informe lab correa

Universidad Tcnica Federico Santa Mara Departamento de Obras Civiles

Informe de Laboratorio

Segundo Semestre 2014 CIV-369

Laboratorio Vial

Alumno: Cristbal Correa

Profesor: Gabriel Garca

Fecha: 01/12/2014

Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM

1

ndice

1. INTRODUCCIN ..................................................................................................................................... 2

2. ENSAYOS DE LABORATORIO .................................................................................................................. 2

2.1 ENSAYO DE VISCOSIDAD BROOKFIELD A DISTINTAS TEMPERATURAS ................................................................ 2

2.2 ENSAYO DE PENETRACIN .................................................................................................................... 4

2.3 ENSAYO DE PUNTO DE ABLANDAMIENTO ................................................................................................. 5

2.4 DETERMINACIN NDICE DE PFEIFFER ...................................................................................................... 6

2.5 DETERMINACIN T DE MEZCLADO Y COMPACTACIN ................................................................................. 7

3. ESTIMACIN MODULO DINMICO ........................................................................................................ 8

3.1 BANDA GRANULOMTRICA IV-A-12 ....................................................................................................... 8

3.2 PARMETROS A Y VTS ........................................................................................................................ 9

3.3 FRECUENCIAS .................................................................................................................................. 10

3.4 OTROS PARMETROS ........................................................................................................................ 11

3.5 OBTENCIN MDULOS DINMICOS ...................................................................................................... 11

4. CONSTRUCCIN DE CURVAS ............................................................................................................... 14

4.1 CURVAS MAESTRAS .......................................................................................................................... 14

4.2 CURVAS ISCRONAS .......................................................................................................................... 16


2

1. Introduccin El presente informe cuenta con los procedimientos y resultados de los tres ensayos de laboratorio

realizados, siendo estos los siguientes:

Ensayo de Viscosidad Brookfield

Ensayo Penetracin

Ensayo de Punto de Ablandamiento

Los cuales permiten caracterizar el bitumen ensayado y con esto determinar el modulo dinmico

de la mezcla asfltica con el modelo Witczak Original, para distintas frecuencias y temperaturas,

considerando la banda granulomtrica IV-A-12 dada por el manual de carretera. Luego es posible

tambin obtener las curvas maestras e iscronas, las cuales son muy usadas para caracterizar el

comportamiento de la mezcla asfltica en distintas condiciones.

El betn utilizado para todos los ensayos fue el CA-24.

2. Ensayos de Laboratorio A continuacin se describen los procedimientos y resultados para los ensayos realizados:

2.1 Ensayo de Viscosidad Brookfield a distintas temperaturas

El ensayo de Viscosidad Brookfield mide la viscosidad captando el par de torsin necesario para

hacer girar a velocidad constante un cilindro inmerso en la muestra de betn a estudiar.

En el laboratorio este ensayo se realizo a tres temperaturas (60, 90 y 120 C) y el procedimiento de

ensayo fue el siguiente:

1. Introducir la muestra de betn en el tubo de ensayo.

2. Introducir cilindro inmerso y tapar la muestra para conservar temperaturas.

3. Introducir manualmente la temperatura necesaria al aparato y esperar hasta que el betn

llegue a esa temperatura.


3

4. Variar velocidad de rotacin del cilindro hasta que la resistencia ejercida por el betn sea

un 50% del torque ejercido, a mayor temperatura ser necesaria mayor velocidad de

rotacin para llegar a este 50%.

5. Cuando la resistencia sea de un 50%, se tiene la viscosidad representativa del betn para

esa temperatura.

6. Repetir el procedimiento para las otras temperaturas.

Los resultados entregados por el aparato se muestran de la siguiente manera:

La cual muestra la viscosidad de la muestra, resistencia al torque, velocidad y temperatura, entre

otros.

