Estado Del Arte Del Deterioro Mecánico Del Asfalto

8/19/2019 Estado Del Arte Del Deterioro Mecánico Del Asfalto

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Estado del Arte del Deterioro

Mecánico del Asfalto Tecnología de materiales Civ-251

Profesora: Fabiola Pineda

Integrantes: Felipe Rivera Barrera 201354049-k

Esteban Opazo Verdugo 201311015-0

Roberto Opazo Verdugo 201311005-3

Hugo Navarrete Gómez 201211038-6

Luis Pavez Peña 201311037-1


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INTRODUCCIÓN

El asfalto es un producto negro, viscoso, pegajoso, que por sus propiedades y características tiene

actualmente toda una variedad de usos. Por su versatilidad y fácil manejo es ampliamente utilizado en

diferentes ramas de la construcción. El asfalto es un material de vital importancia en muchos ámbitos de la

construcción, sin embargo su mayor protagonismo reside en la utilización que ha tenido para la construcción

de carreteras en todo el mundo. La gran capacidad que tiene el asfalto como ligante entre agregados, su

condición impermeabilizante que protege al pavimento de la humedad y su gran resistencia a la acción de

esfuerzos ocasionados por las cargas vehiculares, han hecho que este material sea considerado imprescindible

en los proyectos de construcción de vías pavimentadas.

A pesar de la gran resistencia que posee el asfalto ante las cargas vehiculares, éste aun así experimenta fallas,

debido a la repetida acción de cargas sobre éste, lo que provoca agrietamientos y deformaciones permanentes

que se acumulan en todas las capas que componen la estructura vial.

Basándonos en lo último que se ha mencionado, en el presente informe se hará un estado del arte del

deterioro mecánico del asfalto, en donde se mencionarán las propiedades y características generales del

asfalto, se analizará detalladamente el comportamiento mecánico de los pavimentos asfálticos ante la acciónreiterada de cargas, se hablará sobre los principales tipos de deterioro mecánico, definiendo cada uno de ellos

y nombrando los más importantes; posteriormente se mencionarán los principales modelos que se han

propuesto durante los últimos años para analizar el comportamiento mecánico del pavimento asfáltico y para

predecir de manera empírica el comportamiento que tendrá ante un número determinado de cargas cíclicas.

Finalmente se nombrarán algunos tipos de ensayos que se han utilizado para la elaboración de los distintos

modelos de predicción, en donde se nombrarán y se describirán los más importantes.

El objetivo es hacer un estudio de los tipos de deterioro mecánico del asfalto, de las causas que provocan

estos deterioros en los pavimentos asfálticos y de los modelos que se utilizan para la comprensión del

comportamiento mecánico del asfalto ante determinados factores, ya que conocer esto, en el ámbito de la

ingeniería civil, es muy importante si se quieren emplear técnicas de reparación que permitan mantener los

pavimentos en condiciones adecuadas para el uso cotidiano.


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ASFALTO: ASPECTOS GENERALES

El asfalto, también denominado betún, es un material

viscoso, pegajoso y de color negro. Se utiliza mezclado con

arena o gravilla para pavimentar caminos y como

revestimiento impermeabilizante de muros y tejados. El

asfalto se encuentra en depósitos naturales, pero casi todoel que se utiliza hoy es artificial, derivado del petróleo. Para

pavimentar se emplean asfaltos de destilación, hechos con

los hidrocarburos no volátiles que permanecen después de

refinar el petróleo para obtener gasolina y otros productos.

Si bien el asfalto es un material viscoso que se puede utilizar

como revestimiento impermeabilizante de muros y tejados.

En este informe nos vamos referir precisamente al hormigón asfaltico utilizado en vialidad.

El hormigón asfaltico consiste en un agregado de asfalto y materiales minerales, los cuales consisten en una

mezcla de áridos.

No solo por sus propiedades mecánicas se utiliza para la construcción de carretera sino que por su gran

impermeabilidad la cual evita que las fundaciones de las vías colapsen por hundimiento. Si bien esta es una

de las grandes fallas en vialidad, en este informe nos concentraremos en el deterioro del tipo mecánico: cargas

automovilísticas las cuales se caracterizan por ser a baja y alta temperatura, otro factor interesante al

momento de analizar el deterioro es la frecuencia con la que se repiten estas mismas, además de la fatiga en

el mismo pavimento

COMPORTAMIENTO DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS

El comportamiento de estas mezclas

ante un proceso de carga es mediante

el desarrollo instantáneo de

deformaciones específicas de tipoelástico seguidas luego por otras de

tipo viscoso y dependientes del

tiempo. Durante la descarga, la

deformación elástica se recupera en

forma inmediata y luego se recuperan

otras deformaciones,

fundamentalmente de tipo

viscoelástica que dependen del

tiempo para quedar finalmente una

deformación plástica irrecuperable. Si

la carga que se aplica es de tipo cíclico la acumulación de deformaciones plásticas se va produciendo en forma

gradual a lo largo del tiempo en que se aplique la solicitación.

