Fenómenos reversibles en los ensayos cíclicos de los ligantes bituminosos

XII JORNADA NACIONAL ASEFMA 2017 1 COMUNICACIÓN 17 FENÓMENOS REVERSIBLES EN LOS ENSAYOS CÍCLICOS DE LOS LIGANTES BITUMINOSOS RAMÓN BOTELLA NIETO Universidad Politécnica de Cataluña Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Jordi Girona, 1-3, Edificio B1, 08034 Barcelona [email protected] FÉLIX E. PÉREZ JIMÉNEZ Universidad Politécnica de Cataluña Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Jordi Girona, 1-3, Edificio B1, 08034 Barcelona [email protected] EBRAHIM RIAHI Université de Limoges, GEMH, EA 3178 19300 Egletons, Francia [email protected] TERESA LÓPEZ MONTERO Universidad Politécnica de Cataluña Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Jordi Girona, 1-3, Edificio B1, 08034 Barcelona [email protected] RODRIGO MIRÓ RECASENS Universidad Politécnica de Cataluña Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Jordi Girona, 1-3, Edificio B1, 08034 Barcelona r[email protected] ADRIANA H. MARTÍNEZ REGUERO Universidad Politécnica de Cataluña Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Jordi Girona, 1-3, Edificio B1, 08034 Barcelona [email protected] 1 2 FENÓMENOS REVERSIBLES EN LOS ENSAYOS CÍCLICOS DE LOS LIGANTES BITUMINOSOS RESUMEN Los materiales bituminosos se caracterizan por presentar un comportamiento muy complejo cuando se someten a cargas cíclicas. Una de las principales causas de esta complejidad es la coexistencia de fenómenos que pueden cambiar las propiedades del material de manera reversible e irreversible, tixotropía, calentamiento, daño, etc… Este tipo de carga es al que se asemejan los esfuerzos producidos por el tráfico en un firme asfáltico, por lo tanto el estudio de su comportamiento bajo estas condiciones es de un interés capital para los técnicos de pavimentos. El objetivo de este trabajo es evaluar los fenómenos reversibles que tiene lugar cuando se aplican cargas cíclicas en ligantes asfálticos. Se ha adaptado el ensayo de barrido de deformaciones conocido como EBADE para registrar los cambios en el módulo con el cambio de la amplitud de deformación. La evolución de la temperatura interna del betún durante este ensayo se ha medido con la ayuda de una sonda termopar de precisión introducida durante el proceso de fabricación de las probetas de betún. Los resultados han mostrado que la temperatura interna de los betunes aumenta considerablemente cuando estos se ven sometidos a cargas cíclicas. Se ha demostrado que el aumento de temperatura registrado durante un cierto periodo de tiempo esta correlacionado con la energía total disipada durante ese mismo periodo de tiempo. Adicionalmente, la obtención de la curva maestra del ligante, que relaciona su módulo con la temperatura, ha permitido comprobar que la mayor parte de la pérdida de módulo es debida al calentamiento interno del material. Esto hace que en los periodos de reposo, al enfriarse el material, recupere su módulo, siendo reversible la pérdida observada. 1. INTRODUCCIÓN La resistencia a fatiga de las mezclas bituminosas es un tema de gran importancia para los ingenieros de pavimentos de todo el mundo. Esta propiedad depende muchos factores, siendo uno de los más importantes las características del betún que compone la mezcla (Velasquez et al. 2010, Moreno-Navarro et al. 2015). Por esta razón, se han desarrollado diferentes métodos para caraterizar el comportamiento a fatiga de los ligantes bituminosos (Lundstrom y Isacsson 2004ª, Hintz et al. 2011, Van Rompu et al. 2012, Wang et al. 2016, Shan et al. 2017), la mayoría de ellos basados en ensayos cíclicos. Sin embargo, los materiales bituminosos muestran un comportamiento muy complejo cuando son expuestos a cargas cíclicas, lo cual deriva en multitud de interpretaciones de estos ensayos. wEsta comunicación pretende demostrar que la mayor parte de la reducción de módulo observada en ensayos cíclicos de deformación controlada en betunes es reversible, es decir, puede ser recuperada tan solo reduciendo el nivel de esfuerzo al que se somete el material. Además, en esta comunicación se demostrará que la causa de este cambio bidireccional de la rigidez se debe, fundamentalmente, al aumento de la temperatura interna del material, y FENÓMENOS REVERSIBLES EN LOS ENSAYOS CÍCLICOS DE LOS LIGANTES BITUMINOSOS COMUNICACIÓN 3 que está es proporcional a la densidad de energía disipada por el mismo durante el ensayo. 