Finalmente los resultados obtenidos para las tres temperaturas fueron los siguientes:

Temperatura [C]

Resistencia al torque [%]

Velocidad de rotacin [rpm]

Viscosidad [poise]

59.8 51.6 0.3 4300.00

89.6 50.3 10 125.80

119.8 47.1 100 11.78

Donde se tienen pequeas variaciones de temperatura con respecto a lo esperado, ya que estos

valores oscilaban constantemente pero siendo siempre muy cercanos a lo necesitado. Por otro

lado la resistencia al torque sufre mayores variaciones, ya que este difcilmente llega a un valor en

concreto y constantemente aumentaba y disminua su valor.


4

2.2 Ensayo de Penetracin

Ensayo que mide la penetracin de una aguja estndar de 100 g durante 5 segundos a una

muestra de betn, la penetracin debe ser de manera vertical y con la muestra a 25 C. Finalmente

el resultado de penetracin se mide en decimas de milmetro.

El procedimiento para realizar el ensayo es el siguiente:

1. Disponer muestra de betn en el recipiente.

2. Mantener muestra en un bao de agua para obtener una temperatura de la muestra de 25

C.

3. Dejar caer aguja durante 5 segundos.

4. Medir penetracin de la aguja despus de esos 5 segundos.

El ensayo fue realizado utilizando el Penetrmetro existente en el laboratorio de la universidad, el

cual no cuenta con un bao de agua que permita tener la muestra a los 25 C necesarios, por lo

que este valor finalmente fue de 20 C aproximadamente.

Despus de 5 segundos en el cual la aguja penetro el betn, la penetracin obtenida es de 12.8

milmetros, por lo tanto se tiene una penetracin de 128.


5

2.3 Ensayo de Punto de Ablandamiento

Este ensayo permite determinar el punto de ablandamiento del betn utilizando el aparato de

anillo y bola, este punto est definido como la menor temperatura a la cual la muestra suspendida

en un anillo horizontal de dimensiones especificas es forzada a caer 25 mm por el peso de una

bola de acero especificada, calentando la muestra de manera constante a 5 C/min en un bao de

agua.

El procedimiento para realizar el ensayo es el siguiente:

1. Disponer de dos muestras en anillos distintos.

2. Introducir los anillos junto con las bolas en el bao de agua.

3. Aumentar la temperatura de manera constante.

4. Determinar la temperatura a la cual cada muestra baja los 25 mm necesarios.

5. Obtener el punto de ablandamiento como un promedio de estas temperaturas.

Luego de realizar el ensayo, se tiene que las dos muestras distintas (para el mismo betn), llegaron

abajo para temperaturas distintas:

Pudiendo deberse esto a disponer mayor cantidad de betn sobre un anillo que otro. De todos

modos, en la foto puede parecer que la diferencia entre ambas es muy grande, pero comparando

las temperaturas en la que esto ocurre se tiene que la muestra del lado izquierda presenta el

punto de ablandamiento a los 49.5 C, mientras que la muestra del lado derecho solo llego a este

punto 0.5 C despus, es decir, a 50 C. Finalmente se determina que el punto de ablandamiento

del betn estudiado es de 49.75 C.


6

2.4 Determinacin ndice de Pfeiffer

El ndice de Pfeiffer o de Penetracin es un ndice que proporciona un criterio de medida de la

susceptibilidad trmica del betn a los cambios de temperatura, dando adems una indicacin de

su comportamiento reolgico.

IP > 1: Representa un betn poco susceptible a la temperatura y un comportamiento

de fluido no newtoniano.

IP < -1: Representa un betn altamente susceptible a la temperatura y un

comportamiento de fluido newtoniano.

-1 < IP < 1: Representa un betn con caractersticas reolgicas y de flujo intermedias con

respecto a los casos anteriores. La mayora de los betunes utilizados en pavimentacin se

encuentran en este rango.

