aplicación del ensayo fenix para dosificar mezclas resistentes al fallo por fatiga

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COMUNICACIÓN 20

APLICACIÓN DELENSAYO FÉNIX PARADOSIFICAR MEZCLASRESISTENTES AL FALLO

POR FATIGA

GONZALO A. VALDÉS VIDALINVESTIGADOR, LABORATORIO DE CAMINOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑAACADÉMICO, DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE OBRAS CIVILESUNIVERSIDAD DE LA FRONTERA, CHILE

RAMÓN BOTELLA NIETOINVESTIGADOR, LABORATORIO DE CAMINOSESCUELA DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA

FÉLIX E. PÉREZ JIMÉNEZDR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSCATEDRÁTICO DE UNIVERSIDADESCUELA DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA

RODRIGO MIRÓ RECASENSDR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSCATEDRÁTICO DE UNIVERSIDADESCUELA DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA


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APLICACIÓN DEL ENSAYO FÉNIXPARA DOSIFICAR MEZCLAS RESISTENTESAL FALLO POR FATIGA

RESUMEN

E l deterioro producido por la fatiga de lasmezclas bituminosas es uno de los fallos másfrecuentes en los pavimentos flexibles. Sin em-

bargo, debido a la complejidad de los ensayos

cíclicos que permiten evaluar el comportamiento

a fatiga de las mezclas bituminosas, muchas ve-

ces esta propiedad no es usualmente considerada

en la etapa de diseño. Por ello, en este trabajo

de investigación se presenta un procedimiento

que permite obtener por medio de un proce-

dimiento sencillo y de fácil aplicación, basado

en el nuevo ensayo de fractura desarrollado por

Laboratorio de Caminos de la Universidad Poli-

técnica de Cataluña, el ensayo Fénix, una estima-

ción del comportamiento a fatiga de las mezclas

asfálticas. Para ello, se han ensayado diferentes

mezclas bituminosas utilizando el ensayo Fénixy se ha estudiado la respuesta de éstas frente a

los parámetros de rigidez, deformación, energía

de fractura y tenacidad, los cuales están relacio-

nados directamente con la resistencia a fisura-

ción por fatiga de las mezclas bituminosas. Del

análisis de los resultados obtenidos en la fase

experimental de este estudio se pueden definir

zonas de comportamiento a fatiga a partir de la

rigidez, deformación y energía disipada por las

mezclas en el ensayo Fénix, que permite selec-

cionar mezclas resistentes a la fatiga y tener en

cuenta esta propiedad en el diseño de la mezcla

de una forma sencilla.

INTRODUCCIÓN

En estudios anteriores ya se ha presentado el ensa-

yo Fénix, desarrollado por el Laboratorio de Cami-

nos de la Universidad Politécnica de Cataluña. En

estos estudios se ha analizado la repetibilidad y sen-

sibilidad del procedimiento, detectando el efecto

de la variación de la composición de la mezcla, de

la naturaleza de áridos, de contenidos de betún y

temperaturas de ensayo, entre otras variables estu-

diadas, tienen sobre los parámetros obtenidos por

el ensayo (Pérez et al., 2010; Pérez et al., 2009; Val-

dés et al., 2009). Aquí se presenta, su aplicación al

diseño de mezclas resistentes al fallo por fatiga.

El deterioro provocado por el proceso de fatiga de

las mezclas asfálticas es un fenómeno sumamente

complejo que está regido por una amplia gama de

factores, dentro de los cuales se puede considerarlas características de los materiales constituyentes,

el espesor de la capa y el proceso de ejecución de

la mezcla. Por otra parte, existe la influencia de los

agentes externos que solicitan el pavimento, que

tienen que ver principalmente con las características

de las cargas aplicadas y condiciones climáticas im-

perantes en el medio (Roberts et al., 1996; McGen-

nis et al., 1994).

