Efecte de la tipologia d'àrid en la resistència a tracció indirecta i a les deformacions plàstiques d'una mescla tipus G-20

EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 57 6.1.- DEFINICIÓ. Les deformacions plàstiques es formen a la trajectòria longitudinal de la circulació de vehicles, en concret, a les petjades per on passen els pneumàtics. Representen l’acumulació de petites deformacions permanents produïdes per aplicacions de càrrega, degudes al mateix pas dels vehicles sobre la superfície del paviment, i aquest és un dels tipus de deteriorament que més preocupa dins l’estudi del comportament de les mescles bituminoses en calent. Les deformacions plàstiques es caracteritzen principalment, per una secció transversal de la superfície que ja no ocupa la seva posició original, associat a temperatures relativament altes. Per això es necessita que la mescla estigui elaborada amb lligant asfàltic consistent, el més pròxim possible a un sòlid elàstic també a temperatures altes. El comportament de les mescles asfàltiques davant la formació de roderes, està íntimament relacionat amb el tipus de lligant asfàltic utilitzat, la composició granulomètrica i la qualitat dels àrids i additius (en segons quins casos), utilitzats en la fabricació de la mescla. La temperatura funcional de l’asfalt és de gran importància, així com els gradients de temperatura, que en ocasions poder ser canviats degut a la conductivitat tèrmica de la mescla, així com la brillantor o la reflectivitat, mitjançant la selecció de l’àrid, la qual cosa afecta a la deformabilitat dels paviments. La distribució lateral de la zona de rodada, està influenciada per la velocitat del trànsit, l’ample del carril i la CAPÍTOL 6 Deformacions plàstiques EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 58 profunditat de les roderes. Les velocitats baixes del trànsit, corresponen a freqüències de càrrega més baixes, la qual cosa contribueix directament al desenvolupament de roderes en les capes asfàltiques. L’acumulació de deformacions plàstiques en una capa de mescla bituminosa, poden ser causades per una reducció volumètrica del material que compon la mescla, i per les deformacions degudes als esforços tallants que transmeten les càrregues del trànsit. 6.2.- TIPUS DE DEFORMACIONS PLÀSTIQUES. La deformació plàstica permanent es caracteritza per una secció transversal del paviment que no es troba en la posició original de disseny. Es denomina permanent, perquè representa una acumulació de petites deformacions irrecuperables que ocorren cada vegada que se li aplica una càrrega. Existeixen dos tipus principals de roderes: roderes degudes per fallida de l’explanada i roderes degudes per fallida de la mescla asfàltica, aquesta darrera és molt important, ja que és el que hem analitzat en el nostre estudi. Les deformacions permanents es poden apreciar visiblement com depressions a la trajectòria por on passen els vehicles en el paviment. La densificació de material és un fenomen secundari dins de la formació de roderes, ja que contribueix poc en la profunditat de la rodera. Altres causes que influeixen en la producció d’enfonsaments en els paviments asfàltics són els espessors petits de paviment, la pèrdua de material en la superfície per on roden els vehicles i les deformacions plàstiques en la capa d’aglomerat. 6.2.1.- Roderes per fallida en l’explanada. Són causades per un excessiu esforç repetit en les capes inferiors (base o subbase). Encara que els materials durs puguin reduir aquest tipus de roderes, és més considerat un problema estructural, que un problema dels materials en si. Essencialment, no hi ha suficient força en el paviment per reduir la força aplicada en un nivell tolerable. També pot ser causada per un inesperat debilitament d’una de les capes generades per una intrusió d’humitat. La deformació es posa de manifest en les capes inferiors EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 59 . Figura 6.1: Roderes per fallida en l’explanada [28]. Les càrregues del trànsit provoquen enfonsaments i debilitament, per sota de l’estructura del paviment. Si la capa de paviment és suficientment flexible, es deformarà per tenir espessors baixos. Els enfonsaments per roderes tendeixen a ser d’amplades que van des dels 750 mm fins els 1000 mm, amb poca profunditat i formes corbades creuant la secció del paviment sense fisurar-se. Si es fes un tall, la deformació indicaria que l’espessor del paviment roman constant i qualsevol de les capes granulars (base o subbase) té deformacions, havent fisures per fatiga d’un costat a l’altre en l’amplada sencera de la trajectòria de la llanta. 