Compactador para elaborar especimenes para la prueba de la deformacion permanente de muestras asfálticas

Resumen del proyecto

Los ensayos de laboratorio tratan de reproducir lo mejor posible las condiciones de solicitaciones in situ, e incluyen generalmente distintas posibilidades de ensayo de muestras, en nuestro caso mezclas asfálticas, bajo los diferentes estados de tensiones, temperatura, humedad, compactación, etc. Y aunque existen varios el que observamos serán los ensayos de rueda cargada o wheel-Tracking Test, aplicada bajo la Humburg weel-track Testing Of Compacted Hot-Mix Aspha Lt.

El equipo de ensaye para la rueda de Hamburgo y en especial los especimenes a ensayar elaborados en el laboratorio, no muestran su elaboración ni una homologación en cuanto a sus características de formas, compactación y contenido de vacíos, mucho menos muestra los moldes de compactación y base de sujeción.

Este trabajo muestra las características homogéneas para los especimenes elaborados en el laboratorio y el equipo de trabajo para tal fin, que cumpla con la norma AASHTO T324-04, bajo las especificaciones de la ESTANDARD SPECIFICATIONS FOR TRANSPORTATION AND METHODS OF SAMPLING, con lo cual se logrará la reducción de los costos de inversión.

OBJETIVO GENERAL

|Desarrollar y elaborar un prototipo de compactador y molde base para la elaboración de especímenes homogéneos de laboratorio para la realización de la prueba de Hamburgo, HAMBURG WEEL-TRACK TESTING OF COMPACTED HOT-MIX ASPHA LT."HMA", a bajo costo.

Introducción

El proceso de diseño de los pavimentos por métodos mecanísticos-empíricos, al igual que para otras estructuras de la ingeniería civil, se basa en la determinación de distintos esfuerzos críticos que, introducidos en diferentes leyes de falla, permiten establecer si para el periodo del proyecto, los deterioros de los pavimentos se mantendrán dentro de ciertos límites de aceptabilidad que no afecten el nivel de servicio ofrecido al usuario. Si esta condición no se verifica, deberá modificarse adecuadamente los espesores o material empleados en una o más capas de los componentes. El criterio de falla empleado para nuestro caso es el de la acumulación de deformaciones permanentes.

Este último modo de falla conduce a la formación de "ahullamientos" o deformaciones plásticas en capas de rodadura de pavimentos asfalticos, o también conocidas como "roderas", que comprometen el confort y la seguridad, y en consecuencia la calidad de circulación de los usuarios especialmente en día de lluvia, donde la acumulación de agua hace altamente riesgosa la conducción de los vehículos.

Si bien este fenómeno afecta a todas las capas de la estructura, su influencia puede ser minimizada en las capas superiores mediante una adecuada dosificación, formulación y construcción de las mismas. Detectado todo esto mediante las pruebas de ensayo en el laboratorio. A continuación daremos un breve repaso de la deformación, para después ver la importancia que tiene la preparación de los especímenes para una correcta prueba de ensayo.

Definición de deformación plástica

Las deformaciones plásticas son canales que se forman a lo largo de la trayectoria longitudinal de circulación de los vehículos, exactamente en las huellas por donde ruedan los neumáticos sobre el pavimento. Representan la acumulación de pequeñas deformaciones permanentes producidas por aplicaciones de carga provenientes del mismo rodado de los vehículos sobre la superficie del pavimento y es uno de los tipos de deterioro que más preocupa dentro del estudio del comportamiento de las mezclas asfálticas en caliente.

Dada la forma tradicional de estructuración de los materiales que conforman el pavimento, la deformabilidad suele crecer hacia abajo, esta interesa sobre todo a niveles profundos, pues es relativamente fácil que las capas superiores tengan niveles de deformaciones tolerables aun para los altos valores de esfuerzos que en ellas actúan.

En pavimentos, las deformaciones interesan desde dos puntos de vista: por un lado, las deformaciones excesivas están asociadas a estados de falla, y por otro, porque es sabido que un pavimento deformado puede dejar de cumplir sus funciones, independientemente de que las deformaciones no hayan conducido a un colapso estructural propiamente dicho (Rico A., Del Castillo H., 1992).