El fallo por fatiga de las mezclas bituminosas es

considerado uno de los más importantes y fre-

cuentes en las mezclas asfálticas, y ocurre gene-

ralmente cuando el pavimento ha sido solicitado


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hasta el límite por repetidas aplicaciones de ejes

de carga. El problema que se presenta es que de-

bido a la complejidad de los ensayos cíclicos que

evalúan la respuesta de las mezclas asfálticas a la

fatiga, esta propiedad no se considera usualmen-

te durante el diseño de las mezclas asfálticas. Por

ello, en este estudio se examina la aplicación del

ensayo Fénix al diseño y dosificación de mezclas

resistentes a la fisuración y, en particular, a la fisu-

ración por fatiga.

ESTUDIO EXPERIMENTAL

El estudio experimental desarrollado en este trabajó

se basó, en una primera parte, en establecer el gra-

do de correlación que existe entre el ensayo Fénix

y el ensayo de fatiga a flexotracción en tres puntos

recogido en la norma europea UNE-EN 12697-24

(Anexo C). Para ello, se ensayaron por estos dos

procedimientos las mismas mezclas convencionales,

utilizado un ligante de baja penetración, B 13/22, y

un ligante convencional, B 60/70, comparando su

comportamiento a temperaturas bajas y medias, de

5 y 20 ºC, respectivamente. A su vez, se ensayaron

también, por ambos procedimientos, mezclas con

altos contenidos de material reciclado (RAP), de ma-

yor fragilidad, comparando su comportamiento a

temperaturas medias de 20 ºC.

En una segunda parte, se ensayaron un total de 13

mezclas diferentes mediante el ensayo Fénix a las

temperaturas de -10ºC, 5ºC y 20 ºC, con la finali-

dad de establecer zonas de comportamiento a fati-

ga de las mezclas bituminosas.

PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALESUTILIZADOS

Ensayo Fénix

El objetivo principal del ensayo Fénix es la determi-

nación de resistencia a la fisuración y tenacidad en

las mezclas bituminosas. Con él se puede determi-

nar una serie de parámetros que caracterizan las

mezclas bituminosas frente a su resistencia al fallo

por fisuración.

Los principales parámetros obtenidos por medio del

ensayo Fénix se describen a continuación:

Carga máxima a tracción (F max , kN): Se define como

la carga máxima registrada en el ensayo a tracción

directa.

Resistencia máxima a tracción (RT , MPa): Se define

como la relación entre la carga máxima registrada

y el área de ligamento o fractura, definidas por el

espesor de la probeta, h, y la altura de la sección

de rotura, l . este parámetro se calcula mediante la

siguiente ecuación:

Índice de rigidez a tracción (I RT , kN/mm.): Se define

como la relación entre la mitad de la carga máxima, ½

Fmax, y el desplazamiento correspondiente a ese valor

de carga antes de la carga máxima, Dmap. Este índiceindica una seudo-rigidez del material, mostrando que

tan flexible o rígida es la mezcla bituminosa evaluada.

A mayor índice de rigidez a tracción menos flexible es

la mezcla. El índice de rigidez de tracción se calcula de

acuerdo a la siguiente ecuación:

Desplazamiento al 50% Fmax postpico, (Dmdp , mm.):

Se define como el desplazamiento registrado por la

mezcla una vez que la carga ha caído a la mitad del

valor de su carga máxima. Este parámetro indica la

Figura 1. Esquema ensayo Fénix y curva carga

desplazamiento resultante.


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capacidad que tiene la mezcla evaluada de admitir de-

formación, puesto que a medida que las mezclas son

más dúctiles, y por ende más deformables, se obtie-

nen mayores valores de Dmdp, mientras que para mez-

clas más frágiles se obtienen menores valores de Dmdp.