6.2.2.- Roderes per fallida en mescla asfàltica. Aquest és el tipus de roderes que més preocupa als projectistes de mescles bituminoses, es produeix degut a la falta de capacitat portant o a la insuficiència de suportar càrregues pesades. Una mescla asfàltica dèbil, va acumulant una petita però permanent deformació plàstica, en cada pas de càrrega pesada, i provoca una deformació caracteritzada per una inclinació i lliscament lateral de la mescla. Figura 6.2: Roderes per fallida en la mescla asfàltica [28]. Les roderes en una mescla dèbil solen donar-se típicament a l’estiu, quan el paviment es troba sotmès a altes temperatures. Això podria suggerir que les roderes són EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 60 causades pel sol, però és més correcte pensar, que és una combinació de la resistència dels àrids i el lligant utilitzat. Les roderes, com ja he comentat anteriorment, són l’acumulació de petites deformacions permanents i una manera d’incrementar la força contra el lliscament no és solament utilitzar asfalts més durs, sinó que es comporti com un sòlid elàstic a altes temperatures. Així quan s’apliqui la càrrega, el material podrà deformar-se i tornar a la seva posició original. Una altra manera de prevenir els desplaçaments és seleccionar àrids que tinguin molta fricció interna, que sigui cúbic, que tingui una superfície rugosa i que pugui desenvolupar un grau de contacte partícula a partícula. Quan s’aplica una càrrega a una mescla bituminosa, les partícules de l’àrid s’ajunten, de tal manera, que es comporten com una sola, llarga i elàstica pedra, i com que l’asfalt actuarà com una banda de goma, tornarà a la seva forma original quan desaparegui la càrrega, d’aquesta forma no s’acumula una deformació permanent. 6.3.- MECANISME DE FORMACIÓ DE RODERES. Quan les roderes són causades per deformacions en la mescla asfàltica, el material és desplaçat lateralment a lo llarg de la trajectòria dels vehicles en el pla de la mescla, i la rodera es forma per depressió en l’àrea de càrrega per on passa el pneumàtic o pneumàtics, deixant crestes de mescla en els costats de la trajectòria dels vehicles. La superfície dins de la trajectòria del pneumàtic usualment és llisa i plena d’asfalt. Moltes vegades, entre els espais de les llantes duals existeixen unes petites crestes en la rodera. Les roderes formades per deformació tendeixen a canviar gradualment a lo llarg de la carretera, per tant el paviment continua proporcionant el servei de rodada, a pesar de tenir roderes. L’aparició de roderes, com ja s’ha mencionat, és causada per la falta de resistència davant les càrregues generades en la mescla asfàltica, per l’aplicació de càrregues verticals en la superfície. En ocasions la falta de resistència pot ser causada pel desequilibri entre l’asfalt i la mescla. Aquest equilibri pot ser causat per danys per humitat en la mescla o per debilitament de l’esquelet mineral. Les roderes en els materials del paviment es desenvolupen gradualment amb l’increment del número d’aplicacions de càrrega. La importància d’utilitzar materials per a la superfície dels paviments, amb alta densitat, poden minimitzar l’ordre de magnitud de les deformacions permanents. S’ha mencionat en estudis d’investigació que les roderes majorment són causades per fluxos de deformació acompanyades de canvis de volum en els materials. A continuació s’il·lustra l’efecte sobre una superfície de paviment degut al número de passades de pneumàtics en un assaig de pista. Aquestes dades permeten fer medicions del promig de la profunditat de la rodera com el volum de material desplaçat per sota de les llantes i per sobre de les zones adjacents a elles. Amb aquesta informació, a través de la figura es poden obtenir dues conclusions: EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 61 1. En l’escenari inicial de trànsit, l’increment de les deformacions irreversibles per sota dels pneumàtics és major que l’increment en les zones per sobre de la superfície. En aquesta fase inicial, la compactació deguda al trànsit, té una major influència en les roderes. 