TIPOS DE DETERIORO MECÁNICO DEL CONCRETO ASFÁLTICO

a DEFORMACIONES PERMANENTES

El asfalto es un material que puede ser considerado elástico – lineal a temperaturas bajas y frecuencias de

carga altas, pero muestra propiedades viscosas y plásticas a temperaturas mayores. Debido a este

comportamiento, las cargas repetidas del tránsito generan deformaciones permanentes en las capas

asfálticas, especialmente durante el periodo de verano, donde las temperaturas son mayores. Las

deformaciones permanentes o ahuellamientos son el deterioro caracterizado por la existencia de una sección

transversal de la superficie que ya no ocupa su posición original. Se llama deformación permanente pues

representa la acumulación de pequeñas deformaciones producidas con cada aplicación de carga y que sonirrecuperables. En las mezclas asfálticas son uno de los modos de falla más frecuentes que se producen sobre

los pavimentos y consisten en una depresión canalizada en la huella de circulación de los vehículos. Los

pavimentos asfálticos ahuellados tienen una seguridad deficiente y representan un serio peligro a los

vehículos que transporten por estos, dado que los surcos que se forman retienen suficiente agua como para

provocar hidroplaneo o acumulación de hielo, además de desniveles que podrían afectar la conducción.

El comportamiento de las mezclas asfálticas con respecto a las deformaciones permanentes depende

fuertemente del tipo de ligante utilizado, así como de la composición de la mezcla, forma y tamaño de las

partículas, así como de la calidad de los agregados y aditivos (cuando éstos son empleados). Dentro de los

factores que afectan a la deformación permanente se encuentran la temperatura, el ancho de carriles y la

velocidad del tránsito.


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Después de la fase de consolidación al comienzo de la vida de servicio del pavimento, el índice de

deformaciones permanentes normalmente decrece con un incremento en las repeticiones de carga, hasta

que se vuelve razonablemente constante. Finalmente, el índice de deformación permanente puede comenzar

a incrementarse con un aumento en las repeticiones de cargas. Esta última fase ocurre sobre el camino sólo

en situaciones extremas, e indican deterioro total.

Una de las formas de deterioro más fuertemente asociada a los mecanismos de falla que se generan por laacumulación de deformación permanente en la superficie y que abordaremos en esta investigación es la

formación de roderas. Existen dos principales tipos de roderas: roderas por fallas en la subrasante y roderas

por fallas en la capa de asfalto (Figura 0-0).

El perfil transversal de la

deformación es diferente en

cada caso, ya sea por falla en

la subrasante o por falla en la

capa (o mezcla) asfáltica, y es

relativamente fácil de

distinguir cuando se produce

uno u otro. Cuando la

deformación proviene de la

subrasante debilitada la

mezcla asfáltica acompañará

dicha deformación

observándose un descenso

del nivel de la mezcla

coincidente con la huella de

circulación. Por su parte cuando la

deformación es debida a la capa

asfáltica se produce, además del descenso de la mezcla en coincidencia con la huella, un ascenso de la misma

en los laterales de la huella de circulación. Este tipo de movimiento no es ni más ni menos que una típica falla

de corte.

Si realizamos un enfoque más general, también se podrían clasificar estas deformaciones permanentes según

el comportamiento estructural que presente el pavimento, entre las cuales brevemente definimos a las

siguientes:

-Deformación Elástica: Ocurre cuando una carga deforma temporalmente los materiales de la cimentación y

comprime el aire que llena los vacíos en la base, subbase y subrasante. Si la deformación fuera realmente

elástica, la superficie regresa a su posición original después de que la carga pasa, por lo que no se produce

una falta de uniformidad permanente, aún bajo aplicaciones de carga.

-Deformación por Consolidación: Se trata de deformaciones cerca del centro de la carga asociada sin el

acompañamiento de elevaciones laterales, que ocurren cuando la carga produce una presión suficientemente

elevada en los poros del suelo para expulsar parte del aire y agua, con lo que se consolida el material. La

deformación progresa con las repeticiones adicionales de carga hasta que las capas afectadas se consolidan.