Energía disipada (GD , J/m2 ): Se define como el tra-

bajo total realizado en el proceso de fisuración, WD,

dividido entre el área de ligamento o fractura, cuya

dimensión está definidas por el espesor de la probe-

ta, h, y la altura de la sección de rotura, l . La ener-

gía disipada en el proceso de fisuración se calcula

de acuerdo a la siguiente ecuación:

El trabajo realizado, WD (kN · mm.), se calcula por

medio de la siguiente expresión:

Donde, F es el valor de la fuerza aplicada, u el valor

de desplazamiento y DR es el desplazamiento aplica-

do cuando la carga cae a 0,1 kN.

Índice de tenacidad (I T , (J/m2 )·mm): Se define como

la energía disipada en el periodo de relajación o sof-

tening multiplicada por un factor de fragilidad, el

cual corresponde al desplazamiento realizado desde

la carga máxima, Fmax, hasta que la carga ha caído

a la mitad de su valor máximo. Este índice tiene la

finalidad de evaluar la tenacidad de la mezcla bi-

tuminosa, considerándose ésta como la capacidadde la mezcla de mantener unidos sus componentes

una vez que ya ha alcanzado su resistencia máxima.

Por tanto, a medida que este parámetro aumenta,

la mezcla es más tenaz, y por otra parte, a medida

que este factor disminuye, la mezcla tiene un com-

portamiento más frágil. Este parámetro se calcula

mediante la siguiente ecuación:

Donde, WD es el trabajo realizado en el proceso de

fisuración, WFmax es el trabajo realizado hasta car-

ga máxima, DFmax es el desplazamiento a la carga

máxima y Dmdp es el desplazamiento al 50% de la

carga máxima postpico.

Ensayo a fatiga a flexotracción entres

puntos

El objetivo principal del ensayo a fatiga en flexotrac-

ción dinámica en tres puntos es determinar la ley

de fatiga en deformación, con control de desplaza-

miento en mezclas bituminosas.

Para la obtención de la ley de fatiga se consideranlos pares de valores: mitad de la amplitud cíclica de

la función de deformación en el ciclo número 200

y el número total de ciclos aplicados hasta su fallo

(N). Luego, mediante una aproximación por míni-

mos cuadrados se obtiene la ley de fatiga, de acuer-

do a la siguiente ecuación:

Donde, e es la mitad de la amplitud cíclica de la

función de deformación en el ciclo número 200

(adimensional), N es el número total de ciclos apli-

cados, a y b son los coeficientes de la ley de fatiga

en deformación (adimensionales).

Otro parámetro importante determinado en el en-

sayo de fatiga es el módulo dinámico que se define

como el cociente entre la amplitud cíclica de la fun-

ción tensión, sc, y la amplitud cíclica de la función

Figura 2. Ensayo de fatiga a flexotracción en tres puntos, UNE-

EN 12697-24 (Anexo C).


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deformación, ec. La amplitud cíclica de una función

en un ciclo es el valor absoluto de la diferencia entre

su valor máximo y su valor mínimo en ese ciclo. Este

parámetro se calcula mediante la siguiente ecuación:

ANALISIS Y DISCUSIÓN DERESULTADOS

Correlación entre ensayos Fénix y Fatiga a

flexotracción en tres puntos

Los resultados obtenidos de la primera parte experi-

mental se observan en la Tabla 1. El grado de corre-

lación entre los parámetros Fénix y los parámetros

de las leyes de fatiga obtenidos en cada una de las

mezclas ensayadas, ha sido bastante satisfactorio, y

sus resultados se presentan en las gráficas 1 a la 3.

La primera relación presentada en la gráfica 1 es

entre los valores de índice de rigidez, IRT, obte-

nidos del ensayo Fénix y los valores de módulo

dinámico, MD, obtenidos del ensayo de fatiga a

flexotracción. En este caso, las mezclas con me-

nores rigideces o módulos dinámicos (IRT o MD) se

sitúan en la parte inferior de la recta de tenden-

cia. A su vez, las mezclas con mayores rigideces o

módulos, como el caso de las confeccionadas con

el ligante de menor penetración, B13/22, ensa-

yadas a una temperatura de 5 ºC, se sitúan en la

parte superior de la tendencia.

