COMUNICACIÓN 20. Gonzalo A. Valdés Vidal Investigador, Laboratorio de Caminos. Ramón Botella Nieto

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1 COMUNICACIÓN 20 Aplicación del ensayo Fénix para dosificar mezclas resistentes al fallo por fatiga Gonzalo A. Valdés Vidal Investigador, Laboratorio de Caminos Universidad Politécnica de Cataluña Académico, Departamento de Ingeniería de Obras Civiles Universidad de La Frontera, Chile Ramón Botella Nieto Investigador, Laboratorio de Caminos Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Cataluña Félix E. Pérez Jiménez Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Catedrático de Universidad Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Cataluña Rodrigo Miró Recasens Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Catedrático de Universidad Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Cataluña 217

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3 Aplicación del ensayo Fénix para dosificar mezclas resistentes al fallo por fatiga RESUMEN El deterioro producido por la fatiga de las mezclas bituminosas es uno de los fallos más frecuentes en los pavimentos flexibles. Sin embargo, debido a la complejidad de los ensayos cíclicos que permiten evaluar el comportamiento a fatiga de las mezclas bituminosas, muchas veces 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 procedimiento sencillo y de fácil aplicación, basado en el nuevo ensayo de fractura desarrollado por Laboratorio de Caminos de la Universidad Politécnica de Cataluña, el ensayo Fénix, una estimación del comportamiento a fatiga de las mezclas asfálticas. Para ello, se han ensayado diferentes mezclas bituminosas utilizando el ensayo Fénix y se ha estudiado la respuesta de éstas frente a los parámetros de rigidez, deformación, energía de fractura y tenacidad, los cuales están relacionados directamente con la resistencia a fisuración 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 seleccionar 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 ensayo Fénix, desarrollado por el Laboratorio de Caminos de la Universidad Politécnica de Cataluña. En estos estudios se ha analizado la repetibilidad y sensibilidad 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 estudiadas, tienen sobre los parámetros obtenidos por el ensayo (Pérez et al., 2010; Pérez et al., 2009; Valdés 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 considerar las 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 imperantes en el medio (Roberts et al., 1996; McGennis et al., 1994). El fallo por fatiga de las mezclas bituminosas es considerado uno de los más importantes y frecuentes en las mezclas asfálticas, y ocurre generalmente cuando el pavimento ha sido solicitado 219

4 V JORNADA Nacional ASEFMA 2010 hasta el límite por repetidas aplicaciones de ejes de carga. El problema que se presenta es que debido a la complejidad de los ensayos cíclicos que evalúan la respuesta de las mezclas asfálticas a la fatiga, esta propiedad no se considera usualmente 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 fisuración por fatiga. ESTUDIO EXPERIMENTAL El estudio experimental desarrollado en este trabajó se basó, en una primera parte, en establecer el grado 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 (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 mayor fragilidad, comparando su comportamiento a temperaturas medias de 20 ºC. Figura 1. Esquema ensayo Fénix y curva carga desplazamiento resultante. 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 (R T, 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: 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 finalidad de establecer zonas de comportamiento a fatiga de las mezclas bituminosas. PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES UTILIZADOS Ensayo Fénix 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, D map. Este índice indica 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: El objetivo principal del ensayo Fénix es la determinación de resistencia a la fisuración y tenacidad en las mezclas bituminosas. Con él se puede determinar una serie de parámetros que caracterizan las mezclas bituminosas frente a su resistencia al fallo por fisuración. Desplazamiento al 50% Fmax postpico, (D mdp, 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 220