-Deformación Plástica: Aparecen cuando la presión del agua y del aire dentro de los poros del material de

cimentación u otros, se combinan con fuerzas producidas por la carga para desplazar el material del camino.

La deformación provocada es progresiva bajo la repetición de las cargas, manifestándose mediante una

depresión cerca del cetro de la carga aplicada, con elevaciones a cada lado de la depresión.

-Deformación Mecánica: Corresponde al asentamiento de las capas inferiores, que puede acompañarse por

grietas en las capas de pavimento. Ocurre cuando la estructura del pavimento no está bien construida o

proyectada.

A continuación, ahondaremos más en los dos tipos de fallas por roderas que se mencionaron en un principio,

y que son el principal foco de atención por deformaciones permanentes.

Roderas por fallas en la subrasante

Este tipo de roderas son causadas por un

excesivo esfuerzo repetido en las capas

interiores (base o subbase) bajo la capa de

asfalto (Figura 0-1), la que posteriormente

cede y se deforma. Si bien los materiales

duros pueden reducir parcialmente este tipo

de roderas, es considerado un problema

estructural más que de los materiales en sí.

Este problema generalmente es el resultado

de una sección de pavimento demasiado

delgada sin la suficiente profundidad para

Figura 0-0 Fallas en capas del Pavimento Asfáltico


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reducir, a niveles tolerables, las tensiones y esfuerzos sobre la subrasante cuando las cargas son aplicadas.

También puede explicarse por una escasa compactación de las capas de suelo o el ingreso de agua o por la

intrusión de humedad, lo cual debilita y afecta a la subrasante. Por ende, la deformación en este caso ocurre

en la subrasante más que en las capas de asfálticas.

Roderas por fallas en la capa de asfalto El tipo de roderas que más preocupa a los diseñadores de mezclas asfálticas es la deformación de las capas de

asfalto. Esta deformación es el resultado de una mezcla de asfalto sin la suficiente capacidad de resistencia alcorte para resistir cargas pesadas repetitivas (Figura 0-2). Una mezcla débil va acumulando pequeñas (pero

permanentes) deformaciones con cada vehículo de peso considerable que pasa, como por ejemplo un camión,

y eventualmente forma una ruta caracterizada por una inclinación y deslizamiento lateral de la mezcla. Las

roderas pueden ocurrir en el curso de la superficie de asfalto, o bien las roderas que se ven en la superficie

pueden ser causadas por el debilitamiento de alguna de las capas bajas de asfalto.

Las roderas de una mezcla asfáltica débil

ocurren típicamente durante el verano, bajo

temperaturas altas del pavimento. Mientras

esto podría sugerir que las roderas del

cemento asfáltico son un problema causado

por el sol, es más correcto pensar que sonuna combinación entre la resistencia de los

agregados minerales y el cemento asfáltico.

Este tipo de deformaciones permanentes se

producen primero con un cambio de

volumen debido a la compactación por el

paso del tránsito; luego se producen deformaciones a volumen constante por flujo de la mezcla. Finalmente,

se produce un tercer estado denominado como “tercer flujo” en el cual la mezcla pierde la capacidad de tomar

carga y se deforma rápidamente, este proceso está asociado con cambios de volumen en la mezcla asfáltica.

Fallas que se presentan por Deformaciones permanentes

A continuación se mencionarán y explicarán las principales fallas que son posibles de encontrar en los

pavimentos asfálticos y que son catalogadas como deformaciones permanentes. Además cada una de ellas

incluye una imagen para ejemplificarlas.

-AhuellamientosSon depresiones canalizadas que se forman bajo las huellas de las ruedas

de los vehículos. Los ahuellamientos pueden producirse por la

consolidación o por el movimiento lateral de una (o más) de las capas

inferiores, o bien por desplazamientos en la propia capa asfáltica

superficial. Pueden desarrollarse bajo la acción del tránsito, sobre todo en

los pavimentos asfálticos nuevos que han tenido poca compactación

durante la construcción.

