Universidad Tcnica Federico Santa Mara Departamento de Obras Civiles
Informe de Laboratorio
Segundo Semestre 2014 CIV-369
Laboratorio Vial
Alumno: Cristbal Correa
Profesor: Gabriel Garca
Fecha: 01/12/2014
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
1
ndice
1. INTRODUCCIN ..................................................................................................................................... 2
2. ENSAYOS DE LABORATORIO .................................................................................................................. 2
2.1 ENSAYO DE VISCOSIDAD BROOKFIELD A DISTINTAS TEMPERATURAS ................................................................ 2
2.2 ENSAYO DE PENETRACIN .................................................................................................................... 4
2.3 ENSAYO DE PUNTO DE ABLANDAMIENTO ................................................................................................. 5
2.4 DETERMINACIN NDICE DE PFEIFFER ...................................................................................................... 6
2.5 DETERMINACIN T DE MEZCLADO Y COMPACTACIN ................................................................................. 7
3. ESTIMACIN MODULO DINMICO ........................................................................................................ 8
3.1 BANDA GRANULOMTRICA IV-A-12 ....................................................................................................... 8
3.2 PARMETROS A Y VTS ........................................................................................................................ 9
3.3 FRECUENCIAS .................................................................................................................................. 10
3.4 OTROS PARMETROS ........................................................................................................................ 11
3.5 OBTENCIN MDULOS DINMICOS ...................................................................................................... 11
4. CONSTRUCCIN DE CURVAS ............................................................................................................... 14
4.1 CURVAS MAESTRAS .......................................................................................................................... 14
4.2 CURVAS ISCRONAS .......................................................................................................................... 16
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
2
1. Introduccin El presente informe cuenta con los procedimientos y resultados de los tres ensayos de laboratorio
realizados, siendo estos los siguientes:
Ensayo de Viscosidad Brookfield
Ensayo Penetracin
Ensayo de Punto de Ablandamiento
Los cuales permiten caracterizar el bitumen ensayado y con esto determinar el modulo dinmico
de la mezcla asfltica con el modelo Witczak Original, para distintas frecuencias y temperaturas,
considerando la banda granulomtrica IV-A-12 dada por el manual de carretera. Luego es posible
tambin obtener las curvas maestras e iscronas, las cuales son muy usadas para caracterizar el
comportamiento de la mezcla asfltica en distintas condiciones.
El betn utilizado para todos los ensayos fue el CA-24.
2. Ensayos de Laboratorio A continuacin se describen los procedimientos y resultados para los ensayos realizados:
2.1 Ensayo de Viscosidad Brookfield a distintas temperaturas
El ensayo de Viscosidad Brookfield mide la viscosidad captando el par de torsin necesario para
hacer girar a velocidad constante un cilindro inmerso en la muestra de betn a estudiar.
En el laboratorio este ensayo se realizo a tres temperaturas (60, 90 y 120 C) y el procedimiento de
ensayo fue el siguiente:
1. Introducir la muestra de betn en el tubo de ensayo.
2. Introducir cilindro inmerso y tapar la muestra para conservar temperaturas.
3. Introducir manualmente la temperatura necesaria al aparato y esperar hasta que el betn
llegue a esa temperatura.
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
3
4. Variar velocidad de rotacin del cilindro hasta que la resistencia ejercida por el betn sea
un 50% del torque ejercido, a mayor temperatura ser necesaria mayor velocidad de
rotacin para llegar a este 50%.
5. Cuando la resistencia sea de un 50%, se tiene la viscosidad representativa del betn para
esa temperatura.
6. Repetir el procedimiento para las otras temperaturas.
Los resultados entregados por el aparato se muestran de la siguiente manera:
La cual muestra la viscosidad de la muestra, resistencia al torque, velocidad y temperatura, entre
otros.