Es posible determinar este utilizando el nomograma de Heukelom, graficando los puntos

obtenidos en los tres ensayos anteriores y luego traspasar est pendiente a la zona especial para

determinar el IP existente en el nomograma. El nomograma con los datos anteriores queda de la

siguiente manera, donde los puntos rojos corresponden a los obtenidos con el ensayo de

Viscosidad Brookfield, el azul con el ensayo de Penetracin y el verde con el ensayo de Punto de

Ablandamiento:

Donde se tiene luego de traspasar la pendiente obtenida de los ensayos, que el ndice de Pfeiffer

para este betn es de -0.4, encontrndose est dentro del rango de los betunes ms utilizados

para pavimento. Para obtener el ndice de Pfeiffer se utilizo la recta con los puntos de ensayo de

viscosidad y ablandamiento, ya que el punto de penetracin tiene una tendencia distinta a estos.


7

2.5 Determinacin T de mezclado y compactacin

La temperatura de mezclado y compactacin se definen como las temperaturas necesarias para

que el betn tenga una viscosidad de 1.7 y 2.8 poises respectivamente. Estas se pueden

determinar utilizando el nomograma de Heukelom y proyectando la recta obtenida hasta estos

valores de viscosidad.

Se hace interceptar las rectas para la viscosidad necesaria para la compactacin (recta verde) y

mezclado (recta roja) con la recta obtenida de los ensayos y con esto se obtienen las

temperaturas:

Obteniendo de esta forma que la temperatura de compactacin necesaria es de 146 C y la

temperatura de mezclado necesaria es de 155 C.


8

3. Estimacin modulo dinmico Se estima el modulo dinmico de una mezcla asfltica, utilizando el modelo de Witczak Original

(con parmetros A y VTS) para el betn ensayado con anterioridad y una banda granulomtrica

dada por el promedio de la banda IV-A-12 dada por el manual de carreteras.

Para utiliza este modelo se requieren los siguientes parmetros de entrada:

Frecuencia [Hz]

Volumen de aire [%]

Volumen de betn efectivo [%]

Porcentaje acumulado por los tamices , 3/8 y N4 [%]

Porcentaje que pasa por el tamiz N200 [%]

Parmetros A y VTS

Temperatura [F]

De los cuales algunos fueron entregados y otros calculados:

3.1 Banda granulomtrica IV-A-12

La banda granulomtrica IV-A-12 es una de varias bandas granulomtricas propuestas en el

captulo 8 del manual de carreteras, la cual es de la siguiente forma:

Tamao tamiz % en peso que pasa

ASTM [mm] Min Max

3/4'' 20 100

1/2'' 12,5 80 96

3/8'' 10 70 85

N4 5 43 58

N8 2,5 28 42

N30 0,64 13 24

N50 0,315 8 17

N100 0,16 6 12

N200 0,08 4 8

Y en este caso se trabajara con el promedio de esta banda granulomtrica, por lo que se tiene lo

siguiente:

Tamao tamiz % en peso que pasa

ASTM [mm] Promedio

3/4'' 20 100

1/2'' 12,5 87,5

3/8'' 10 77,5

N4 5 50,5

N8 2,5 35

N30 0,64 18,5

N50 0,315 12,5

N100 0,16 9

N200 0,08 6


9

Luego los parmetros de entrada para el modelo son los siguientes:

3.2 Parmetros A y VTS

El mtodo VTS es un mtodo expuesto en la ASTM D2493, el cual consiste en caracterizar el betn

asfaltico en funcin de los parmetros A y VTS que corresponden al intercepto y la pendiente

respectivamente al realizar un grfico de la viscosidad del betn en funcin de la temperatura.

Siendo la viscosidad graficada en centipoise y con un doble logaritmo, mientras que la

temperatura en unidades Rankine y un logaritmo.