-Ondulaciones y desplazamientos La ondulación es una forma de movimiento tipificada por “ondas” que se

presentan en la superficie del pavimento asfáltico. El desplazamiento es

una forma de movimiento plástico consistente en un hundimiento y

levantamiento localizado de la superficie del pavimento. Generalmente

ocurren en los sitios donde los vehículos frenan durante alguna bajada, en

las curvas cerradas y donde los vehículos golpean un resalte. Las

ondulaciones y desplazamientos normalmente se producen en las capas

asfálticas que carecen de estabilidad, la que a su vez se debe a que la

mezcla del concreto asfáltico es demasiado rica en asfalto. También puede

ser ocasionada por la alta proporción de agregados finos, o debido a que la

superficie del pavimento tiene una superficie demasiado lisa.

-Depresiones en la rasanteLas depresiones son áreas bajas localizadas y de tamaño reducido que

pueden estar o no acompañadas de fisuras. Penetran varios

centímetros (desde 2 cm a más) por debajo de la rasante, provocando

así que el agua se estanque en ellos. Pueden ser ocasionadas por un

tránsito de vehículos más pesados que los considerados para el diseño

del pavimento o bien por haberse empleado métodos constructivos

deficientes.


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-LevantamientosEl levantamiento es el desplazamiento localizado de un

pavimento hacia arriba, debido al hinchamiento de la

subrasante o de alguna parte de la estructura del pavimento.

Son causados principalmente por la expansión del hielo en las

capas inferiores del pavimento o de la subrasante. También

pueden ser causados por el hinchamiento de los suelosexpansivos debido a la humedad.

b AGRIETAMIENTO POR FATIGA

La fisuración o agrietamiento por fatiga de las capas de mezcla asfáltica es uno de los mecanismos de deterioro

más frecuente en los pavimentos flexibles. En ingeniería, la fisuración, y en especial, el fenómeno de fatiga,

están asociados al deterioro que se produce en un material a consecuencia de la aplicación de cargas repetidas

con una magnitud muy inferior a la resistencia máxima que puede soportar el material.

El efecto por fatiga puede generarse por diferentes razones, dentro de las más comunes se presentan porcalidad de las mezclas asfálticas e insuficiencia del espesor.

La fatiga en las mezclas bituminosas o asfálticas se traduce en una pérdida de su resistencia y se pone de

manifiesto por la disminución de la rigidez y por las fisuras generalizadas causadas por el aumento de las

deformaciones superficiales elásticas. Es por este motivo, que para el dimensionamiento de un firme es

necesario conocer el comportamiento y la resistencia a fatiga que tendrán todas las capas de la mezcla

asfáltica que componen el pavimento.

Se ha identificado que las primeras fisuras encontradas en el pavimento son fisuras de tipo longitudinal; así

pues, los daños son causados por las tensiones transversales. Consecuentemente, las tensiones transversales

son más perjudiciales que las longitudinales en las mismas condiciones. Posteriormente, las fisuras

transversales se reproducen hasta que se llega a la denominada fisuración generalizada del pavimento (“piel

de cocodrilo”).

Tipos de fisuras por fatiga

Fisuras Longitudinales:

Corresponden a fisuras predominantemente paralelas al eje de la vía y localizadas en áreas sujetas al tránsito

vehicular (huellas del tránsito). El fisuramiento se inicia en la superficie de las capas asfálticas y evolucionan

en sentido descendente.

Las causas más comunes de este tipo de deterioro son los altos esfuerzos horizontales de tensión producidos

por las llantas de los vehículos pesados, así como una baja rigidez de la capa asfáltica superior, a causa de las

altas temperaturas superficiales.

Fisuras Piel de Cocodrilo:

Corresponden a una serie de fisuras interconectadas que se generan

formando polígonos irregulares de ángulos agudos, generalmente

localizadas en áreas sujetas al tránsito vehicular. El fisuramiento se inicia

en la parte inferior de las capas asfálticas donde los esfuerzos y las

deformaciones de tensión producto de las cargas repetidas de tránsito,

alcanzan su mayor magnitud.

La causa principal de estas fisuras es la fatiga de las capas asfálticas

sometidas a repeticiones de cargas en un mismo sitio, superiores a las

permisibles. Otra causa puede ser la insuficiencia estructural del

pavimento.


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MODELOS DEL DETERIORO MECÁNICO DEL CONCRETO ASFÁLTICO

1 Modelos semi-empíricos

Los mecanismos fundamentales de la fatiga de un AC (Asphalt Concrete; Concreto Asfáltico) son complicados.

En general, la fatiga es la acumulación de daños (en el sentido amplio) en los materiales bajo el efecto de la

carga repetida. La acumulación de fatiga por daños en mezclas de AC resulta en el agrietamiento, que es unode los principales deterioros mecánicos en pavimentos flexibles.