Las deformaciones plásticas se caracterizan principalmente por una sección transversal de la superficie que ya no ocupa su posición original, asociado a temperaturas relativamente altas. Para esto se necesita que la mezcla este elaborada con un cemento asfaltico consistente, lo más próximo posible a un sólido elástico también a temperaturas relativamente altas. El comportamiento de las mezclas asfálticas frente a la formación de roderas está íntimamente relacionado con el tipo de ligante asfaltico, la composición granulométrica y calidad de los agregados pétreos y aditivos (en ciertos casos) empleados en la fábrica de la mezcla.

La temperatura funcional del asfalto es de gran importancia, así como los gradientes de temperatura que en ocasiones pueden ser combinados debido a la conductividad térmica de la mezcla, así como la brillantez o la reflectividad, por medio de la selección del agregado, lo que afecta a la deformabilidad de los pavimentos. La distribución lateral de la zona de rodadas está influenciada por la velocidad del tráfico, el ancho del carril y la profundidad de las roderas. Las velocidades bajas del tráfico, corresponden a frecuencias de carga más bajas, algo que contribuye directamente al desarrollo de las roderas en las capas asfálticas.

En los métodos de diseño de pavimentos, es el daño por humedad de las capas asfálticas, que no necesariamente es causado por la acumulación de esfuerzos en las mismas, sino por mala interacción química de los agregados con el asfalto durante condiciones de humedad, este tipo de daño es el de mayor incidencia en México, sobre todo podemos observar que después de la temporada de lluvias aparecen los "Baches" sobre los pavimentos asfalticos construidos con mezclas susceptibles a la humedad.

Por lo anterior en el presente trabajo se le da un énfasis especial al control de la calidad de las mezclas colocadas mediante la prueba de simulación de la Rueda de Hamburgo. Ya que esta prueba tiene el objetivo de medir la resistencia a las roderas y a los desgranamientos de una muestra asfáltica compactada en laboratorio o de corazones de 10 pulgadas extraídos directamente del pavimento. Sirve para identificar problemas de adherencia de los materiales pétreos con el cemento asfaltico y para identificar una mezcla con estructura mineral deficiente, que sea susceptible de presentar baches o deformaciones permanentes, explicación general que da la prueba de Hamburgo.

Cabe mencionar que la prueba de simulación de Hamburgo además de considerar las fallas por humedad de las muestras asfálticas, también ayuda a predecir cuándo una mezcla es susceptible a las deformaciones permanentes, en México la falla por deformación permanente también se ha hecho muy común en los pavimentos, sobre todo por el incremento del tráfico y las cargas fuera de norma que circula en la red de carreteras, donde los camiones que normalmente circulaban con presiones de inflado de 80 psi actualmente puede ser de más de 120 psi, junto con una velocidad muy lenta, que originan una mayor incidencia de la falla de la deformación permanente.

Normas

Observando las investigaciones de la Monismitch, C.L. de 1994, de la reacción a la fatiga del asfalto y agregados Mixtos, bajo las normas SHRP, A-404 del Consejo Nacional de Investigación, de Washington D.C. USA., en la cual desarrollaron una serie de pruebas con el fin de analizar el efecto del contenido de asfalto sobre la deformación cortante inelástica, obteniendo las siguientes proporciones para realizar las pruebas:

-Los contenidos de asfalto del 4.5% al 6.0% por peso de agregado

-Contenido de vacíos del 2.5% al 7.5%

-Especímenes constantes de 15 cm. de diámetro y 5cm. de alto

Los rangos de los contenidos de asfalto y de contenidos de vacíos se consideraron lo suficientemente aptos para obtener en el laboratorio modificaciones en el comportamiento de la mezclas.

También se observaron que en un incremento en el contenido de vacíos las mezclas, provocan un decremento en la resistencia a la generación de roderas.

Las normas que se deben cumplir en las muestras elaboradas en el laboratorio son las siguientes:

-T324-04 DE LA AASHTO

-LAS ESPECIFICACIONES DE LA SSTMS (STANDARD ESPECIFICATIONS-FOR TRANSPORTATION AND METHODS OF SAMPLING)

-LA NORMA SHRP-A-404 DE LA NATIONAL INVESYTIGATION, WASHINGTON D.C USA.

-LA NORMA N-CMT-4-05-001/02 DE LA SCT MEX.

-LA NORMA N-CMT-4-05-003/02 DE LA SCT MEX.

Antecedentes

Los ensayos de laboratorio tratan de reproducir lo mejor posible las condiciones de las muestras in situ, e incluyen generalmente distintas posibilidades de ensayo de las muestras elaboradas en el laboratorio, bajo los diferentes estados de tensiones, temperaturas, humedad, y sobre todo de compactación, para lo cual se tienen varios métodos para poderlos ensayar en la prueba de Hamburgo.

