influencia de los betunes modificados en el comportamiento...
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Contrato de servicios de proyectos de I+D+i relativos al ámbito competencial de la Consejería de Obras Públicas y
Vivienda para los años 2012 y 2013
Influencia de los betunes modificados en el
comportamiento mecánico de mezclas Bituminosas G-GI3000/IDIR
METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE
LOS ENSAYOS EBADE
Granada, OCTUBRE de 2012
Instrucción Técnica 01.2012
E.T.S.I.C.C.P Laboratorio de Ingeniería de la Construcción
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METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS EBADE
ÍNDICE
1 Introducción. ___________________________________________________________ 4
2 Objeto _________________________________________________________________ 4
3 Procedencia y autoría _________________________________________________ 5
4 Ensayo EBADE ________________________________________________________ 5
4.1 Definición __________________________________________________________ 5
4.2 Fabricación de las probetas _______________________________________ 6
4.3 Metodología del ensayo ____________________________________________ 7
5 Bibliografía ___________________________________________________________ 13
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METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS EBADE
1 Introducción.
Las reuniones iniciales del proyecto de investigación, se planteó que podría
ser de interés para el objetivo principal del mismo el poder contar con otros
centros de investigación que aportasen una experiencia suficiente en el estudio
específico de los betunes y poder caracterizar a fondo el comportamiento de
los mismos en función de su naturaleza y las distintas combinaciones de
éstas (betunes convencionales / betunes modificadas).
Una vez concretada por parte del LabIC la colaboración con la Universidad de
Politécnica de Cataluña y la aprobación de la misma por parte de la Agencia
de Obra Pública de la Junta de Andalucía, se les ha hecho llegar todo el
material, con la identificación y trazabilidad requerida en este proyecto,
estando en condiciones de acometer un plan de ensayos previamente
establecido y suficiente para obtener conclusiones consistentes desde el punto
de vista investigador.
2 Objeto
Para realizar los ensayos EBADE, como cualquier rutina que se acomete en
un laboratorio de materiales en donde la sistemática es esencial, es necesario
disponer de una instrucción técnica que recoja y defina todos los
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procedimientos y métodos que han de aplicarse sin dejar lugar a
interpretaciones personales que pudieran desvirtuar los resultados.
Es objeto por tanto del presente documento el presentar una instrucción
técnica para la realización e interpretación de los ensayos EBADE que se
llevarán a cabo dentro del proyecto de investigación.
3 Procedencia y autoría
Todas las especificaciones que a continuación se detallan son propiedad y
han sido desarrolladas por el Laboratorio de Caminos de la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la UPC, habiendo
sido facilitado el documento base por el Prof. Dr. Miró Recasens, para
utilización a nivel interno del presente proyecto, debiéndose recabar
autorización expresa de los autores para su posible difusión.
4 Ensayo EBADE
4.1 Definición
El ensayo EBADE (Ensayo de BArrido de DEformaciones) es un ensayo
cíclico uniaxial de tracción-compresión realizado a desplazamiento controlado.
La deformación impuesta a la probeta se calcula teniendo en cuenta la altura
de esta. Para su aplicación en ligantes se emplea una probeta cilíndrica de 20
mm de diámetro y alrededor de 40 mm de altura, figura 1.
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Figura 1: Dimensiones de las probetas cilíndricas empleadas en el ensayo EBADE para ligantes (unidades en milímetros)
4.2 Fabricación de las probetas
Para la fabricación de las probetas se calienta el ligante en estufa hasta 120-
130oC durante 2 horas. Posteriormente se vierte el ligante en un molde
cilíndrico. Se emplea papel anti-adhesivo para facilitar el desmolde y se
excede con holgura la altura deseada de la probeta final. Una vez la probeta
adquiere la temperatura deseada, se retira la parte superior del papel
adhesivo hasta y mediante una espátula caliente se enrasa la probeta a la
altura objetivo1
1 Para conocer todos los detalles y especificaciones técnicas relativas a los trabajos a desarrollar en el laboratorio, tanto preparatorios como de ejecución del propio ensayo se puede consultar: “Pérez F., Miró R., Martínez A., Alonso J., Cepeda J. y Rodríguez M. (2005). Desarrollo de un Nuevo Procedimiento para la Evaluación del comportamiento a Fatiga de las Mezclas Bituminosas a Partir de su Caracterización en un Ensayo a Tracción. Primer Premio Internacional a la Innovación en Carreteras Juan Antonio Fernández del Campo. España.”