Las propiedades de la fatiga de AC se obtienen habitualmente mediante ensayos de laboratorio de carga

repetida. La ley de Paris (que se detalla en “The Uzan Model”) juega un papel importante en la vinculación de

la tasa de crecimiento de la grieta a la deformación por tracción desarrollada en la mezcla asfáltica. Además,

se han desarrollado modelos de fatiga basados en daño continuo o fractura mecánica. La ley de París también

se utiliza para vincular la tasa de crecimiento de la grieta a la degradación de los indicadores de tenacidad de

la fractura tales como el factor de intensidad de tensiones cuando se considera LEFM (Linear elastic fracture

mechanics)

a) Modelos fenomenológicos empíricos

Los modelos de esta categoría fueron desarrollados en base a los datos experimentales para vincular la vidade la fatiga (número máximo permitido de repeticiones Nf) a la deformación por tracción y el módulo de E *

dinámico de un AC. Una formulación típica puede representarse como:

−|∗|− En qué ,, son coeficientes de regresión. Un criterio de fallo típico para vida de la fatiga en unadeformación específica es la repetición de carga en el que los AC pierden su módulo en un 50%. Si = ypara los ensayos de tensión directa, ∗− −

Modelo de Monismith

Monismith (1969) propuso un modelo con el siguiente formato:

( 1 ) ( 1 )

Donde es la rigidez a la flexión, K es un factor que reconoce la influencia del contenido de asfalto y gradode compactación; = deformación por tensión aplicada, y a, b son coeficientes determinadosexperimentalmente.

Modelo de Shell

0.856 1.08−.

−

Donde =vida de la fatiga; = deformación por tensión; =rigidez a la flexión de la mezcla; y =Contenido de asfalto por volumen.

Modelo del “Asphalt Institute”

∗ 10[.−.] ∗ 0.004325 ∗ −. ∗ 0.856 1.08−. Donde =vida de la fatiga; =Factor de cambio para convertir los resultados de los test de laboratorio alcampo de resultados esperados (el factor recomendado es de 18,4 para un área agrietada del 10%); =deformación por tensión aplicada; =rigidez a la flexión de la mezcla; and VFB = huecos llenos de betún.Modelo de Tayebali (1996)

∗ 2.738 × 10 ∗ . ∗ −. ∗ ,,−. Donde =Factor de cambio para convertir los resultados de los test de laboratorio al campo de resultadosesperados (el factor recomendado es de 10 para un área agrietada del 10% y 14 para un 45%); e=base del

logaritmo natural; VFB = porcentaje de huecos llenos de betún; = nivel de deformación; y ,,= pérdida derigidez medida en flexión.

Modelo de Medani y Molenaar (2000)

( 1

)


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20.541 0.346 0.03524

log 6.589 3.762 3209 2.332log 0.149 0.928 0.0721&

Donde =coeficiente; = deformación inicial por tensión; m=pendiente de la curva de la mezcla maestra derigidez; &= punto de ablandamiento para aglutinante (determinado por una prueba de anillo y bola) (° C);= rigidez de la mezcla (Mpa); n= parámetro de fractura; = contenido de vacíos de aire (%); =Volumende aglutinante (%).

b) Modelos de la Mecánica de la fractura

Los modelos de fractura hechos usan la ley de propagación de grietas tanto para la mecánica de fractura

elástica lineal como para la mecánica de la fractura no lineal. Para LEFM se utiliza a menudo la ley París. Para

la mecánica elástica no lineal, se utiliza generalmente la J-integral.

Modelo de Uzan

Uzan (2007) modeló el agrietamiento por fatiga como un proceso de dos etapas que consiste en la iniciaciónde grietas y la propagación de grietas. La etapa de iniciación de grietas se caracteriza por ensayos de fatiga de

laboratorio convencionales; mientras que la etapa de propagación de grietas es descrita usando la ley de Paris-

Erdogan.

Uzan adoptó el modelo desarrollado por Tayebali (descrito más arriba) para modelar la iniciación de la grieta.

La Ley de Paris-Erdogan Δ fue usada como modelo de la propagación de la grieta para evaluar el

número de repeticiones de cargas necesarias para propagar la grieta. Donde c= largo de la grieta; N=número

de repeticiones de la carga; Δ=diferencia entre el máximo y mínimo del factor de intensidad de esfuerzo K;y A, n = Propiedades del material.