5 COMUNICACIÓN 20 Aplicación del ensayo Fénix para dosificar mezclas resistentes al fallo por fatiga capacidad que tiene la mezcla evaluada de admitir deformación, puesto que a medida que las mezclas son más dúctiles, y por ende más deformables, se obtienen mayores valores de D mdp, mientras que para mezclas más frágiles se obtienen menores valores de D mdp. Energía disipada (G D, J/m 2 ): Se define como el trabajo total realizado en el proceso de fisuración, W D, dividido entre el área de ligamento o fractura, cuya dimensión está definidas por el espesor de la probeta, h, y la altura de la sección de rotura, l. La energía disipada en el proceso de fisuración se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación: El trabajo realizado, W D (kn mm.), se calcula por medio de la siguiente expresión: Donde, W D es el trabajo realizado en el proceso de fisuración, WFmax es el trabajo realizado hasta carga 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 flexotracción dinámica en tres puntos es determinar la ley de fatiga en deformación, con control de desplazamiento en mezclas bituminosas. Para la obtención de la ley de fatiga se consideran los 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 mínimos cuadrados se obtiene la ley de fatiga, de acuerdo a la siguiente ecuación: Donde, F es el valor de la fuerza aplicada, u el valor de desplazamiento y D R es el desplazamiento aplicado cuando la carga cae a 0,1 kn. Índice de tenacidad (I T, (J/m 2 ) mm): Se define como la energía disipada en el periodo de relajación o softening multiplicada por un factor de fragilidad, el cual corresponde al desplazamiento realizado desde la carga máxima, F max, 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 bituminosa, considerándose ésta como la capacidad de 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 comportamiento más frágil. Este parámetro se calcula mediante 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 aplicados, a y b son los coeficientes de la ley de fatiga en deformación (adimensionales). Figura 2. Ensayo de fatiga a flexotracción en tres puntos, UNE- EN (Anexo C). Otro parámetro importante determinado en el ensayo de fatiga es el módulo dinámico que se define como el cociente entre la amplitud cíclica de la función tensión, s c, y la amplitud cíclica de la función 221

6 V JORNADA Nacional ASEFMA 2010 deformación, e c. 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 DE RESULTADOS Correlación entre ensayos Fénix y Fatiga a flexotracción en tres puntos flexotracción. En este caso, las mezclas con menores rigideces o módulos dinámicos (I RT o MD) se sitúan en la parte inferior de la recta de tendencia. A su vez, las mezclas con mayores rigideces o módulos, como el caso de las confeccionadas con el ligante de menor penetración, B13/22, ensayadas 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- Los resultados obtenidos de la primera parte experimental se observan en la Tabla 1. El grado de correlación 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, obtenidos del ensayo Fénix y los valores de módulo dinámico, MD, obtenidos del ensayo de fatiga a Gráfica 1. Correlación entre Módulo Dinámico del ensayo de fatiga y el parámetro índice de rigidez a tracción del ensayo Fénix. Tabla 1. Resultados primera fase experimental. 222

7 COMUNICACIÓN 20 Aplicación del ensayo Fénix para dosificar mezclas resistentes al fallo por fatiga 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 bituminosas por medio de un procedimiento más sencillo. Este procedimiento se basa en la correlación parámetros de rigidez (I RT ) y desplazamiento (D mdp ), obtenidos 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 deformación en el ciclo 1 de la ley de fatiga, parámetro a, respectivamente. La gráfica 2 indica que las mezclas con una mayor rigidez, I RT, obtienen en el ensayo a fatiga una menor 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 obtienen una mayor pendiente de la ley de fatiga situándose en la parte alta de la recta de tendencia, como es el caso de las mezclas fabricadas con el ligante de mayor penetración, B60/70, y ensayadas 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 confeccionadas con los ligantes de mayor penetración ensayadas a la temperatura de 20 ºC. A su vez, se observa que las mezclas fabricadas con ligantes de menor penetración y ensayadas a bajas temperaturas se sitúan en la parte inferior de la recta de tendencia. 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. 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 energía 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 carga 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 deformación muy alta comparada con la de inicio de la fractura del material (carga máxima). Los materiales con comportamiento frágil se caracterizan por tener una ley de fatiga muy poco inclinada, casi horizontal, siendo el valor del coeficiente b de su ley de fatiga muy pequeño. Para estos materiales frágiles existe un rango de deformaciones muy reducido en los que el material falla por fatiga, por debajo de este rango el material no falla 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- 223