, figura 2.
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Figura 2: Probeta de betún en su molde antes de ser enrasada
Las probetas son adheridas a la máquina de ensayo mediante un adhesivo de
cianocrilato. Según las especificaciones del fabricante el adhesivo endurece en
menos de 15 minutos, aunque por precaución se estableció un periodo de 1
hora de secado antes de comenzar el ensayo. Este tipo de adhesivo presenta
un módulo elástico muy superior al del ligante y por lo tanto se puede
suponer que su deformación es despreciable, figura 3.
Figura 3: Probeta de betún adherida a la máquina de ensayo lista para ser ensayada
4.3 Metodología del ensayo
El procedimiento del ensayo EBADE consiste en aplicar un cierto número de
ciclos a una deformación constante imponiendo un desplazamiento vertical
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senoidal a una frecuencia dada. Una vez se alcanza el número de ciclos
programado, se aumenta la amplitud del desplazamiento y se aplican el
mismo número de ciclos. De esta forma cada cierto número de ciclos la
deformación aumenta un valor determinado que en este caso se mantuvo
constante. En las figura 4 se muestra un ejemplo de la señal impuesta
durante los ensayos.
Figura 4: Ejemplo de la señal impuesta durante un ensayo EBADE con dos ciclos por escalón de deformación
El número de ciclos por escalón empleado normalmente son 5000, es decir,
cada 5000 ciclos aumenta la amplitud de deformación. El primer escalón se
realiza con una amplitud de desplazamiento de 30 micras, y esta se
incrementa escalón a escalón en 30 micras. La altura de las probetas se fija
en 39.5 mm.
La adquisición de datos se realiza registrando 50 puntos de carga y
desplazamiento a lo largo de 1 ciclo cada 100 ciclos. De esta forma se puede
controlar la evolución de la señal resultante de carga y la elipse que se forma
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en el plano carga-desplazamiento. De cada ciclo se obtiene la carga y el
desplazamiento máximo, y teniendo en cuenta la altura y sección de la
probeta se obtiene la deformación y tensión máximas, ecuaciónes 1 y 2. Con
estos dos valores se puede obtener el valor del módulo complejo, figura 5.
Donde F es la fuerza máxima registrada por la célula de carga, S es la
sección transversal de la probeta, D es el desplazamiento máximo, h es la
altura de la probeta y E*es el módulo complejo.
Figura 5: Cálculo aproximado del módulo complejo como la inclinación de la elipse tensión-deformación en un ensayo cíclico
Monitorizando ciclo a ciclo el valor del módulo complejo se puede evaluar la
evolución del daño inducido a la probeta por los ciclos aplicados y el
incremento de la deformación. También es posible obtener el ángulo de fase
en cada ciclo, ya que el software de adquisición de datos registra el instante
en que se realiza cada medición, por lo tanto este se puede obtener
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calculando la diferencia temporal entre el máximo de deformación y el máximo
de tensión y teniendo en cuenta la frecuencia de ensayo, ecuación 4.
Donde es el ángulo de fase, tmax y t"max son los tiempos para la
deformación y tensión máximas respectivamente y f la frecuencia de ensayo.