Fractura Mecánica no lineal

Para la mecánica de fractura no lineal, se considera la deformación plástica. Un parámetro comúnmente

utilizado para la caracterización del comportamiento no lineal es la J-Integral, que puede ser utilizada tanto

como un parámetro de energía como un parámetro de intensidad de esfuerzos.

∫

Donde W= densidad de energía de deformación, Γ= contorno, y ds= diferencial de longitud a lo largo delcontorno, Al igual que el factor de intensidad de esfuerzos K en la mecánica elástica lineal, la tasa de

crecimiento de la grieta es una función de J en vez de K en la mecánica de la fractura no lineal.

c) Modelos basados en el daño

Los modelos de esta categoría se basan en el concepto de daño acumulativo.

Modelo de Castro y Sanchez

Castro y Sánchez (2008) propusieron un modelo fenomenológico basado en la teoría de daño continuo. Se

usó el ensayo tres puntos de fatiga por flexión para determinar los parámetros de la ecuación que se muestra

a continuación:

∙ ∙ Donde N es el número de ciclos de carga; es la deformación inicial; a, b y c son parámetros del concretoasfáltico determinados experimentalmente; D es el parámetro de daño,

|∗|−|∗|

∗ definido como la pérdida

de la norma del módulo complejo que toma lugar en una muestra durante un ensayo.

Modelo de Bodin

Bodin (2004) propuso un modelo de daño no local para predecir la el agrietamiento del pavimento por fatiga.

El modelo matemático utilizado para describir el daño mecánico es un modelo de daño basado en la

elasticidad de la fatiga.

∙ 1̅ + con ; ∑ ̅ + 1

Donde d es la variable de daño, ̅ es la amplitud de la deformación equivalente durante un ciclo; F(d) es lafunción escalar de daño; y es un parámetro del modelo.


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Los desarrollos permiten la consideración de cualquiera de las pruebas de control de estrés o tensión, que

dan los mismos resultados analizados. Un ejemplo de simulación de daños no lineal para un ensayo de fatiga

de esfuerzo controlado se presenta en la siguiente figura 3.3.

El modelado de este comportamiento de daño con

la ley DBN se puede hacer considerando que los

módulos iniciales de cada cuerpo EPi toman encuenta la fatiga por una ley de daños del siguiente

tipo:

ó, Donde : Daño del cuerpo tipo EP i en el ciclo N : Amplitud de la deformación en el ciclo N

b) Acumulación de deformaciones

permanentes

Las deformaciones permanentes, que crean formación de surcos en la carretera, tienen dos orígenes

diferentes:

1. La primera de ellas se puede observar durante el ensayo

de fluencia.

2. El segundo es puramente relacionado con el efecto

cycling, que crea una reorganización específica del

esqueleto granular.

Un experimento adaptado fue especialmente desarrollado

para cuantificar estas dos contribuciones (Neifar, 2002).

Modelar el primer efecto es posible cuando se considera laley viscoplástica clásica del tipo: ε = f (σ). El segundo

fenómeno, que es más complejo de caracterizar, puede ser

modelado con la ley DBN considerando que una

deformación no viscosa acumulada se introduce en el

modelo del cuerpo EPi.

De manera separada a los demás modelos se presenta uno construido a partir del análisis de elementos finitos

en 3d:

Modelo construido a partir del análisis de elementos finitos

En los últimos años, varios estudios analizan el comportamiento de los pavimentos flexibles asfalticos

desarrollando modelos de elementos finitos 3D, que son capaces de determinar con precisión tensiones y

deformaciones en pavimentos causadas por cargas aplicadas.

A diferencia de la mayoría de los métodos descritos anteriormente, este método puede ser una herramienta

de análisis complejo y costoso; Por tanto, es empleado sólo cuando se necesitan resultados y simulaciones

precisas de los problemas de pavimento. Además, este método permite considerar parámetros como por

ejemplo, la carga dinámica, discontinuidades, tales como grietas y articulaciones, comportamiento

viscoelástico y elástico no lineal, fundaciones rígidas, sistemas de amortiguación y la propagación de grietas.

Como ejemplo de aplicación se presenta el caso de los efectos de los fuertes impactos repetidos causados por

ruedas del tren de aterrizaje de aviones en los pavimentos de los aeropuertos. En particular, el papel

implementado un modelo 3-D para simular el comportamiento del pavimento bajo aterrizaje de aviones, con

el fin de investigar la relación entre la profundidad de la formación de surcos y el número de cargas.De manera simplificada se presentan fórmulas matemáticas utilizadas:

,, Donde (deformación) es una función del esfuerzo, temperatura y tiempo.Donde también la velocidad de deformación queda representada por:

̇ ∗ ∗ Donde

= Tasa de deformación uniaxial equivalente= Tensión desviadora equivalente uniaxial Tiempo total

A, n, m = usuario define constantes que son funciones de la temperatura.