Finalmente los resultados obtenidos para las tres temperaturas fueron los siguientes:
Temperatura [C]
Resistencia al torque [%]
Velocidad de rotacin [rpm]
Viscosidad [poise]
59.8 51.6 0.3 4300.00
89.6 50.3 10 125.80
119.8 47.1 100 11.78
Donde se tienen pequeas variaciones de temperatura con respecto a lo esperado, ya que estos
valores oscilaban constantemente pero siendo siempre muy cercanos a lo necesitado. Por otro
lado la resistencia al torque sufre mayores variaciones, ya que este difcilmente llega a un valor en
concreto y constantemente aumentaba y disminua su valor.
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
4
2.2 Ensayo de Penetracin
Ensayo que mide la penetracin de una aguja estndar de 100 g durante 5 segundos a una
muestra de betn, la penetracin debe ser de manera vertical y con la muestra a 25 C. Finalmente
el resultado de penetracin se mide en decimas de milmetro.
El procedimiento para realizar el ensayo es el siguiente:
1. Disponer muestra de betn en el recipiente.
2. Mantener muestra en un bao de agua para obtener una temperatura de la muestra de 25
C.
3. Dejar caer aguja durante 5 segundos.
4. Medir penetracin de la aguja despus de esos 5 segundos.
El ensayo fue realizado utilizando el Penetrmetro existente en el laboratorio de la universidad, el
cual no cuenta con un bao de agua que permita tener la muestra a los 25 C necesarios, por lo
que este valor finalmente fue de 20 C aproximadamente.
Despus de 5 segundos en el cual la aguja penetro el betn, la penetracin obtenida es de 12.8
milmetros, por lo tanto se tiene una penetracin de 128.
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
5
2.3 Ensayo de Punto de Ablandamiento
Este ensayo permite determinar el punto de ablandamiento del betn utilizando el aparato de
anillo y bola, este punto est definido como la menor temperatura a la cual la muestra suspendida
en un anillo horizontal de dimensiones especificas es forzada a caer 25 mm por el peso de una
bola de acero especificada, calentando la muestra de manera constante a 5 C/min en un bao de
agua.
El procedimiento para realizar el ensayo es el siguiente:
1. Disponer de dos muestras en anillos distintos.
2. Introducir los anillos junto con las bolas en el bao de agua.
3. Aumentar la temperatura de manera constante.
4. Determinar la temperatura a la cual cada muestra baja los 25 mm necesarios.
5. Obtener el punto de ablandamiento como un promedio de estas temperaturas.
Luego de realizar el ensayo, se tiene que las dos muestras distintas (para el mismo betn), llegaron
abajo para temperaturas distintas:
Pudiendo deberse esto a disponer mayor cantidad de betn sobre un anillo que otro. De todos
modos, en la foto puede parecer que la diferencia entre ambas es muy grande, pero comparando
las temperaturas en la que esto ocurre se tiene que la muestra del lado izquierda presenta el
punto de ablandamiento a los 49.5 C, mientras que la muestra del lado derecho solo llego a este
punto 0.5 C despus, es decir, a 50 C. Finalmente se determina que el punto de ablandamiento
del betn estudiado es de 49.75 C.
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
6
2.4 Determinacin ndice de Pfeiffer
El ndice de Pfeiffer o de Penetracin es un ndice que proporciona un criterio de medida de la
susceptibilidad trmica del betn a los cambios de temperatura, dando adems una indicacin de
su comportamiento reolgico.
IP > 1: Representa un betn poco susceptible a la temperatura y un comportamiento
de fluido no newtoniano.
IP < -1: Representa un betn altamente susceptible a la temperatura y un
comportamiento de fluido newtoniano.
-1 < IP < 1: Representa un betn con caractersticas reolgicas y de flujo intermedias con
respecto a los casos anteriores. La mayora de los betunes utilizados en pavimentacin se
encuentran en este rango.