En las figuras 6 y 7 se muestra un ejemplo de las gráficas de tensión y
módulo obtenidas en un ensayo EBADE. Los niveles de deformación que no
causan degradación en el ligante se caracterizan por mantener constante el
valor de la tensión y por lo tanto el del módulo, mientras que cuando se
alcanzan niveles de deformación superiores al límite viscoelástico lineal se
observa una disminución del módulo con el número de ciclos dentro de un
mismo escalón.
Figura 6: Ejemplo de gráfica de evolución de la tensión registrada con el número de ciclos en el ensayo EBADE
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Figura 7: Ejemplo de gráfica de evolución del módulo complejo con el número de ciclos en el ensayo EBADE
El área encerrada por la elipse que se forma en el plano tensión-deformación
durante cada ciclo de carga aplicado es proporcional a la Densidad de
Energía Disipada en cada ciclo debido al comportamiento viscoelástico del
material. Para el cálculo de esta área se emplea la Fórmula Determinante de
Gauss, ecuación 5. Esta expresión permite calcular el área del polígono
cerrado por una serie de n puntos en el plano xy.
Donde S es el área del polígono en unidades [x] · [y] y xi; yi son las
coordenadas de los n puntos ordenados horaria o anti-horariamente por
proximidad. Finalmente, en el caso que nos ocupa, para obtener la Densidad
de Energía Disipada, ED, en J=m3 se emplea la ecuación 6:
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Donde g es la aceleración de la gravedad, A la sección transversal de la
probeta, h la altura de la probeta.
En ensayos a deformación constante esta magnitud disminuye a medida que
el daño en el material aumenta, figura 8. Los niveles de deformación que no
causan daño se caracterizan por mantener constante la densidad de energía
disipada, ED. Por otro lado es mayor cuanto mayor es la deformación
aplicada, obviamente el área de la elipse aumenta cuando aumenta la
deformación hasta que se alcanza la deformación máxima que puede soportar
el material y se produce la rotura, en cuyo momento la ED se hace cero,
figura 9.
Figura 8: Ejemplo de la evolución de las elipses tensión-deformación con el número de ciclos en un ensayo de barrido de tiempo
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Figura 9: Ejemplo de la evolución de las elipses tensión-deformación con la deformación aplicada en un ensayo de barrido de deformaciones
5 Bibliografía
Alonso J. (2006). Estudio del proceso de deformación y agrietamiento por
fatiga de mezclas bituminosas sometidas a carga cíclica. Tesis Doctoral,
Escuela de Caminos Canales y Puertos de Barcelona, Universidad
Politécnica de Cataluña. Dirigida por F. Pérez.
Baaj H. and H. Di Benedetto (2005). Effect of Binder Characteristics on
Fatigue of Asphalt Pavement Using an Intrinsic Damage Approach. Road
Materials and Pavement Design. Vol. 6, N° 2, pp. 147-174.
Di Benedetto H., de La Roche C., Baaj H. and Pronk A. (2003). Fatigue of
Bituminous Mixtures: Different Approaches and RILEM Group Contribution.
Sixth International RILEM Symposium on Performance Testing and
Evaluation of Bituminous Materials, 15 – 38.
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Mezclas bituminosas. Métodos de ensayo para mezclas bituminosas en
caliente. Parte 24: Resistencia a la fatiga. (2007). Norma europea EN
12697-24:2004+A1.
Pérez F., Miró R., Martínez A., Alonso J., Cepeda J. y Rodríguez M..(2005).
Desarrollo de un Nuevo Procedimiento para la Evaluación del
comportamiento a Fatiga de las Mezclas Bituminosas a Partir de su
Caracterización en un Ensayo a Tracción. Primer Premio Internacional a la
Innovación en Carreteras Juan Antonio Fernández del Campo. España.
Pérez F., Miró R., Martínez A., Botella R., Reyes O. and Valdés G. (2009).
False Failure in Flexural Fatigue Tests. 2nd Workshop on 4 PB - Four Point
Bending, 47-57.