A y n deben ser positivos con 1 < ≤ 0 Temperatura debe ser constante


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Para la estimación de la tensión se utiliza una malla cúbica, donde el grado de refinamiento es lo más

importante en la estimación del campo de tensiones en el pavimento: la más fina malla se requiere cerca de

las cargas para capturar los gradientes de tensión y deformación. La malla que se presenta tiene 69090 nodos

y 64124 elementos. En el modelo el elemento infinito se utiliza para representar el límite infinito en la

dirección de aterrizaje. La malla de elementos finitos considerado para el análisis se muestra en la siguiente

figura.

Para este caso las cargas se han aplicado sobre la superficie del pavimento con una presión máxima de 1.060

kPa y la distribución sobre la longitud de contacto se ilustra en la Figura 6.a.

Por simplicidad, se utilizó la curva de puntos para representar la distribución de la presión de contacto para

cada neumático en la simulación.

Dentro de cada ciclo, la carga se aplicó con un tiempo de duración de 0,01 segundos con el fin de simular la

velocidad de aterrizaje de aeronaves.

Para

analizar el comportamiento de la estructura del pavimento bajo ciclos de carga repetidas, en la simulación de

la carga fue retirado durante 1,0 segundos como se muestra en la figura 6.b.

Los resultados de la simulación se ilustran en las siguientes figuras. El desplazamiento se considera como una

respuesta de la aplicación de cargas repetidas. La magnitud final del desplazamiento U por debajo del centro

de la carga después de 1000 ciclos de carga es 0.39 mm


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La figura 8 muestra la deformación permanente (ahuellamiento) a través de la sección transversal bajo el

centro de embarque de los distintos ciclos de carga. La figura ilustra que la deformación permanente aumenta

junto con el aumento del número de ciclos de carga. Este resultado demuestra que el modelo es cap az de

capturar el comportamiento del pavimento bajo cargas repetidas.

La Figura 9 muestra la relación entre la profundidad ahuellamiento (mm) y el número de ciclos de carga (N).

Esta figura muestra que la tasa de acumulación de ahuellamiento se hace más pequeño con un aumento de

los ciclos de carga. Además, después de N = 500, el material de asfalto llega a la etapa de fluencia secundaria.

El análisis de elementos finitos de estructuras de pavimento, si es validada, puede ser muy útil, se puede

aplicar directamente para estimar parámetros de respuesta del pavimento sin recurrir a costosos

experimentos potencialmente de campo. Se pueden obtener correlaciones precisas entre lo calculado

teóricamente y los parámetros de respuesta en campo medido

Avances futuros de investigación se pueden hacer en la dirección de un mejor perfil del comportamiento del

pavimento bajo tensión, en función de las diferentes combinaciones de variables como temperatura, tipo de

neumático y la presión


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ENSAYOS: RESPALDO DE MODELOS SEMI-EMPÍRICOS

La mayoría de los modelos matemáticos utilizados en el deterioro mecánico del asfalto son completamente

empíricos es decir la gran mayoría fue determinado desde el ensayo es por eso que haremos un repaso por

todos estos.

Ensayo de creep estático en compresión axial y triaxial: Elensayo de creep con o sin confinamiento lateral y con carga

estática ha sido muy utilizado para evaluar las características de

las mezclas asfálticas, sus resultados fueron muy utilizados para

evaluar los modelos de ahuellamiento. Se caracteriza por ser uno

de los ensayos más ampliamente utilizados debido a su

simplicidad. Sus resultados expresan la evolución de la

deformación específica permanente en función del tiempo para

una carga aplicada y temperatura de ensayo.

Descripción: se somete a las probetas de hormigón asfaltico (tipo

Marshall) a una compresión vertical localizada con carga

estática. Si bien el ensayo no debería ayudar al comportamiento del asfalto al tratarse de una cargalocalizada y estática se pueden realizar similitudes con el ahuellamiento producido por el

comportamiento vehicular.

Ensayo de creep en compresión axial y triaxial con carga pulsante : Para representar de mejormaneras las condiciones a las que se encuentra expuesto el hormigón asfaltico es que se utiliza un

ensayo con carga pulsante ya que refleja de mejor manera los estados reales.