2. Després de l’escenari inicial, el volum que disminueix per sota de les llantes és aproximadament igual que el volum que s’incrementa pels costats en la part superior del paviment. Aquest és un indicador de què majorment la compactació es duu a terme sota les sol·licitacions del trànsit i de que les roderes són causades primordialment per desplaçament amb volum constant. Aquesta fase es va considerar en gran part per representar el comportament de la deformació en el temps de vida del paviment. Hosfstra y Klomp (1972) va trobar que la deformació a través de les capes de mescla bituminosa és major prop de la superfície on s’apliquen les càrregues i gradualment decreix en les capes de nivells inferiors. Les roderes són causades bàsicament per flux plàstic, a major profunditat de la mescla, existeix una major resistència al flux plàstic i també a major profunditat es redueixen els nivells de tensió. La deformació plàstica en una capa de paviment, pot veure’s incrementada en la mesura en què aquesta capa és de menor espessor. Figura 6.3: Mecanisme d’acumulació de deformacions irreversibles en la mescla asfàltica [29]. Les mescles asfàltiques estan compostes per partícules d’àrids de naturalesa elàstica, que són els que han de suportar les càrregues del trànsit i un lligant de naturalesa viscoelàstica, que actua com adhesiu mantenint unit l’esquelet mineral. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 62 El lligant asfàltic no pot resistir les càrregues del trànsit, ja que degut a la seva naturalesa viscoelàstica pot fluir en funció de la càrrega i el seu temps d’aplicació, a més el lligant ha de tenir la suficient cohesió per prevenir els despreniment de partícules i per resistir els esforços de tall que es generen en els punts de contacte entre àrids i que superen la fricció entre ells. Si el lligant no és capaç de subjectar les partícules en el seu lloc, aquestes poden moure’s compactant l’esquelet a una configuració més densa. Les mescles asfàltiques poden tenir un comportament elàstic lineal, elàstic no lineal o viscós en funció de la temperatura i el temps d’aplicació de la càrrega. A baixes temperatures el comportament és fonamentalment elàstic lineal, i quan s’augmenta la temperatura comença a comportar-se com un material elàstic no lineal, apareixent el comportament viscós a mesura que la temperatura continua augmentant. - A l’hivern, quan les temperatures són baixes, no existeixen deformacions plàstiques, perquè la mescla es comporta de manera elàstica. - A la tardor i a la primavera, quan hi ha regularment temperatures intermitges, la mescla té gran part del seu comportament elàstic i les deformacions plàstiques són mínimes. - A l’estiu, a altes temperatures, la cohesió de la mescla disminueix i les deformacions originades pel trànsit s’incrementen. Part d’aquestes deformacions es donen en la component viscosa de la mescla, no sent recuperables i apareixent les deformacions plàstiques permanents o roderes. A continuació es mostra en la següent figura el canvi en el comportament de la mescla asfàltica en funció de la temperatura de servei. Figura 6.4: Canvi en el comportament de la mescla asfàltica en funció de la temperatura [30]. Normalment la magnitud de les deformacions permanents és baixa i no suposa cap problema, no obstant, si les deformacions són molt altes o la mescla té un comportament predominantment viscós les deformacions permanents poden ser molt significatives. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 63 6.3.1.- Càrregues que actuen en el paviment. Sol·licitacions de càrregues en un paviment. El trànsit té una gran influència en l’aplicació de les càrregues en un paviment i la seva caracterització és bastant complexa degut, no sols a la variabilitat dels diferents vehicles existents, sinó també a les interaccions vehicle-paviment que produeixen fenòmens amb sol·licitacions addicionals a les pròpies càrregues estàtiques del trànsit. Per caracteritzar les sol·licitacions produïdes pel trànsit en un paviment es poden estudiar independentment els següents aspectes: - Magnitud de les càrregues segons la composició del trànsit (càrrega per eix, número d’eixos que circulen, i número de repeticions de càrrega). - Forma geomètrica de cada sol·licitació sobre el paviment (àrea de contacte i repartiment de pressions sobre la mateixa). - Velocitat dels vehicles i temps de sol·licitació en un punt. - Estats d’esforços que produeixen