La prueba que realiza este equipo mide la deformación permanente y el potencial de desgaste de muestras compactas de mezclas asfálticas de laboratorio a una temperatura de 50°C. El equipo permite que dos muestras sean probadas simultáneamente. La carga es aplicada a la muestra por una rueda de acero de 46.99 mm de grosor y 203.2 mm (8") de diámetro durante un periodo de 20,000 ciclos. El rodamiento realiza 50 recorridos por minuto sobre cada muestra. La carga aplicada al espécimen es de 705 N equivalente a 71.6 Kg.

El equipo incluye dos charolas de 2", dos charolas de 4" y dos de 6", así como dos pares de moldes de polipropileno, tal y como lo establece la norma.

Cuenta con una unidad de cómputo, interfaz y pantalla no táctil, que soportan un software pre-cargado de control, el cual es multi-usuario y puede ser monitoreado vía internet, brinda al usuario todas las opciones de configuración de la máquina. Los datos son monitoreados en tiempo real y son almacenados bajo estándares de seguridad que no pueden ser alterados.

Dimensiones:

Largo 120 cm

Ancho 110 cm

Alto 124 cm

Peso bruto 750 Kg

Este equipo satisface los criterios establecidos de acuerdo al método AASHTO T-324.

1.- Compactación Proctor usado por el Departamento del Transporte en el estado de florida USA, que aplica una carga de 300 a 400 Kn/cm2.

2.- Compactación Estática (de rodillos) que aplica cargas de 400Kn/cm2

3.- Compactación por amasado (rodillos pata de cabra) que aplica cargas de 1500 a 7500 Kn/cm2

4.-Compactación Marshall, método de compactación que usa la energía de compactación aplicada, por medio de 75 golpes por cara, la mezcla logra un mejor acomodo de las partículas logrando una mejor resistencia a las cargas aplicadas de forma repetida, simulando el tráfico vehicular. Por lo mismo la hace una preparación demasiado tardada.

5.- Compactador giratorio superpave, la presión de consolidación es de 600 Kn/cm2, con un ángulo de giro de 1.25° y velocidad de giro de 30 rpm. Este compactador simula adecuadamente la compresión recibida en pistas de aterrizaje, por lo cual la hace la más adecuada para la elaboración de briquetas para el análisis de asfaltos de este tipo en laboratorios. Por estas características también la hace la más cara, con precios poco accesibles.

6.- Para las necesidades de nuestro caso seleccionamos el procedimiento mecánico de compactación llamado "IMPACTO DE CARGA" el cual realiza la compactación por aplicación de carga por medio de prensa hidráulica, la cual logra una presión vertical de 600 Kn/cm2. Con lo cual lograremos pastillas para la prueba de Hamburgo dentro de las normas anteriormente mencionadas, las cuales son:

• Especímenes de 50 mm. De alto

• Con un contenido de Asfalto de 5%

• Un contenido de vacíos del 4%

• Con un diámetro de 10 pulgadas

• Logradas a una presión de 600 Kn/ cm2

Conclusiones

Para llevar a cabo las pastillas o briquetas con estas características en el laboratorio, para la prueba de Hamburgo, será necesario desarrollar un compactador y su molde base, con las siguientes características:

–Compactador.- Barra hueca de 3 ½ "exterior por 2" interior por 4" de alto soldada a placa circular de 10" de ½ de espesor en acero.

–Molde.- Dos tubos, uno de 10" interior pared de ¼ y 3" de alto. El otro de 10" interior de pared de ¼ y 2 ½ "de alto. (Acero)

–Base.- de 14 ½ " por 12" y 3/4 " de espesor. (Acero)

Bibliografía

AASHTO (1986). "Standard Method of Test for Resilient Modulus of Subgrade Soils".AASHTO Designation T274-82 (1986).

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Garnica A.P.;Perez G. N. (2001) "Influencia de las Condiciones de Compactación en las deformaciones permanentes de suelos cohesivos Utilizados en la Construcción de Pavimentos". Publicación técnica N° 165. Instituto Mexicano del Transporte. Sanfandila .Qro.

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Paul Garnica Anguas , Jose Antonio Gomez López y Jesús Armando Sesma Martinez MECANICA DE MATERIALES PARA PAVIMENTOS Publicación Técnica N°197 Sanfandila Qro,2002.

Autor:

Daniel Apolos Flores Salazar