Junto con la relación ilustrada en la gráfica 1, las

siguientes dos relaciones presentadas en las gráfi-

Tabla 1. Resultados primera fase experimental.

Gráfica 1. Correlación entre Módulo Dinámico del ensayo de fatiga

y el parámetro índice de rigidez a tracción del ensayo Fénix.


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cas 2 y 3 permiten cumplir uno de los objetivos de

este estudio, el cual es obtener una estimación al

comportamiento a fatiga de las mezclas bitumino-

sas por medio de un procedimiento más sencillo.

Este procedimiento se basa en la correlación pará-

metros de rigidez (IRT) y desplazamiento (Dmdp), ob-

tenidos del ensayo Fénix, y los parámetros de la ley

de fatiga expuestos en la ecuación (6), pendiente

de la ley de fatiga, parámetro “b”, y la deforma-

ción en el ciclo 1 de la ley de fatiga, parámetro

“a”, respectivamente.

La gráfica 2 indica que las mezclas con una ma-

yor rigidez, IRT, obtienen en el ensayo a fatiga unamenor pendiente en la ley de fatiga, y se sitúan

en la parte inferior de la recta de tendencia. Por

otra parte, las mezclas con rigideces bajas ob-

tienen una mayor pendiente de la ley de fatiga

situándose en la parte alta de la recta de tenden-

cia, como es el caso de las mezclas fabricadas con

el ligante de mayor penetración, B60/70, y ensa-

yadas a la temperatura de 20 ºC.

En la gráfica 3 se observa como las mezclas que

obtienen un mayor desplazamiento al 50% de la

carga postpico en el ensayo Fénix, presentan una

mayor deformación en el ciclo 1 en el ensayo a

fatiga, como es el caso de las mezclas confeccio-

nadas con los ligantes de mayor penetración en-

sayadas a la temperatura de 20 ºC. A su vez, se

observa que las mezclas fabricadas con ligantes

de menor penetración y ensayadas a bajas tem-

peraturas se sitúan en la parte inferior de la recta

de tendencia.

Aplicación del ensayo Fénix

a la evaluación de la resistencia a fatiga

de las mezclas bituminosas

La resistencia a fisuración de una mezcla bituminosa

está relacionada con su energía de fractura o ener-

gía disipada en su proceso de fisuración. Cuanto

mayor sea el valor de esta propiedad de la mezcla

más esfuerzo será necesario realizar para conseguir

la fisuración de la mezcla en el firme. Ahora bien,

esta rotura puede ser frágil, es decir, con muy poca

deformación, o bien dúctil y tenaz, en que la car-

ga se mantiene durante el proceso de rotura y va

descendiendo lentamente. En este mismo caso, la

perdida total de la carga se produce a una defor-

mación muy alta comparada con la de inicio de la

fractura del material (carga máxima).

Los materiales con comportamiento frágil se carac-

terizan por tener una ley de fatiga muy poco incli-nada, casi horizontal, siendo el valor del coeficiente

“b” de su ley de fatiga muy pequeño. Para estos

materiales frágiles existe un rango de deformacio-

nes muy reducido en los que el material falla por

fatiga, por debajo de este rango el material no fa-

lla y por encima se fractura rápidamente. Además,

en estos materiales se produce un rápido progreso

de la fisura sin que apenas se deformen o asienten.

Este es el caso llevado al extremo de los pavimentos

de hormigón.

Por otra parte, se encuentran las mezclas con una

respuesta más dúctil y tenaz, que suelen tener tam-Gráfica 2. Correlación entre parámetro “b” de la ley de fatiga y el

parámetro índice de rigidez a tracción del ensayo Fénix.

Gráfica 3. Correlación entre parámetro “a” de la ley de fatiga

y el parámetro desplazamiento al 50% de la carga máxima

postpico del ensayo Fénix.