les càrregues, en funció de la seva magnitud i tipologia (verticals, tangencials, fenòmens d’impacte, etc.). - Característiques de les capes del ferm. Les càrregues dels vehicles es transmeten al paviment a través de les rodes, en els mètodes de disseny és necessari conèixer l’àrea de contacte de la llanta amb el paviment, assumint que la pressió de contacte depèn de la pressió d’inflat del pneumàtic, com s’indica a la figura 6.5. La pressió de contacte és més gran que la pressió de la llanta, per a pressions baixes de la llanta, degut a què la paret d’aquesta està en compressió i la suma de les forces verticals de la paret i pressió de la llanta, han de ser iguals a la força degut a la pressió de contacte; la pressió de contacte és més petita que la pressió de la llanta, per a pressions altes de les llantes, degut a què la paret de la llanta està en tensió. No obstant, en el disseny de paviments, utilitzar la pressió de la llanta com a pressió de contacte, és estar del costat de la seguretat (Huang, 1993). EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 64 Figura 6.5: Relació entre la pressió de contacte i la pressió de la llanta [28]. Quan s’utilitza la teoria multicapes en el disseny de paviments flexibles, s’assumeix que cada llanta té una àrea de contacte de forma circular. Aquesta suposició és incorrecta, però l’error en el s’arriba no és significatiu. Un altre aspecte que hem de considerar del vehicle és la velocitat, si s’utilitza la teoria viscoelàstica pel disseny del paviment, la velocitat està directament relacionada amb la durada de la càrrega. Si s’utilitza la teoria elàstica, ha de seleccionar-se adequadament el mòdul de resilència dels materials per al paviment, en proporció amb al velocitat del vehicle (Huang, 1993). S’ha suposat en alguns casos que els esforços aplicats per una llanta en moviment s’aproximen a una forma sinuidal, la durada de la qual depèn de la velocitat del vehicle i de la profunditat del punt al que s’està fent referència. Barksdale (1971) va investigar sobre els temps de pulsació a diferents profunditats sota la superfície, així com també a diferents velocitats, observant com a major velocitat del vehicle, el temps d’aplicació de la càrrega disminueix, també és evident que simulant l’esforç vertical, amb una ona triangular, els temps d’aplicació augmentin. Així mateix, es pot apreciar que el temps de durada de la càrrega augmenta amb la profunditat. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 65 Figura 6.6: Temps de pulsació per l’esforç vertical amb una càrrega sinuidal i triangular [28]. Maclean (1974) va determinar el temps de càrrega simulant-la amb una ona quadrada, sobre la qual va sobreposar els resultats obtinguts per Barksdale (càrrega triangular i una velocitat de 30 mph). Es pot veure que el temps de pulsació basat en una ona quadrada és més petit que una triangular. Figura 6.7: Temps de pulsació per l’esforç vertical amb ona tipus quadrada [28]. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 72 Llavors posem els àrids de cada safata a la mescladora, i els mesclem durant 30 segons a temperatura ambient, un cop passat aquest temps, posem els àrids dins les safates i les posem a l’estufa, perquè s’escalfin a 160ºC, ja que volem evitar que refredin el betum que li afegirem. Fabricació de la mescla Abans de començar a fabricar, hem de deixar els motlles unes 12 hores a 160ºC dins l’estufa, juntament amb els àrids. A més dues hores abans de començar el procés, a una estufa separada hi posem el betum B60/70 a una temperatura de 155ºC perquè s’escalfi i es barregi amb els àrids. Posteriorment traiem els àrids de l’estufa, i en posem un petita quantitat dins el recipient de la mescladora. Després agafem aquest recipient i el posem a la balança, el tarem i hi afegim el betum (veure fotografia 6.4). Hi posem un 4% (416 g), tot i que l’òptim ens donava al voltant del 3.5%, perquè s’accentuï més la diferència del comportament amb els distints àrids. F Fotografia 6.4: Tarat del recipient i afegint-hi el betum. Posem el recipient a la mescladora i, d’altra banda aboquem la resta d’àrid que no hi havíem posat a un recipient de fusta i després amb aquest, aboquem els àrids a la mescladora (veure fotografia 6.5). Tot seguit engeguem la mescladora, i mesclem la mostra durant 1 minut. Llavors posem el filler dins aquest recipient de fusta i amb aquest dins la mescladora. Posem la màquina durant 2 minuts més. