INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES. TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL Presentado por: JUAN PABLO CORTÉS RUBIANO Asesora: SILVIA CARO SPINEL Ingeniera Civil, M, Sc, PhD. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Bogotá D.C. Junio 2014
50
Embed
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA
AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
Presentado por:
JUAN PABLO CORTÉS RUBIANO
Asesora:
SILVIA CARO SPINEL
Ingeniera Civil, M, Sc, PhD.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
Bogotá D.C. Junio 2014
AGRADECIMIENTOS
A mi familia por estar siempre apoyándome incondicionalmente durante mi camino a convertirme
ingeniero como mi papá.
A la ingeniera Silvia Caro, por su asesoría con la cual siempre pude contar en el momento que lo
necesitaba. Sus consejos siempre oportunos y llenos de experiencia ciertamente dieron la guía necesaria
para el desarrollo y la finalización efectiva de este proyecto de grado.
A Camila Domínguez, por su apoyo constante y amor durante todo el desarrollo de éste documento. ¡Lo
logramos y te quiero mucho!
Al ingeniero Eduardo Rueda porque desde el primer día presentó una gran disposición a ayudarme en
labores totalmente nuevas para mí y en las cuales él ya era bastante experimentado. A él, gracias por
darme un poco de su tiempo para ayudar en gran medida al desarrollo del proyecto.
Al ingeniero Rodolfo Olivo, quién en proceso del desarrollo de su propio proyecto dispuso de un tiempo
para mostrarme la mecánica y el desarrollo del experimento de fatiga especializado para humedades
liderado por él y con quién siempre pude contar teniendo alguna duda adicional al iniciar el procesamiento
de mi experimento.
Al personal de laboratorio, especialmente a Alexander Galindo por todo el apoyo prestado a lo largo del
semestre en el que se desarrolló este trabajo.
A los estudiantes que prestaron su tiempo y ayuda para colaborar en tareas más duras del laboratorio.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
II
CONTENIDO
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................................................... I
CONTENIDO ........................................................................................................................................................ II
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................................................... IV
LISTA DE TABLAS .............................................................................................................................................. V
2.1 General ........................................................................................................................................................... 3
6.2 Pasos seguidos en la volumetría................................................................................................................ 18
7. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL DEL PROCESO DE ACONDICIONAMIENTO ..... 20
7.1 Preparación de la solución ......................................................................................................................... 20
7.2 Seguimiento de retención de humedad .................................................................................................... 21
8. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL DE FALLA A FATIGA ..................................................... 22
8.1 Selección de especímenes para la falla .............................................................................................. 22
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
III
8.2 Montaje de los especímenes en la máquina de fatiga ..................................................................... 22
8.3 Definición de la deformación aplicada ............................................................................................. 24
8.4 Obtención de resultados ..................................................................................................................... 24
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
IV
LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Límites de granulometría para MDC-2 ............................................................................................... 8
Figura 2 - Gráfica de la granulometría escogida .................................................................................................. 9
Figura 3 - Contenido óptimo de asfalto (Olivo, 2013) ..................................................................................... 11
Figura 4 - Molde 30x30x4cm con tapa................................................................................................................ 11
Figura 5 - Materiales y elementos en horno ....................................................................................................... 12
Figura 6 - Concreto asfáltico previo a la mezcla ya pesado ............................................................................. 13
Figura 7 - Mezcla con únicamente agregado grueso ......................................................................................... 13
Figura 8 - Mezcla con agregado fino y grueso ................................................................................................... 14
Figura 9 - Mezcla en molde engrasado ................................................................................................................ 14
Figura 10 - Proceso de compactación ................................................................................................................. 15
Figura 11 - Bloques, "Panelas" después de ser desencofradas ........................................................................ 15
Figura 12 - Dimensiones estándar según NFP-98-261 .................................................................................... 16