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bién un módulo mas bajo y su fallo por fatiga tiene

lugar en un rango mayor de deformaciones. Estas

mezclas presentan una ley de fatiga más inclinada,

con un mayor valor del coeficiente “b” y una mayor

deformación inicial, mayor valor del parámetro “a”

de la ley de fatiga. A su vez, estas mezclas más dúc-

tiles y tenaces rompen con una mayor deformación

y esto va unido a una mayor deflexión y asiento de

la capa de mezcla en el firme, dificultando la pro-

pagación de la fisura, factor que no es tenido en

cuenta en el cálculo de la vida a fatiga de las capas

de mezcla bituminosa en los métodos de dimensio-

namiento analíticos.

En resumen si se buscan mezclas resistentes a la fi-

suración por fatiga y que sean más tenaces, debe-

rán tener una energía de rotura alta y una elevada

capacidad de deformación. Es decir, una elevada

energía disipada en la zona de rotura postpico en el

ensayo Fénix con una elevada deformación de rotu-

ra, o que es lo mismo, un alto índice de tenacidad.

En las gráficas 4, 5 y 6 se han representado la va-

riación de los parámetros del ensayo Fénix: índice

de tenacidad, IT, deformación al 50% de la carga

máxima postpico, Dmdp, y la energía disipada en el

proceso de fractura, GD, en función del índice de ri-

gidez, IRT. En estas tres gráficas se han dibujado las

curvas correspondientes a una mezcla tipo S-20 fa-

bricada con dos betunes de diferente penetración,

B 13/22 y B60/70, y ensayadas en tres temperatu-

ras, -10, 5 y 20 ºC. En cada curva aparecen los re-

sultados de los tres contenidos de betún evaluados

(3.5, 4.5 y 5.5% s/a).

En el análisis del gráfica 4 puede observarse que

todas aquellas mezclas que en principio pudieran

tener un comportamiento frágil a fatiga, caso de la

mezcla con betún B13/22 ensayada a -10 y 5 ºC

y la mezcla con betún B60/70 ensayada a -10 ºC

presentan unos valores de índice de tenacidad muy

bajos, por debajo de 50 en casi la totalidad de los

casos. Sin embargo, las mezclas con betún B60/70

a 5 y 20 ºC y la mezcla con betún B13/22 a 20 ºC

presentan unos mayores índices de tenacidad, por

encima de 200. Se observa además que el índice de

tenacidad, al igual que ocurre con la energía disipa-

da va aumentando conforme aumenta el índice de

rigidez a tracción, hasta alcanzar un valor máximo

y comienzan a descender, cuando la mezcla se va

haciendo frágil. Además de la gráfica 4 se aprecia

que a medida que aumenta el contenido de ligante

en la mezcla se registran mayores valores de IT y una

pérdida de rigidez, IRT.

En la gráfica 5 se ha representado la variación del

parámetro desplazamiento al 50% de la carga máxi-

ma postpico, Dmdp, con el índice de rigidez a tracción,

IRT. Se observa, al igual que en el gráfico anterior, un

incremento de este parámetro conforme aumenta el

contenido de betún para cada mezcla ensayada, re-

gistrando a su vez un pérdida de rigidez. También se

aprecia que las mezclas más rígidas, las confecciona-

das con betún B13/22 y ensayadas a -10 y 5ºC, junto

con las mezclas confeccionadas con betún B60/70

y ensayadas a 5ºC, presentan bajos valores de Dmdp,

Gráfica 4. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación

IRT- IT a diferentes temperaturas de ensayo.


IRT- Dmdp a diferentes temperaturas de ensayo.


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por debajo de 0.5 mm, con altos valores de rigidez,

IRT. Sin embargo, las mezclas más dúctiles, las fabrica-

das con betún B60/70 ensayadas 5 y 20 ºC y la mez-

cla con betún B13/22 ensayadas a 20 ºC, presentan

mayores valores de Dmdp, lo que se entiende como

un aumento de la capacidad de admitir deformación

por parte de la mezcla.