Para realizar este grfico se utilizaron los tres resultados obtenidos en el ensayo de Viscosidad

Brookfield:

Viscosidad [Poise]

Viscosidad [centiPoise]

Doble logaritmo de la Viscosidad

4300 430000 0,751

126 12600 0,613

12 1200 0,488

Temperatura [C]

Temperatura [R]

Logaritmo de la temperatura

60 600 2,78

90 654 2,82

120 708 2,85

Obtenindose de esta forma el siguiente grfico:


10

Teniendo de esta forma que los parmetros A y VTS son los siguientes:

3.3 Frecuencias

Las frecuencias a las cuales se determinaran los mdulos dinmicos son las siguientes:

a [mm] Z [mm] v [km/h] v [m/s] t [s] f [Hz]

100 100 20 5,6 0,072 2,2

100 200 20 5,6 0,108 1,5

100 300 20 5,6 0,144 1,1

100 100 60 16,7 0,024 6,6

100 200 60 16,7 0,036 4,4

100 300 60 16,7 0,048 3,3

100 100 100 27,8 0,0144 11,1

100 200 100 27,8 0,0216 7,4

100 300 100 27,8 0,0288 5,5

Las cuales se obtienen considerando un dimetro de rueda de 200 milmetros, profundidades de

100, 200 y 300 milmetros y velocidades de 20, 60 y 100 kilmetros por hora. Adems la

distribucin de cargas se considera en 45%, pudiendo obtener el tiempo de la siguiente manera:

Y luego la frecuencia:

Log ( Log () ) = -3,6483 Log (T) + 10,885 R = 1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

2,76 2,78 2,80 2,82 2,84 2,86

Log

( Lo

g (

) )

[ce

nti

Po

ise

]

Log (T) [Rankine]


11

3.4 Otros parmetros

Otros parmetros ingresados al modelo son los siguientes:

Y tambin las siguientes temperaturas:

T [C] T [F]

10 50

30 86

50 122

70 158

Las cuales se ingresan en grados Fahrenheit al modelo.

3.5 Obtencin Mdulos dinmicos

Luego de tener los parmetros principales, se estima el modulo dinmico para los 36 casos

existentes, ya que son 4 temperaturas distintas, para 9 frecuencias distintas. La ecuacin de

Witczak Original a utilizar es la siguiente:

Donde la viscosidad se obtiene de la ecuacin de los parmetros A y VTS:

De esta forma se obtienen los siguientes resultados:

T [F] f [Hz] E [psi]

50 2,2 1.696.916

50 1,5 1.580.765

50 1,1 1.500.890

50 6,6 2.030.658

50 4,4 1.904.472

50 3,3 1.817.017

50 11,1 2.194.049

50 7,4 2.063.974

50 5,5 1.973.510

86 2,2 402.094

86 1,5 360.274

86 1,1 332.887

86 6,6 535.909

86 4,4 482.879

86 3,3 447.878


12

86 11,1 609.125

86 7,4 550.416

86 5,5 511.519

122 2,2 100.958

122 1,5 89.343

122 1,1 81.923

122 6,6 140.431

122 4,4 124.370

122 3,3 114.070

122 11,1 163.500

122 7,4 144.919

122 5,5 132.976

158 2,2 34.891

158 1,5 31.083

158 1,1 28.664

158 6,6 48.038

158 4,4 42.647

158 3,3 39.220

158 11,1 55.886

158 7,4 49.555

158 5,5 45.528

Pudiendo apreciar que el modulo dinmico sufre grandes variaciones segn la temperatura y

frecuencia a la cual se estime, siendo un mayor modulo para temperaturas ms bajas, donde el

material se rigidiza y un mayor modulo para frecuencias ms altas, es por eso que el mayor

modulo obtenido es para la menor temperatura (50 [F]) y la mayor frecuencia (69.4 [Hz]), siendo

de 2.771.908 [psi].

Tambin es posible apreciar que el modulo disminuye a medida que aumenta la profundidad,

como se aprecia en el siguiente grfico, donde se analiza el comportamiento del material a

distintas profundidades para una velocidad constante de 20 km/h para los tres casos.