Figura 13 - Panela marcada (izquierda) y plantilla estándar (derecha) ........................................................... 16
Figura 14 - Especímenes cortados ....................................................................................................................... 16
Figura 15 - Montaje para cálculo de peso sumergido ....................................................................................... 17
Figura 16 - Baño inicial a 25C° ............................................................................................................................. 18
Figura 17 - Espécimen en baño sin liberación de burbujas de aire ................................................................ 18
Figura 18 - Espécimen después de baño saturado, secado superficialmente ................................................ 19
Figura 19 - Preparación de solución .................................................................................................................... 21
Figura 20 - Montaje de acondicionamiento dentro de los contenedores ...................................................... 21
Figura 21 - Mezcla de ambos componentes de la solución epóxica. .............................................................. 22
Figura 22 - Vista superior del espécimen ya pegado y con brazo de aplicación de deformación totalmente
recto Acondicionamiento en la cámara durante la falla.................................................................................... 22
Figura 23 - Montaje de acondicionamiento en la máquina de fatiga (Motores de 12 V no visibles) ........ 23
Figura 24 - Evolución de humedad en el tiempo .............................................................................................. 24
Figura 25 - Variación del % de vacíos (Olivo, 2013) ........................................................................................ 25
Figura 26 - % de vacíos de los 40 especímenes propios .................................................................................. 27
Figura 27 - Pesos Normalizados (1-8) ................................................................................................................. 29
Figura 28 - Pesos Normalizados (9-16) ............................................................................................................... 29
Figura 29 - Pesos Normalizados (17-23) ............................................................................................................ 30
Figura 30 - Ley de fatiga para HR 8% (Olivo, 2013) ........................................................................................ 30
Figura 31 - Ley de fatiga para HR 45% (Olivo, 2013) ...................................................................................... 31
Figura 32 - Ley de fatiga para HR 100% (Olivo, 2013) .................................................................................... 31
Figura 33 - Conjunto de leyes de fatiga (Olivo, 2013) ...................................................................................... 32
Figura 34 - Puntos para la evaluación de la ley de fatiga .................................................................................. 35
Figura 35 - Ley de fatiga a 80% de humedad relativa ....................................................................................... 36
Figura 36 - Leyes de fatiga a 8%, 45%, 80% y 100%........................................................................................ 36
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
V
LISTA DE TABLAS Tabla 1 - Especificaciones técnicas dadas por Ecopetrol (Olivo, 2013) ......................................................... 7
Tabla 2 - Límites de Granulometría para una MDC-2 ....................................................................................... 8
Tabla 3 - Granulometría escogida .......................................................................................................................... 9
Tabla 4 - Resultados Cilindro giratorio (Rueda, 2012) ..................................................................................... 10
Tabla 5 - Propiedades de la solución para su preparación ............................................................................... 20
Tabla 6 - Resumen volumetría (Olivo, 2013) ..................................................................................................... 25
Tabla 7 - Resúmenes de ambas volumetrías ...................................................................................................... 27
Tabla 8 - Nuevo resumen de especímenes después de aplicada la restricción ............................................. 28
Tabla 9 - Desviaciones estándar de deformaciones utilizadas para la construcción de la ley de fatiga a 80%
(Bulk, Gmb), donde gracias a estas cantidades y al cálculo de la gravedad específica máxima encontrada
para la mezcla por Rueda (i.e., 2.312 gr/cm³ (Rueda, 2012)) se pudo determinar el contenido de vacíos
de cada espécimen individual.
6.1 Procedimiento
La metodología para la obtención de las cantidades especificadas por el ensayo INVE-733 constó de un
montaje simple el cual constaba de un recipiente con agua a 25°C como se muestra en la Figura 15.
Adicional a éste, en dónde se calcularía el peso sumergido, se hizo uso del baño dispuesto en el laboratorio
para un pre baño de 3 a 5 minutos (también a 25C°) antes de pesar efectivamente el peso sumergido, tal
como especifica la norma. El pre baño mencionado se muestra en la en la Figura 16. El peso seco se
medía una vez los especímenes habían sido secados por un periodo de 24 horas en horno a 30C° y
finalmente el peso saturado superficialmente seco se medía una vez se tuvieran el peso sumergido y se
secaba el espécimen superficialmente con una bayetilla.