Es posible determinar este utilizando el nomograma de Heukelom, graficando los puntos
obtenidos en los tres ensayos anteriores y luego traspasar est pendiente a la zona especial para
determinar el IP existente en el nomograma. El nomograma con los datos anteriores queda de la
siguiente manera, donde los puntos rojos corresponden a los obtenidos con el ensayo de
Viscosidad Brookfield, el azul con el ensayo de Penetracin y el verde con el ensayo de Punto de
Ablandamiento:
Donde se tiene luego de traspasar la pendiente obtenida de los ensayos, que el ndice de Pfeiffer
para este betn es de -0.4, encontrndose est dentro del rango de los betunes ms utilizados
para pavimento. Para obtener el ndice de Pfeiffer se utilizo la recta con los puntos de ensayo de
viscosidad y ablandamiento, ya que el punto de penetracin tiene una tendencia distinta a estos.
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
7
2.5 Determinacin T de mezclado y compactacin
La temperatura de mezclado y compactacin se definen como las temperaturas necesarias para
que el betn tenga una viscosidad de 1.7 y 2.8 poises respectivamente. Estas se pueden
determinar utilizando el nomograma de Heukelom y proyectando la recta obtenida hasta estos
valores de viscosidad.
Se hace interceptar las rectas para la viscosidad necesaria para la compactacin (recta verde) y
mezclado (recta roja) con la recta obtenida de los ensayos y con esto se obtienen las
temperaturas:
Obteniendo de esta forma que la temperatura de compactacin necesaria es de 146 C y la
temperatura de mezclado necesaria es de 155 C.
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
8
3. Estimacin modulo dinmico Se estima el modulo dinmico de una mezcla asfltica, utilizando el modelo de Witczak Original
(con parmetros A y VTS) para el betn ensayado con anterioridad y una banda granulomtrica
dada por el promedio de la banda IV-A-12 dada por el manual de carreteras.
Para utiliza este modelo se requieren los siguientes parmetros de entrada:
Frecuencia [Hz]
Volumen de aire [%]
Volumen de betn efectivo [%]
Porcentaje acumulado por los tamices , 3/8 y N4 [%]
Porcentaje que pasa por el tamiz N200 [%]
Parmetros A y VTS
Temperatura [F]
De los cuales algunos fueron entregados y otros calculados:
3.1 Banda granulomtrica IV-A-12
La banda granulomtrica IV-A-12 es una de varias bandas granulomtricas propuestas en el
captulo 8 del manual de carreteras, la cual es de la siguiente forma:
Tamao tamiz % en peso que pasa
ASTM [mm] Min Max
3/4'' 20 100
1/2'' 12,5 80 96
3/8'' 10 70 85
N4 5 43 58
N8 2,5 28 42
N30 0,64 13 24
N50 0,315 8 17
N100 0,16 6 12
N200 0,08 4 8
Y en este caso se trabajara con el promedio de esta banda granulomtrica, por lo que se tiene lo
siguiente:
Tamao tamiz % en peso que pasa
ASTM [mm] Promedio
3/4'' 20 100
1/2'' 12,5 87,5
3/8'' 10 77,5
N4 5 50,5
N8 2,5 35
N30 0,64 18,5
N50 0,315 12,5
N100 0,16 9
N200 0,08 6
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
9
Luego los parmetros de entrada para el modelo son los siguientes:
3.2 Parmetros A y VTS
El mtodo VTS es un mtodo expuesto en la ASTM D2493, el cual consiste en caracterizar el betn
asfaltico en funcin de los parmetros A y VTS que corresponden al intercepto y la pendiente
respectivamente al realizar un grfico de la viscosidad del betn en funcin de la temperatura.
Siendo la viscosidad graficada en centipoise y con un doble logaritmo, mientras que la
temperatura en unidades Rankine y un logaritmo.