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 73 Fotografia 6.5: Abocant els àrids a la mescladora Durant l’últim minut de l’operació de mescla, traiem el motlle de l’estufa i el posem, juntament amb un suplement a la base de compactació. L’untem bé de parafina i hi col·loquem un paper de filtre on hi ha d’anar la mescla. Aboquem la mescla al motlle, l’escampem amb una paleta, enrasem la proveta (veure fotografia 6.6) i posem un altre paper a la seva cara superior. Llavors, posem el compactador a sobre la proveta durant 15 segons, passat aquest temps traiem el suplement. Tot seguit tornem a posar el compactador durant 1 minut i 15 segons, girem el compactador en sentit horari, i tornem compactar 1 minut i 15 segons. I aquests passos els repetim dues vegades més (veure fotografia 6.6). Fotografia 6.6: Estesa i compactació de la proveta. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 74 Posteriorment, traiem la proveta de la base de compactació, l’hi traiem el paper de la superfície i la deixem reposar a sobre una taula. Repetim aquest procés per les altres provetes. En aquest assaig només hem fet una proveta per mescla d’àrids, és a dir, només vàrem 4 provetes, totes elles amb combinacions d’àrids diferents. Fotografia 6.7: Provetes una vegada fabricades. 6.4.2.- Assaig de les provetes. La norma NLT-173/00 [31] fixa els passos a seguit per realitzar l’assaig de Pista. Aquest assaig és vàlid per provetes fetes en el laboratori, com en el nostre cas, però també serveix per testimonis extrets d’un paviment. L’assaig consisteix en sotmetre una proveta de mescla bituminosa al pas alternatiu d’una roda en condicions determinades de pressió i temperatura, mesurant periòdicament la profunditat de la deformació produïda. Aparells a utilitzar per l’assaig de les provetes Màquina de pista: La màquina per l’assaig consisteix essencialment en un carretó mòbil de forma rectangular, suportat en quatre punts per un sistema de rodes metàl·liques que fan que el carretó llisqui sobre l’estructura que el suporta. Per damunt d’aquest carretó hi va situada la roda d’assaig, muntada sobre un braç sustentador al qual hi van penjats els pesos que produeixen la càrrega sobre la roda. El carretó mòbil té uns elements que permeten subjectar-hi la proveta, a més també té un sistema de mesura, que permet fer les lectures de les deformacions verticals que es produeixin en la proveta durant l’assaig. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 75 Cambra termostàtica: Per aconseguir que la temperatura sigui constant durant l’assaig, es necessita una cambra termostàtica que permeti allotjar-hi la màquina i mantenir la temperatura durant tot l’assaig amb una variació màxima de ± 1ºC. Fotografia 6.8: Cambra termostàtica amb la màquina de pista a dins. Procediment Per començar, el primer que s’ha de fer es posar la proveta a assajar dins la cambra termostàtica a la temperatura d’assaig (60ºC) un mínim de 4 hores abans de començar l’assaig. Passat aquest temps, aixequem la roda, posem el motlle amb la proveta al carretó i la fixem amb uns ancoratges. A partir d’aquí, carreguem el braç que suporta la roda amb uns pesos de 27 kg, per obtenir la pressió adequada. Baixem la roda i hi fem tres passades completes per la roda s’assenti sobre la proveta. A continuació, parem el carretó, fixem el rellotge de lectura de les deformacions, tanquem la finestra de la cambra termostàtica i comencem l’assaig, posant en moviment el carretó durant 120 minuts sense interrupcions (veure fotografia 6.9), o fins que la deformació total arribi a 15 mm, si es que ocorre abans. Durant aquestes dues hores, anotem les deformacions totals llegides en el rellotge en els minuts 1, 3 i 5 contats a partir del començament de l’assaig. A continuació, ho fem cada 5 minuts fins que n’hagin passat 45 des de l’inici, i a partir d’aquí, ho anotem cada 15 minuts fins que acabi l’assaig. Una vegada acabat l’assaig, aturem la màquina, aixequem la roda i extraiem la proveta assajada. Seguidament hi col·loquem la proveta següent i repetim el mateix procediment que hem descrit. EFECTE DE LA TIPOLOGIA D’ÀRID EN LA RESISTÈNCIA A TRACCIÓ INDIRECTA I A LES DEFORMACIONS PLÀSTIQUES D’UNA MESCLA TIPUS G-20 Miquel Gost Ballester 76 Fotografia 6.9: Màquina de pista en funcionament i rellotge de lectura de les deformacions.