de energía, arrojaron resultados muy similares.
Tabla 6 Resumen de resultados de la prueba a fatiga bajo el enfoque de energía
ID Viga
Tipo de mezcla
Deformación Vacíos
de aire
Ciclos a fallo
Promedio Ciclos a
fallo Promedio
Ciclos a fallo
Promedio PV PV
(με) (%) (Pronk) (Pronk) (Hopman) (Hopman) (Carpenter) (Carpenter) (Ec. 2) (Ec. 3)
V1 WMA-1 350 4.03 632265 445065
627521 435523
816009 606006
1.33E-07 1.33E-07
V2 WMA-2 350 4.11 257865 243524 396003 2.45E-07 2.45E-07
V3 WMA-1 450 4.01 172265 179310
163542 163900
186002 193501
4.59E-07 4.59E-07
V4 WMA-2 450 4.07 186354 164258 201000 4.15E-07 4.15E-07
V5 WMA-1 600 4.09 61652 70944
62354 57360
54009 76506
1.50E-06 1.50E-06
V6 WMA-2 600 4.12 80235 52365 99002 1.03E-06 1.03E-06
V7 WMA-1 750 4.02 30157 35207
27684 32131
33006 31508
2.82E-06 2.82E-06
V8 WMA-2 750 4.10 40257 36578 30010 3.33E-06 3.33E-06
4.1.2. Enfoque de Rigidez
En la Tabla 7 se presentan los ciclos de carga en los que presenta la falla bajo el enfoque de rigidez de los especímenes de concreto asfáltico tibio, como se puede observar los métodos de la ASU y de Rowe arrojaron el mismo resultado. Así también, estos métodos tienen una pequeña variación en la obtención de la vida a fatiga con respecto al criterio AASHTO T 321.
Tabla 7 Resumen de resultados de la prueba a fatiga bajo el enfoque de rigidez
ID Viga
Tipo de mezcla
Deformación Vacíos de aire
Ciclos a fallo
Promedio Ciclos a fallo
Promedio Ciclos a fallo
Promedio
(με) (%) (AASHTO) (AASHTO) (ASU) (ASU) (Rowe) (Rowe)
V1 WMA-1 350 4.03 588010 463510
696010 553505
696010 553505
V2 WMA-2 350 4.11 339010 411000 411000
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 200000 400000 600000 800000
Rig
idez (
Mpa)
Número de ciclos de carga
V1 = 350 με V2 = 350 με
V3 = 450 με V4 = 450 με
V5 = 600 με V6 = 600 με
V7 = 750 με V8 = 750 με
V3 WMA-1 450 4.01 183003 189007
192001 214506
192001 214506
V4 WMA-2 450 4.07 195010 237010 237010
V5 WMA-1 600 4.09 54008 72009
60005 91508
60005 91508
V6 WMA-2 600 4.12 90010 123010 123010
V7 WMA-1 750 4.02 33006 31508
42000 43502
42000 43502
V8 WMA-2 750 4.10 30010 45003 45003
Finalmente en la Figura 8 se muestra el promedio de los ciclos de falla a fatiga del concreto asfáltico fabricado de WMA para los cuatro niveles de deformación (350, 450, 600 y 750 με) bajo los enfoques de energía y rigidez. A partir de esta figura, se puede observar que a excepción de los resultados obtenidos para una amplitud de deformación de 350 με los puntos de falla a fatiga definido por los dos enfoques fueron similares para los niveles de deformación evaluados.
Figura 8 Promedio de ciclos hasta la falla por nivel de deformación y enfoque de la WMA
En la Figura 9 se muestran los valores de límite de endurecimiento de fatiga ,FEL (Fatigue Endurance Limit) que se obtuvieron mediante la Ecuación 8 para los enfoques de rigidez y energía. De acuerdo a esta figura en general los valores obtenidos bajo los dos enfoques fueron muy similares. Sin embargo, el valor de límite de endurecimiento determinado a través del método de Carpenter es ligeramente mayor.
Figura 9 Límite de endurecimiento de fatiga para WMA
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
PromedioAASHTO
PromedioASU
PromedioRowe
PromedioPronk
PromedioHopman
PromedioCarpenter
Enfoque de Rigidez Enfoque de Energía
Cic
los d
e fa
llo
350 με 450 με
600 με 750 με
7266 66
6063
83
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
AASHTO ASU Rowe Pronk Hopman Carpenter
Enfoque de Rigidez Enfoque de Energía
Lím
ite
de
en
du
recim
ien
to, F
EL
(μ
ε)
En la Figura 10, se puede observar los especímenes después del ensayo a fatiga por flexión en cuatro puntos. Dado que durante la prueba se llegaron a pérdidas de rigidez de hasta un 25% algunos especímenes presentaron grietas significativamente apreciables.
Figura 10 Especímenes después del ensaye a fatiga
5. Conclusiones
La resistencia a fatiga del concreto asfaltico tibio se determinó mediante el procedimiento AASHTO T321-2003 con el cometido de predecir la diferencia de los ciclos de carga Nf donde falla a fatiga el material, mediante los enfoques de energía y deterioro de la rigidez, tomando en cuenta cuatro niveles de deformación 350, 450, 600 y 750 με. Los resultados muestran que el enfoque de energía (Pronk, Hopman y Carpenter) en promedio nos proporciona una mayor vida a fatiga, aproximadamente en un 10% mayor en relación al enfoque de rigidez (AASHTO, ASU y Rowe).
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Planta de Asfalto de la Ciudad de México y al grupo SÚRFAX®, por la donación de los materiales utilizados en la elaboración de los especímenes de concreto asfáltico utilizados en esta investigación.
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