Figura 15 - Montaje para cálculo de peso sumergido
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
18
Figura 16 - Baño inicial a 25C°
6.2 Pasos seguidos en la volumetría
Los pasos para conseguir la volumetría de cada espécimen individualmente fueron los siguientes:
1) Obtención de peso seco: Una vez se tuvieran los especímenes secos del horno a 30°C se
pesaron normalmente cada uno de los especímenes con una báscula de precisión de 0.001kg.
Dicho peso se llamó peso seco.
2) Obtención de peso sumergido: Esperados los 5 minutos máximo en el baño inicial se debía
pasar al segundo montaje con la balanza (Figura 15) y esperar a la estabilización del peso ahí. Se
llamó a este peso el peso sumergido del espécimen. Si la probeta no liberaba burbujas de aire quería
decir que fue efectivamente saturada en el baño inicial. La Figura 17 muestra un espécimen en el
segundo baño a 25 C°.
Figura 17 - Espécimen en baño sin liberación de burbujas de aire
3) Obtención de peso saturado superficialmente seco: Una vez calculado el peso sumergido se
tomó una bayetilla común para secar superficialmente cada probeta que se iba sacando del baño
y se pesaba tal y como se muestra en la Figura 18. Se llamó a este peso el peso saturado
superficialmente seco del espécimen.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
19
Figura 18 - Espécimen después de baño saturado, secado superficialmente
Estos pesos definirán la volumetría de cada espécimen individualmente. Finalmente, los especímenes se
dejaban en secado por un total de 48 horas en horno a 30C° para secarlos por completo y así poder iniciar
el proceso de acondicionamiento de los especímenes en ambientes de humedad relativa controlada.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
20
7. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL DEL PROCESO DE
ACONDICIONAMIENTO
El proceso de acondicionamiento siguió el procedimiento recomendado por la norma ASTM-E104-02
titulada: “Mantenimiento de humedad relativa constante por medios de soluciones acuosas.” En ella se
describe como se puede mantener un medio de humedad relativa constante en contenedores pequeños.
La norma contempla un listado de sales las cuales pueden llegar a ciertas humedades específicas. Como
ya se había mencionado, se quería escoger una humedad intermedia entre las escogidas por Olivo (2013),
y adicionalmente se consideró una humedad de 80% debido a los resultados de Hernández (2013) en la
matriz asfáltica fina. Así se definió la humedad de 80% para la realización de la ley de fatiga, y esto implicó
entonces la utilización de cloruro de sodio, el cual corresponde a la sal que permitía llegar a tal humedad.
7.1 Preparación de la solución
La norma ASTM-E104-02 describe la preparación de la solución con la adición de incrementos de 2mL
de agua a una cantidad determinada de sal y posteriormente mezclar hasta llegar a homogeneidad de la
solución. Es decir, un proceso de adición de 2mL de agua a la sal, mezclar y repetir. Este proceso se repite
hasta que la sal no logre absorber más agua mostrando un exceso de líquido visible, es decir, hasta que se
llegue a una condición se saturación. Sin embargo la norma recomienda dejar un pequeño exceso de agua
ya que en caso de variaciones en la temperatura dentro del contenedor se tenga el menor impacto en la
humedad. La Figura 19 muestra el proceso que se acaba de describir de mezclado. Así la Tabla 5 muestra
la cantidad de soluto (cloruro de sodio) por gramos de agua que necesariamente inducia la saturación de
la solución. Una vez la solución en condición de saturación estuviera lista se podría proceder a dejarla en
un recipiente a 4 cm como mínimo de altura de las muestras gracias a una rejilla que permitía la libre
circulación de aire entre el medio y la solución, permitiendo el desarrollo de la humedad requerida como
se muestra en la Figura 20, claramente fuera del contenedor.