Descripción: se aplican cargas repetidas tanto axiales como laterales para pulsos de carga con

distintas formas, para rangos de 0.5 a 1 segundo, se incorporan ciclos de descanso entre los distintos

ciclos y se miden las deformaciones permanentes.

Dejando un poco de lado los ensayos por compresión que sirven para determinar propiedades dinámicas,creep, pasaremos a ensayos que reflejan las condiciones de fatiga del asfalto

Ensayo de tracción indirecta por compresión diametral concarga pulsante: consiste en someter a compresión en sumanto a probetas cilíndricas, este tipo de ensayo ha

alcanzado un gran desarrollo a nivel de técnica vial mundial,

destinado para determinar el módulo de deformación y la

resistencia a la fatiga de mezclas asfálticas. Las ventajas que

tiene de aplicación es que es sencillo de efecturar, posee

buena repetibilidad con bajo coeficiente de variación de sus

resultados y es que pueden efectuarse ensayos con cargas

pulsantes o en condición de carga estática.

Ensayo de rueda cargada o Wheel tracking test: es un

ensayo que se encuentra dentro de los catalogados ensayos de simulación el cual sirve para alcanzar

una validación correcta entre lo que sucede en el laboratorio y en la práctica.

El procedimiento general del ensayo consiste en medir la velocidad de deformación o la deformación

vertical que se produce en una probeta de mezcla asfáltica, prismática o cilíndrica, ante la aplicación

de una carga dinámica aplicada mediante una rueda cargada.

Las variantes de este ensayo preceden de acuerdo al origen de sus equipos y laboratorios

1. Georgia loaded Wheel tester: desarrollado a mediados de

los 80 para ensayar lechadas de asfalto para así realizarensayos de medición de ahuellamiento en laboratorio así

como también control de calidad en obras de mezclas

asfálticas en caliente. La metodología consiste en la

aplicación de una carga de aproximadamente 450 [N] a

través de una rueda metálica sellada con una neumática,

ubicada sobre la muestra.


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CONCLUSIÓN

El concreto asfaltico es un material que puede ser considerado elástico – lineal a temperaturas bajas y

frecuencias de carga altas, este muestra propiedades viscosas y plásticas a temperaturas mayores. Debido a

este comportamiento, las cargas repetidas del tránsito generan deformaciones en su estructura las cuales son

perjudiciales para su funcionamiento.

EI trabajo del ingeniero civil en el diseño del concreto asfaltico involucra el análisis teórico y el cálculo de

esfuerzos y deformaciones en lugares críticos, como resultado de las aplicaciones de carga originadas por las

ruedas de los vehículos. La condición más crítica, es cuando la rueda se encuentra exactamente encima del

punto de análisis. En dicho punto, los esfuerzos cortantes son nulos y únicamente actúan los esfuerzos

normales, obteniéndose un estado triaxial de esfuerzos. Por lo tanto, en el laboratorio se realizan toda clase

de pruebas que buscan reproducir o simular esta condición de esfuerzos, considerada la más desfavorable.

Por otro lado cuando los neumáticos de los vehículos se apoyan sobre el concreto asfaltico producen una

huella de forma distinta para cada tipo de neumático, presión de inflado, carga por rueda, velocidad y estado

de la superficie que a la larga genera las fallas por ahuellamiento. Cuando está en movimiento, además de

variar la forma de la huella, aparecen solicitaciones distintas a las verticales, que son las que existen cuando

el vehículo está detenido o con movimiento uniforme: aparecen esfuerzos horizontales debido al rozamiento

y a los cambios de trayectoria, succiones de agua contenida en la sección estructural y esfuerzos verticales deimpacto por efectos del movimiento del vehículo.

Si bien el comportamiento del asfalto es algo irregular en el tiempo debido a los argumentos descritos más

arriba como las condiciones climáticas, carga por rueda, velocidad. Hemos repasado en este trabajo una serie

de modelos semi-empiricos los cuales permiten modelar deterioro mecánico en el asfalto como la vida de

fatiga, acumulación de fatiga y fallas de ahuellamiento, también se ha encontrado que para el mismo deterioro

se pueden encontrar distintos modelos, esto nos indica que la investigación del asfalto no está completa y se

pueden seguir desarrollando modelos y procedimientos que nos entregan una mejor predicción de cómo y

dónde se va a deteriorar el concreto asfaltico.


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