8 V JORNADA Nacional ASEFMA 2010 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 dúctiles 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 propagación 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 dimensionamiento analíticos. 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 I T y una pérdida de rigidez, I RT. En resumen si se buscan mezclas resistentes a la fisuración por fatiga y que sean más tenaces, deberán 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 rotura, o que es lo mismo, un alto índice de tenacidad. En las gráficas 4, 5 y 6 se han representado la variación de los parámetros del ensayo Fénix: índice de tenacidad, I T, deformación al 50% de la carga máxima postpico, D mdp, y la energía disipada en el proceso de fractura, G D, en función del índice de rigidez, IRT. En estas tres gráficas se han dibujado las curvas correspondientes a una mezcla tipo S-20 fabricada con dos betunes de diferente penetración, B 13/22 y B60/70, y ensayadas en tres temperaturas, -10, 5 y 20 ºC. En cada curva aparecen los resultados de los tres contenidos de betún evaluados (3.5, 4.5 y 5.5% s/a). Gráfica 4. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación IRT- IT a diferentes temperaturas de ensayo. En la gráfica 5 se ha representado la variación del parámetro desplazamiento al 50% de la carga máxima postpico, D mdp, con el índice de rigidez a tracción, I RT. Se observa, al igual que en el gráfico anterior, un incremento de este parámetro conforme aumenta el contenido de betún para cada mezcla ensayada, registrando a su vez un pérdida de rigidez. También se aprecia que las mezclas más rígidas, las confeccionadas 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 D mdp, 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 disipada va aumentando conforme aumenta el índice de Gráfica 5. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación IRT- Dmdp a diferentes temperaturas de ensayo. 224

9 COMUNICACIÓN 20 Aplicación del ensayo Fénix para dosificar mezclas resistentes al fallo por fatiga por debajo de 0.5 mm, con altos valores de rigidez, I RT. Sin embargo, las mezclas más dúctiles, las fabricadas con betún B60/70 ensayadas 5 y 20 ºC y la mezcla con betún B13/22 ensayadas a 20 ºC, presentan mayores valores de D mdp, 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, G D, y el índice de rigidez a tracción, I RT. 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 significativo 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 contenido 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, G D, y el índice de rigidez a tracción, I RT, de Gráfica 6. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación I RT - G D a diferentes temperaturas de ensayo. un total de 13 mezclas ensayas a diferentes temperaturas. 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, G D. En la zona 2, se observan mezclas con valores de rigidez intermedios, pero con altas diferencias en la energía que son capaces de disipar en el momento en que se produce la fisuración de éstas. Finalmente, en la zona 3, se sitúan las mezclas cuya rigidez es muy alta, pero como consecuencia de su fragilidad no pueden disipar gran cantidad de energía. Gráfica 7. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación I RT - G D a diferentes temperaturas de ensayo. 225

10 V JORNADA Nacional ASEFMA 2010 Del análisis de los resultados obtenidos se deduce que el ensayo Fénix puede ser empleado para valorar la resistencia a fisuración por fatiga de la mezcla cuando se procede a su diseño en el laboratorio. En función de la energía disipada, G D, y de su rigidez, I RT, podría valorarse su resistencia a la fisuración por fatiga, definiéndo una zona en la que están situadas las mezclas con mejor comportamiento a fatiga y dentro de esta zona se puede seleccionar las mezclas con mejor respuesta. Está claro que para similar rigidez, IRT, tendrán mejor comportamiento a fatiga aquellas mezclas que tengan una mayor energía disipada, G D, y tenacidad, I T. CONCLUSIONES Existe una buena correlación entre los parámetros obtenidos 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 tradicionales 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 distorsión a la hora de determinar una ley de fatiga. El ensayo Fénix puede caracterizar de una manera 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 capacidad de deformación, mediante los parámetros de índice de rigidez a tracción, IRT, y desplazamiento al 50% de la carga máxima postpico, respectivamente, 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 presentan 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 concretamente, a través del Programa CENIT. REFERENCIAS McGennis, R., Anderson, R., Kennedy, T. and M. Solaimanian: Background of Superpave Asphalt Mixture Design and Analysis. Publication No. FHWA-SA , November, Roberts, F., Kandhal, P., Ray Brown, E., Lee, D. and T. Kennedy: Hot MixAsphalt Materials, Mixture Design, and Construction. NAPA Education Foundation, Second Edition, Pérez, F., Botella, R. and G. Valdés: Experimental study on resistance to cracking of bituminous mixtures using the Fénix Test. 7th International RILEM Symposium on Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials (ATCBM09), Rhodes, Greece, Pérez, F., Valdés, G., Miró, R., Martínez, A. and R. Botella: Fénix Test: Development of a new Test Procedure for Evaluating Cracking Resistance in Bituminous Mixtures. In Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, in press, Transportation Research Board of the National Academies, Washington, D.C., Valdés, G., Pérez, F., Miró, R., Martínez, A. y J. Amorós.: Desarrollo de un nuevo ensayo experimental para la evaluación de la resistencia a tracción directa y la energía disipada en el proceso de fractura en mezclas asfálticas. XV CILA Congreso Iberoamericano del Asfalto, Lisboa, Portugal,