Tabla 5 - Propiedades de la solución para su preparación
Nombre Notación Humedad relativa lograda
Gramos de sal por cada 100 gramos de H2O a 25
C°
Cloruro de Sodio
NaCl 80% 97
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
21
Figura 19 - Preparación de solución
Figura 20 - Montaje de acondicionamiento dentro de los contenedores
7.2 Seguimiento de retención de humedad
Finalmente, el control de retención de humedad se seguía pesando cada espécimen individualmente. Este
proceso era necesario realizarlo diariamente para poder caracterizar el comportamiento de la mezcla para
absorción de humedad y así saber el tiempo mínimo que un espécimen debía permanecer bajo
acondicionamiento. Este proceso se siguió para los primeras 6 panelas (24 especímenes). Los resultados
se presentan en la sección de resultados experimentales.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
22
8. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL DE FALLA A FATIGA
8.1 Selección de especímenes para la falla
Para lograr mantener la mayor concordancia con los resultados presentados por Olivo (2013), se tomó
como parámetro de escogencia el porcentaje de vacíos individual de cada espécimen que estuviera más
cercano al promedio reportado por Olivo. Esto debido a que en la metodología presente se obtuvieron
en general porcentajes de vacíos mayores al promedio reportado por Olivo pero con menor variabilidad.
Esto se explicará con mayor extensión en la sección se resultados experimentales.
8.2 Montaje de los especímenes en la máquina de fatiga
El montaje de los especímenes en la máquina de fatiga y dentro de la cámara de acondicionamiento era
en general bastante simple. Se usó una soldadura epóxica marca Pegadit. El montaje sobre la placa debía
hacerse aplicando la mezcla de los dos componentes que conforman la solución; la resina y el endurecedor
por cantidades iguales. Como muestra la Figura 21. Una vez se aplicara el epóxico a la cabeza superior e
inferior del espécimen se debía garantizar que los brazos que aplican la deformación a la platina y ésta a
su vez al espécimen estuviera totalmente en línea recta, como se muestra en la Figura 22. Una vez pegados
se debe esperar un periodo de 12 horas antes de iniciar el ensayo a fatiga.
Figura 21 - Mezcla de ambos componentes de la solución epóxica.
Figura 22 - Vista superior del espécimen ya pegado y con brazo de aplicación de deformación totalmente recto Acondicionamiento en la cámara durante la falla
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
23
Una vez los especímenes se encuentren pegados se puede iniciar la continuación del acondicionamiento,
debido al periodo de 12 horas que es necesario esperar a que el epóxico esté totalmente solidificado. Este
tiempo también es importante para lograr una humedad estable de 80% dentro de la cámara durante la
falla de los especímenes. Para esto se usaron dos recipientes cerrados adicionales que tenían dentro la
solución preparada como se describió en la sección de acondicionamiento y dos orificios que estaban
conectados a 2 conductos. Adicionalmente se colgaron pequeños contenedores abiertos que contenían
la solución dentro de la cámara con la precaución de que dicho contenedor no tuviera contacto alguno
con el espécimen a fallar, esto debido a que esto implicaría que no se aplicaría la deformación esperada y
por ende se cometería un grave error al cálculo de los ciclos de falla asociados a la deformación aplicada.