2. METODOLOGÍA Un nuevo procedimiento de ensayo, basado en el ensayo EBADE (Botella et al. 2012), ha sido diseñado para evaluar la capacidad de recuperación de la rigidez de los ligantes y determinar las causas de este comportamiento, figura 1. Figura 1. Montaje experimental del ensayo EBADE. El ensayo empieza aplicando 5.000 ciclos con una amplitud de deformación de 760 µm/m para obtener un valor fiable del módulo complejo dentro del rango de comportamiento lineal, sin causar daño alguno al material. Una vez finalizada esta etapa se aplica una deformación de 1520 µm/m durante 15.000, seguidos de otros 15.000 a la deformación inicial, es decir, 760 µm/m. A continuación se aplica una deformación de 2280 µm/m durante 15.000 ciclos seguidos, de nuevo, por 15.000 ciclos a la deformación inicial de 760 µm/m. Este proceso se repite sucesivamente, aumentando la deformación en intervalos de 760 µm/m hasta que el material falla. En resumen, después de aplicar una deformación alta, se aplica una deformación baja para obtener una medida del módulo complejo comparable a la obtenida en la primera etapa del ensayo, de esta manera puede monitorizarse el daño que cada aumento de deformación ha causado al material. La figura 2 muestra un ejemplo de la señal de deformación impuesta durante el ensayo. Durante la fabricación de la probetas de asfalto, se introdujeron sondas termopares en el centro geométrico de estás, con el objetivo de medir la temperatura interna en tiempo real durante el ensayo. Figura 2. Ejemplo de la señal de deformación impuesta durante el ensayo. Para obtener la susceptibilidad del betún a la temperatura de ensayo se realizaron ensayos de barrido de frecuencia a tres temperaturas (1.8, 10.5 y 19.7ºC) aplicando una amplitud de deformación muy baja (760 µm/m) para obtener la curva maestra del ligante. En esta comunicación se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de barrido de deformaciones realizados a 10ºC y 10 Hz sobre un betún convencional 35/50. 3. RESULTADOS La figura 3 muestra la evolución del módulo complejo durante el ensayo de barrido de deformacio- Figura 3. Evolución del módulo complejo durante un ensayo de barrido de deformaciones alternativo. XII JORNADA NACIONAL ASEFMA 2017 4 nes diseñado para capturar la capacidad del ligante para recuperar su rigidez. Se observa cómo, cada vez que aumenta la deformación se produce un rápido descenso del módulo de rigidez seguido de una estabilización pasado un cier- to número de ciclos desde que se produjo el cambio de nivel de solicitación. Al retornar a la amplitud de deformación inicial se observa un comportamiento completamente opuesto, el módulo incrementa rápidamente al principio, para después estabilizarse en un valor igual o muy similar al obtenido en la primera etapa del ensayo. Esto indica que el betún no ha sufrido daño alguno en los ciclos anteriores, o si este daño se ha producido, el módulo complejo no es capaz de representarlo. Este comportamiento se repite para deformaciones crecientes, hasta alcanzar un nivel de deformación en el que se produce el fallo. Si se analiza la evolución de la temperatura interna del betún durante el ensayo, el comportamiento mostrado en la figura 3 toma sentido. La figura 4 presenta la evolución del módulo complejo durante el ensayo así como de la temperatura interna y superficial de la probeta. Figura 4. Evolución del módulo complejo y las temperaturas interna y externa de la probeta durante un ensayo de barrido de deformaciones alternativo. La figura 4 muestra como cada aumento de amplitud de deformación produce un aumen- to de la temperatura del material, y viceversa. Además, la forma que toma la evolución de la temperatura es la inversa a la que muestra el módulo, lo cual indica que existe una relación entre la evolución de la temperatura y el módulo con el número de ciclos. Esta relación es bien conocida, y para obtenerla basta con realizar ensayos de barrido de frecuencias a diferentes temperaturas. De esta manera se puede obtener la curva maestra del betún que relaciona el módulo complejo con la frecuencia y la temperatura. La figura 5 muestra la curva maestra del betún 35/50 y la figura 6 el factor de desplazamiento (shift factor) aT. Figura 5. Curva maestra del betún 35/50. Figura 6. Factor de desplazamiento aT en función de la temperatura obtenido para el betún 35/50 según la ecuación Williams-Landel-Ferry (Williams et al. 1955). Una vez obtenida la curva maestra, se