1.450.000

1.500.000

1.550.000

1.600.000

1.650.000

1.700.000

1.750.000

50 100 150 200 250 300 350

|E*|

[p

si]

Profundidad [mm]

|E*| vs profundidad


13

Luego, para el caso de la velocidad se puede ver como al aumentar la velocidad de los vehculos el

modulo aumenta, en el grfico se muestra el modulo de material para distintas velocidades y a

una profundidad constante de 100 mm.

-

500.000

1.000.000

1.500.000

2.000.000

2.500.000

0 20 40 60 80 100 120

|E*|

[p

si]

Velocidad [km/h]

|E*| vs velocidad


14

4. Construccin de curvas La construccin de curvas Maestras e Iscronas se realiza de la misma manera que para

determinar los mdulos dinmicos anteriores.

4.1 Curvas Maestras

Se construye la curva maestra para las temperaturas de 10, 20 y 40C, variando la frecuencia entre

y Hz, teniendo de esta forma los siguientes resultados:

T [C] f [Hz] E [psi]

10 0,0001 147.504

10 0,001 288.291

10 0,01 535.298

10 0,1 925.186

10 1 1.473.618

10 10 2.161.683

10 100 2.938.328

10 1000 3.737.555

10 10000 4.498.757

20 0,0001 51.566

20 0,001 102.880

20 0,01 204.232

20 0,1 390.730

20 1 702.383

20 10 1.168.151

20 100 1.788.012

20 1000 2.526.262

20 10000 3.322.040

40 0,0001 11.517

40 0,001 20.532

40 0,01 39.048

40 0,1 77.310

40 1 154.415

40 10 301.018

40 100 556.552

40 1000 956.875

40 10000 1.515.630


15

Y luego las curvas quedan de la siguiente manera:

Donde la escala logartmica permite ver de mejor manera el comportamiento para bajas

frecuencias y la escala aritmtica permite ver de mejor manera el comportamiento para

frecuencias grandes. Se puede observar lo ya mencionado antes, a menor temperatura se tiene un

mayor modulo dinmico y a mayor frecuencia ocurre lo mismo, aumenta el modulo dinmico del

material.

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

-6 -4 -2 0 2 4 6

Log

(M

du

lo d

inm

ico

[p

si])

Log (Frecuencia [Hz])

Curvas Maestra - Escala logartmica

10C

40C

20C

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

-6 -4 -2 0 2 4 6

Log

(M

du

lo d

inm

ico

[p

si])

Mill

on

es

Log (Frecuencia [Hz])

Curvas Maestra - Escala aritmtica

10 C

40 C

20 C


16

4.2 Curvas Iscronas

Se construye la curva iscrona para las frecuencias de 2, 10 y 30 Hz, variando la temperatura entre

-10 y 50 C, teniendo de esta forma los siguientes resultados:

f [Hz] T [C] E [psi]

2 -10 4.656.573

2 0 3.013.622

2 10 1.667.874

2 20 825.690

2 30 391.413

2 40 189.538

2 50 97.959

10 -10 5.128.199

10 0 3.573.520

10 10 2.161.683

10 20 1.168.151

10 30 594.206

10 40 301.018

10 50 158.715

30 -10 5.422.005

30 0 3.949.138

30 10 2.525.145

30 20 1.446.081

30 30 773.926

30 40 406.856

30 50 219.188

Y luego las curvas quedan de la siguiente manera:

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Log

(M

du

lo d

inm

ico

[p

si])

Temperatura [C]

Curvas Iscronas - Escala logartmica

2 Hz

10 Hz

30 Hz


17

Donde la escala logartmica permite ver de mejor manera el comportamiento para altas

temperaturas y la escala aritmtica permite ver de mejor manera el comportamiento para bajas

temperaturas. Se puede observar como el modulo disminuye cuando se tienen menores

frecuencias y que tambin al tener mayores temperaturas el modulo disminuye, como ya se ha

mencionado anteriormente.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Mo

du

lo d

inam

ico

[p

si]

Mill

on

es

Temperatura [C]

Curvas Iscronas - Escala aritmtica 2 Hz

10 Hz

30 Hz

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