Se usaron conductos desde la solución hacia cada una de las cámaras. La garantía de la humedad se lograba
con la circulación del aire por medio de 2 pequeños motores de 12 voltios. El montaje descrito se muestra
a continuación en la Figura 23:
Figura 23 - Montaje de acondicionamiento en la máquina de fatiga (Motores de 12 V no visibles)
La Figura 24 muestra la evolución promedio de las humedades dentro de las cámaras de
acondicionamiento de la máquina de fatiga. En ella se puede observar que la humedad se comporta de
forma aproximadamente continua a partir de las 10 horas de haber iniciado el sistema de
acondicionamiento. Suficiente tiempo para que pasen las 12 horas de secado del epóxico.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
24
Figura 24 - Evolución de humedad en el tiempo
8.3 Definición de la deformación aplicada
Una vez pasado el tiempo de 12 horas se podía determinar la deformación a la que se quería fallar cierto
espécimen. En este sentido, es importante recordar que la normativa empelada requiere que el ensayo se
realice con condiciones de deformación controlada, pero no específica valores específicos de dicha
deformación. Así, para determinar la deformación que se iba aplicar constantemente a los especímenes
se usó un deformímetro con sensibilidad de 0.01 mm. Para calcular la deformación unitaria se debía hacer
un simple cálculo definido por la constante del deformímetro y la lectura obtenida, tal y como se muestra
a continuación:
𝜖 =𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜=
𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
878 × 2
Determinada la deformación se podía dar inicio al ensayo de fatiga.
8.4 Obtención de resultados
Todos los ensayos se realizaron a una frecuencia de 10 Hz. Adicionalmente, el software de la máquina de
fatiga es capaz de almacenar la amplitud de la respuesta (i.e., carga) sobre la probeta ensayada. Recibir
una amplitud igual en magnitud a la cual en donde se inició el ensayo significa que el espécimen es aún
capaz de soportar la fuerza que se le está aplicando y que el material se encuentra en la región viscoelástica
lineal. Una vez la amplitud registrada empieza a disminuir quiere decir que el espécimen está reduciendo
su capacidad de soportar la fuerza que se le está aplicando y que el material se está deteriorando. Según
el ensayo estándar de fatiga NFP-98-261, un espécimen se considera como “fallado” en el momento en
que éste es capaz de soportar únicamente la mitad de la fuerza que se le aplicó al inicio. Ese fue entonces
el criterio de falla establecido para la totalidad de los especímenes.
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
0 2 4 6 8 10 12 14 16
HR
(%)
Tiempo (horas)
Comportamiento del medio en la cámara de acondicionamiento de la máquina
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
25
9 RESULTADOS EXPERIMENTALES
A continuación se muestran la totalidad de los resultados experimentales. En caso de ser necesario,
algunos resultados son presentados en la sección de anexos debido al excesivo espacio que ocuparían en
el cuerpo de este documento. Se incluyen con la intención de que los cálculos se puedan corroborar y
comparar con posteriores experimentos similares.
9.1 Resultados de volumetría presentados por Olivo (2013).
A continuación se muestran los resultados presentados por Olivo con los cuales se realizarán
comparaciones importantes. Inicialmente se muestra la distribución de vacíos de la totalidad de
especímenes tomadas del documento de proyecto de grado de Olivo como lo muestra la Figura 25.
Figura 25 - Variación del % de vacíos (Olivo, 2013)
En seguida el resumen para vacíos de las probetas empleadas en dicho estudio se muestran en la Tabla 6:
Tabla 6 - Resumen volumetría (Olivo, 2013)
Media % aire 8.2
Máximo % aire 10.2
Mínimo % aire 6.5
Máxima variación posible en % de vacíos 3.7
La comparación con estos resultados así como sus influencias en los resultados propios de este proyecto
se explican en la siguiente sección.
9.2 Cálculos de volumetría
Como ya se explicó anteriormente, se calcularon las cantidades de peso seco, peso sumergido y peso
saturado superficialmente seco. Adicionalmente se tiene que Rueda (2012) encontró la máxima gravedad
específica máxima para la mezcla con una magnitud de 2.312gr/cm³ Con estas cantidades es posible
calcular el peso específico Bulk y adicionalmente el % de vacíos. A manera de ejemplo se muestra el
cálculo para el espécimen de ensayo número 1. La totalidad de los cálculos de peso específico y porcentaje
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
26
de vacíos para todos los 40 especímenes se encuentran en la sección de anexos. En seguida se muestra el
cálculo realizado para obtener el peso específico Bulk, Gmb (el cálculo obedece que al momento de realizar
los ensayos la temperatura en ambos baños era de 25C°, es decir la densidad del agua es 1gr/cm³).