Para realizar este grfico se utilizaron los tres resultados obtenidos en el ensayo de Viscosidad
Brookfield:
Viscosidad [Poise]
Viscosidad [centiPoise]
Doble logaritmo de la Viscosidad
4300 430000 0,751
126 12600 0,613
12 1200 0,488
Temperatura [C]
Temperatura [R]
Logaritmo de la temperatura
60 600 2,78
90 654 2,82
120 708 2,85
Obtenindose de esta forma el siguiente grfico:
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
10
Teniendo de esta forma que los parmetros A y VTS son los siguientes:
3.3 Frecuencias
Las frecuencias a las cuales se determinaran los mdulos dinmicos son las siguientes:
a [mm] Z [mm] v [km/h] v [m/s] t [s] f [Hz]
100 100 20 5,6 0,072 2,2
100 200 20 5,6 0,108 1,5
100 300 20 5,6 0,144 1,1
100 100 60 16,7 0,024 6,6
100 200 60 16,7 0,036 4,4
100 300 60 16,7 0,048 3,3
100 100 100 27,8 0,0144 11,1
100 200 100 27,8 0,0216 7,4
100 300 100 27,8 0,0288 5,5
Las cuales se obtienen considerando un dimetro de rueda de 200 milmetros, profundidades de
100, 200 y 300 milmetros y velocidades de 20, 60 y 100 kilmetros por hora. Adems la
distribucin de cargas se considera en 45%, pudiendo obtener el tiempo de la siguiente manera:
Y luego la frecuencia:
Log ( Log () ) = -3,6483 Log (T) + 10,885 R = 1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
2,76 2,78 2,80 2,82 2,84 2,86
Log
( Lo
g (
) )
[ce
nti
Po
ise
]
Log (T) [Rankine]
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
11
3.4 Otros parmetros
Otros parmetros ingresados al modelo son los siguientes:
Y tambin las siguientes temperaturas:
T [C] T [F]
10 50
30 86
50 122
70 158
Las cuales se ingresan en grados Fahrenheit al modelo.
3.5 Obtencin Mdulos dinmicos
Luego de tener los parmetros principales, se estima el modulo dinmico para los 36 casos
existentes, ya que son 4 temperaturas distintas, para 9 frecuencias distintas. La ecuacin de
Witczak Original a utilizar es la siguiente:
Donde la viscosidad se obtiene de la ecuacin de los parmetros A y VTS:
De esta forma se obtienen los siguientes resultados:
T [F] f [Hz] E [psi]
50 2,2 1.696.916
50 1,5 1.580.765
50 1,1 1.500.890
50 6,6 2.030.658
50 4,4 1.904.472
50 3,3 1.817.017
50 11,1 2.194.049
50 7,4 2.063.974
50 5,5 1.973.510
86 2,2 402.094
86 1,5 360.274
86 1,1 332.887
86 6,6 535.909
86 4,4 482.879
86 3,3 447.878
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
12
86 11,1 609.125
86 7,4 550.416
86 5,5 511.519
122 2,2 100.958
122 1,5 89.343
122 1,1 81.923
122 6,6 140.431
122 4,4 124.370
122 3,3 114.070
122 11,1 163.500
122 7,4 144.919
122 5,5 132.976
158 2,2 34.891
158 1,5 31.083
158 1,1 28.664
158 6,6 48.038
158 4,4 42.647
158 3,3 39.220
158 11,1 55.886
158 7,4 49.555
158 5,5 45.528
Pudiendo apreciar que el modulo dinmico sufre grandes variaciones segn la temperatura y
frecuencia a la cual se estime, siendo un mayor modulo para temperaturas ms bajas, donde el
material se rigidiza y un mayor modulo para frecuencias ms altas, es por eso que el mayor
modulo obtenido es para la menor temperatura (50 [F]) y la mayor frecuencia (69.4 [Hz]), siendo
de 2.771.908 [psi].
Tambin es posible apreciar que el modulo disminuye a medida que aumenta la profundidad,
como se aprecia en el siguiente grfico, donde se analiza el comportamiento del material a
distintas profundidades para una velocidad constante de 20 km/h para los tres casos.
1.450.000
1.500.000
1.550.000
1.600.000
1.650.000
1.700.000
1.750.000
50 100 150 200 250 300 350
|E*|
[p
si]
Profundidad [mm]
|E*| vs profundidad
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
13
Luego, para el caso de la velocidad se puede ver como al aumentar la velocidad de los vehculos el
modulo aumenta, en el grfico se muestra el modulo de material para distintas velocidades y a
una profundidad constante de 100 mm.