pueden asignar a los valores de temperatura registrados valores de módulo complejo teóricos. Si se realiza este cálculo con todos los valores de temperatura registrados durante el ensayo y se compara con los valores de módulo complejo FENÓMENOS REVERSIBLES EN LOS ENSAYOS CÍCLICOS DE LOS LIGANTES BITUMINOSOS COMUNICACIÓN 5 obtenidos experimentalmente, se obtiene la figura 7. Figura 7. Comparativa entre los datos experimentales de módulo complejo y los obtenidos a partir de la temperatura y la curva maestra del betún 35/50. La figura 7 muestra como la similitud entre los datos experimentales y los obtenidos indirectamente calculando el módulo que le corresponde a cada temperatura según la curva maestra es muy alta. Las pequeñas discrepancias se deben a que la temperatura empleada en el cálculo es la medida por la sonda en el centro geométrico de la probeta, y el módulo experimental proviene de promediar la carga y deformación en toda la probeta, si se conociera la temperatura media de la probeta el ajuste debería ser mucho mejor. Por lo tanto, el aumento de la temperatura interna del betún puede explicar la mayor parte de la pérdida de módulo observada en ensayos cíclicos. 4. CONCLUSIONES Los resultados presentados en esta comunicación muestran que la pérdida de rigidez observada en los ensayos cíclicos de deformación controlada sobre ligantes asfálticos convencionales está relacionada directamente con el incremento de temperatura interna del material. La particularidad del ensayo desarrollado para realizar estos ensayos también ha permitido demostrar que este proceso es reversible, es decir, al reducir el nivel de solicitación el material recupera la rigidez inicial, siempre y cuando el dicho nivel de solicitación no sea muy elevado. La principal consecuencia de estos resultados es que se deben cuestionar los métodos que pretenden estimar la vida útil de este tipo de materiales mediante la cuantificación del número de ciclos de carga que el material puede soportar a diferentes deformaciones. La aplicación de una carga a una frecuencia constante induce un aumento de la temperatura muy importante, pero una eventual interrupción de la aplicación de cargas suficientemente larga conllevaría una disminución de la temperatura interna, provocando una recuperación de la rigidez inicial. Por lo tanto, la concepción clásica de que el material puede soportar un número de ciclos finito, independientemente del tiempo en que se apliquen, no es adecuada para los materiales bituminosos. 5. AGRADECIMIENTOS El proyecto BIA2015-67494-P ha sido cofinanciado por el Ministerio de Economía y Competitividad dentro del Programa Estatal de Fomento de la Investigación Científica y Técnica de Excelencia, Subprograma Estatal de Generación de Conocimiento, convocatoria 2015, en el marco del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016, y por la Unión Europea, a través de fondos FEDER, con el objetivo principal de Promover el desarrollo tecnológico, la innovación y una investigación de calidad. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍAS Botella, R., Pérez-Jiménez, F.E., Miró, R. Application of a strain sweep test to assess fatigue behavior of asphalt binders (2012) Construction and Building Materials, 36, pp. 906-912. Di Benedetto, H., De La Roche, C., Baaj, H., Pronk, A., Lundström, R. Fatigue of bituminous mixtu- XII JORNADA NACIONAL ASEFMA 2017 6 res (2004) Materials and Structures/Materiaux et Constructions, 37 (267), pp. 202-216. Hintz, C., Velasquez, R., Johnson, C., Bahia, H. Modification and validation of linear amplitude sweep test for binder fatigue specification (2011) Transportation Research Record, (2207), pp. 99-106. Lundstrom, R., Isacsson, U. An investigation of the applicability of Schapery’s work potential model for characterization of asphalt fatigue behavior (2004a) Asphalt Paving Technology: Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions, 73, pp. 657-695. Moreno-Navarro, F., Sol-Sánchez, M., Rubio-Gá- mez, M.C. The effect of polymer modified binders on the long-term performance of bituminous mixtures: The influence of temperature (2015) Materials and Design, 78, pp. 5-11. Pérez-Jiménez, F.E., Botella, R., Miró, R. Differentiating between damage and thixotropy in asphalt binder’s fatigue tests (2012) Construction and Building Materials, 31, pp. 212-219. Shan, L., Tian, S., He, H., Ren, N. 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