En la gráfica 6 se ha representado la relación entre

la energía disipada en el proceso de fractura, GD,

y el índice de rigidez a tracción, IRT. Los resultados

son muy similares a los comentados en la gráfica en

que se ha representado el índice de tenacidad. En

ambas gráficas puede observarse el efecto significa-tivo que tiene la variación del betún para aumentar

la energía disipada en el proceso de fractura de la

mezcla y disminuir su rigidez. El efecto del conteni-

do de betún para mejorar la resistencia a fatiga de

las mezclas es especialmente notable en el caso de

la mezcla con el betún B13/22 ensayada a 20 ºC,

puesto que el valor de su energía disipada aumenta

considerablemente sin apenas disminuir el módulo.

Finalmente en la gráfica 7 se ha representado la

relación entre la energía disipada en el proceso de

fractura, GD, y el índice de rigidez a tracción, IRT, de

un total de 13 mezclas ensayas a diferentes tempe-

raturas. En la zona 1, se sitúan las mezclas con una

baja rigidez, producto de su ductilidad, y una baja

energía disipada en el proceso de fisuración, GD. En

la zona 2, se observan mezclas con valores de ri-

gidez intermedios, pero con altas diferencias en la

energía que son capaces de disipar en el momento

en que se produce la fisuración de éstas. Finalmen-

te, en la zona 3, se sitúan las mezclas cuya rigidez

es muy alta, pero como consecuencia de su fragili-

dad no pueden disipar gran cantidad de energía.


IRT - GD a diferentes temperaturas de ensayo.

Gráfica 7. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación IRT - GD a diferentes temperaturas de ensayo.


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Del análisis de los resultados obtenidos se deduce

que el ensayo Fénix puede ser empleado para valo-

rar la resistencia a fisuración por fatiga de la mezcla

cuando se procede a su diseño en el laboratorio. En

función de la energía disipada, GD, y de su rigidez,

IRT, podría valorarse su resistencia a la fisuración por

fatiga, definiéndo una zona en la que están situa-

das las mezclas con mejor comportamiento a fatiga

y dentro de esta zona se puede seleccionar las mez-

clas con mejor respuesta. Está claro que para similar

rigidez, IRT, tendrán mejor comportamiento a fatiga

aquellas mezclas que tengan una mayor energía di-

sipada, GD, y tenacidad, IT.

CONCLUSIONES

• Existe una buena correlación entre los parámetros ob-

tenidos del ensayo Fénix y los parámetros que definen

las leyes de fatiga, obtenidas por el procedimiento de

ensayo de fatiga a flexotracción en tres puntos.

• Determinar las leyes de fatiga por los ensayos tra-

dicionales es un proceso largo y muchas veces la

información obtenida apenas muestra diferencias

entre los tipos de mezclas. Además, a menudo los

ensayos de fatiga tienen una alta dispersión entre

sus probetas, lo que puede producir una distor-

sión a la hora de determinar una ley de fatiga.

• El ensayo Fénix puede caracterizar de una mane-

ra más fácil y rápida la respuesta de una mezcla

al fallo por fatiga, puesto que entrega información

sobre la rigidez o módulo de una mezcla y capaci-

dad de deformación, mediante los parámetros deíndice de rigidez a tracción, IRT, y desplazamiento

al 50% de la carga máxima postpico, respectiva-

mente, Dmdp. A su vez, entrega la información de

la energía disipada en el proceso de fractura, GD,

y la tenacidad de las mezclas, IT, parámetros que

pueden discriminar una mezcla de otra, junto con

su módulo de rigidez, teniendo claro que presen-

tan un mejor comportamiento aquellas con mayor

energía disipada para similitud de módulos.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo recibido del Centro

para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI) de

España en el desarrollo del proyecto FENIX, dentro

del marco del programa Ingenio 2010 y, más con-

cretamente, a través del Programa CENIT.

REFERENCIAS

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• Pérez, F., Valdés, G., Miró, R., Martínez, A. and

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