-
500.000
1.000.000
1.500.000
2.000.000
2.500.000
0 20 40 60 80 100 120
|E*|
[p
si]
Velocidad [km/h]
|E*| vs velocidad
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
14
4. Construccin de curvas La construccin de curvas Maestras e Iscronas se realiza de la misma manera que para
determinar los mdulos dinmicos anteriores.
4.1 Curvas Maestras
Se construye la curva maestra para las temperaturas de 10, 20 y 40C, variando la frecuencia entre
y Hz, teniendo de esta forma los siguientes resultados:
T [C] f [Hz] E [psi]
10 0,0001 147.504
10 0,001 288.291
10 0,01 535.298
10 0,1 925.186
10 1 1.473.618
10 10 2.161.683
10 100 2.938.328
10 1000 3.737.555
10 10000 4.498.757
20 0,0001 51.566
20 0,001 102.880
20 0,01 204.232
20 0,1 390.730
20 1 702.383
20 10 1.168.151
20 100 1.788.012
20 1000 2.526.262
20 10000 3.322.040
40 0,0001 11.517
40 0,001 20.532
40 0,01 39.048
40 0,1 77.310
40 1 154.415
40 10 301.018
40 100 556.552
40 1000 956.875
40 10000 1.515.630
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
15
Y luego las curvas quedan de la siguiente manera:
Donde la escala logartmica permite ver de mejor manera el comportamiento para bajas
frecuencias y la escala aritmtica permite ver de mejor manera el comportamiento para
frecuencias grandes. Se puede observar lo ya mencionado antes, a menor temperatura se tiene un
mayor modulo dinmico y a mayor frecuencia ocurre lo mismo, aumenta el modulo dinmico del
material.
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
-6 -4 -2 0 2 4 6
Log
(M
du
lo d
inm
ico
[p
si])
Log (Frecuencia [Hz])
Curvas Maestra - Escala logartmica
10C
40C
20C
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-6 -4 -2 0 2 4 6
Log
(M
du
lo d
inm
ico
[p
si])
Mill
on
es
Log (Frecuencia [Hz])
Curvas Maestra - Escala aritmtica
10 C
40 C
20 C
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
16
4.2 Curvas Iscronas
Se construye la curva iscrona para las frecuencias de 2, 10 y 30 Hz, variando la temperatura entre
-10 y 50 C, teniendo de esta forma los siguientes resultados:
f [Hz] T [C] E [psi]
2 -10 4.656.573
2 0 3.013.622
2 10 1.667.874
2 20 825.690
2 30 391.413
2 40 189.538
2 50 97.959
10 -10 5.128.199
10 0 3.573.520
10 10 2.161.683
10 20 1.168.151
10 30 594.206
10 40 301.018
10 50 158.715
30 -10 5.422.005
30 0 3.949.138
30 10 2.525.145
30 20 1.446.081
30 30 773.926
30 40 406.856
30 50 219.188
Y luego las curvas quedan de la siguiente manera:
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Log
(M
du
lo d
inm
ico
[p
si])
Temperatura [C]
Curvas Iscronas - Escala logartmica
2 Hz
10 Hz
30 Hz
Laboratorio Vial Campus Santiago, UTFSM
17
Donde la escala logartmica permite ver de mejor manera el comportamiento para altas
temperaturas y la escala aritmtica permite ver de mejor manera el comportamiento para bajas
temperaturas. Se puede observar como el modulo disminuye cuando se tienen menores
frecuencias y que tambin al tener mayores temperaturas el modulo disminuye, como ya se ha
mencionado anteriormente.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Mo
du
lo d
inam
ico
[p
si]
Mill
on
es
Temperatura [C]
Curvas Iscronas - Escala aritmtica 2 Hz
10 Hz
30 Hz