influencia de la humedad relativa en la resistencia al
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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
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 1
2. OBJETIVOS ................................................................................................................................................... 3
2.1 General ........................................................................................................................................................... 3
2.2 Específicos ..................................................................................................................................................... 3
3. ANTECEDENTES ....................................................................................................................................... 4
4. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................................................................... 6
5. METODOLOGÍA PARA ELABORACIÓN DE ESPECÍMENES .................................................. 7
5.1 Concreto asfáltico .................................................................................................................................. 7
5.2 Agregados pétreos y llenante mineral ................................................................................................. 7
5.3 Definición contenido de asfalto óptimo ................................................................................................. 10
5.4 Fabricación de especímenes ...................................................................................................................... 11
5.4.1 Preparación de moldes y bandejas ................................................................................................... 11
5.4.2 Preparación agregado ......................................................................................................................... 11
5.4.3 Preparación del asfalto ....................................................................................................................... 12
5.4.4 Iniciación del proceso de mezclado ................................................................................................. 13
5.4.5 Compactación ...................................................................................................................................... 14
5.4.6 Proceso de desencofrado, marcado y corte de especímenes........................................................ 15
6. METODOLOGÍA PARA EVALUACIÓN VOLUMÉTRICA DE LOS ESPECÍMENES ....... 17
6.1 Procedimiento ....................................................................................................................................... 17
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
9 RESULTADOS EXPERIMENTALES ......................................................................................................... 25
9.1 Resultados de volumetría presentados por Olivo (2013). ................................................................... 25
9.2 Cálculos de volumetría ............................................................................................................................... 25
9.3 Definición de criterios para garantizar la mayor similitud entre ambos experimentos .................... 27
9.4 Retención de humedad ............................................................................................................................... 28
9.5 Resultados de ley de fatiga presentados por Olivo ................................................................................ 30
9.6 Resultados y análisis de ley de fatiga propios y comparación con antecedentes............................... 32
10. CONCLUSIONES .................................................................................................................................. 38
11. RECOMENDACIONES .............................................................................................................................. 39
12. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 40
13. ANEXOS .......................................................................................................................................................... 41
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%
................................................................................................................................................................................... 33
Tabla 10 - Consolidación de la totalidad de resultados para humedad al 80% ............................................ 33
Tabla 11 - Rangos que definen una ley de fatiga según NFP-98 .................................................................... 34
Tabla 12 - Parámetros para la ley de fatiga a 80% de humedad relativa ........................................................ 36
Tabla 13 - Comparaciones al millón de ciclos para la misma mezcla asfáltica ............................................. 37
Tabla 14 - Cálculos de % de aire y confirmación con restricción .................................................................. 41
Tabla 15 - Seguimiento de pesos especímenes 1-23 ............................................................................................ i
1. INTRODUCCIÓN
En las prácticas de construcción en ingeniería civil es necesaria la claridad sobre los factores de daño a
los que está sometida una estructura. Éstos dependen del tipo de estructura que se esté analizando, los
materiales con los cuales ésta fue construida, la metodología de construcción con la que ésta fue llevada
a cabo y, finalmente, las condiciones específicas de servicio a las cuales se encuentra sometida durante su
vida útil. En pavimentos se ha discutido sobre la importancia del daño por humedad en mezclas asfálticas.
Este daño, combinado con volúmenes representativos de tráfico, causa efectos adversos en el
comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica y en su capacidad para soportar la carga para la cual se
diseñó. El daño ocurre cuando la humedad presente en la mezcla causa una pérdida de adhesión entre la
película asfáltica y la superficie del agregado a la que envuelve o cuando se tiene una pérdida de cohesión
entre el mismo ligante asfáltico causando una reducción en la rigidez misma de la mezcla (Santucci, 2010).
Estos dos fenómenos pueden acelerar otros procesos de deterioro como ahuellamiento y/o agrietamiento
por fatiga. La humedad en la mezcla puede presentarse en forma líquida por precipitación, irrigación o
acción capilar o de forma de vapor por una inadecuada eliminación de remanentes de agua en el agregado
(mal secado del agregado) o por la existencia natural de un gradiente entre las capas inferiores del
pavimento y el medio ambiente. En cualquiera de las dos formas se pueden identificar parámetros que
ayudan a que el daño por humedad se presente más fácilmente. Dichos parámetros varían dependiendo
de la composición química y física del agregado así como de la calidad del método de producción de las
mezclas y de construcción en campo.
En las características físicas del agregado se tienen la forma, superficie, textura y gradación como factores
que influencian el espesor final de la película asfáltica que recubre a los agregados y por lo tanto la
adhesión entre ellos. Se sabe que superficies rugosas proveen mejor adhesión con el asfalto que las
superficies lisas. En las características químicas se tiene que el pH de los agregados varía de básico a ácido
mientras que el asfalto tiene un pH neutro lo que sugiere que el asfalto se adhería mejor a agregados con
pH básico. La presencia de arcillas en el agregado fino puede también afectar la rigidez de la mezcla ya
que estas se expandirían con la humedad debilitando entonces la mezcla asfáltica. Finalmente, las prácticas
constructivas pueden también influir en el contenido de humedad presente en la mezcla, buenas prácticas
pueden permitir la construcción de un pavimento resistente a daños por humedad. Esto depende de la
compactación del material; si se logran tener mezclas asfálticas las cuales al ser compactadas lleguen sean
superiores a un 90% de densidad se reduciría drásticamente la permeabilidad de la mezcla a la presencia
de humedad. (Santucci, 2010)
En el presente documento se presentan los resultados experimentales de varios ensayos de fatiga
tradicional basados en la norma NFP-98-261 en donde adicionalmente se controlaba la humedad relativa
de cada espécimen a fallar, factor que el ensayo tradicional no menciona como dato de control. El objetivo
de controlar la humedad del medio en el que las muestras fallan es el de poder describir un
comportamiento especial del criterio de falla a fatiga para una mezcla asfáltica en caliente convencional.
Para ello se usarán inicialmente resultados presentados con el mismo montaje para 3 humedades distintas
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
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evaluadas por el ingeniero Rodolfo Elías Olivo en su proyecto de grado de Maestría en Ingeniería Civil
(Olivo 2013), así como sus respectivos resultados y conclusiones. Posteriormente se presentarán
resultados para una humedad relativa de 80% para la misma mezcla asfáltica con la diferencia de que se
usaron 2 deformaciones unitarias adicionales con la finalidad de reducir un poco la dispersión excesiva
que se presenta típicamente en este ensayo. Finalmente se realiza un análisis de resultados entre ambos
trabajos y se concluye sobre la importancia contemplar la humedad como un factor relevante tanto en
diseño como en prácticas de construcción que usan mezclas asfálticas y adicionalmente de cómo estos
resultados impactan en la seriamente en la definición de la vida útil de una mezcla asfáltica
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
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2. OBJETIVOS
2.1 General
Elaborar una ley de fatiga de una mezcla asfáltica densa en caliente de tipo convencional a una
humedad relativa de 80% e identificar cómo dicha humedad afecta el ciclo de vida de la mezcla.
2.2 Específicos
Garantizar la mayor similitud posible en la fabricación de la mezcla con aquella fabricada en el
trabajo de grado de maestría titulado: “Influencia del contenido de humedad relativa en el
comportamiento y Deterioro a fatiga de una mezcla asfáltica convencional” Por el ingeniero
Rodolfo Olivo.
Garantizar una humedad relativa constante previamente se dé inicio al ensayo de fatiga a probetas
trapezoidales definidas en el ensayo NFP-98-261 (proceso de acondicionamiento).
Garantizar una humedad relativa constante durante la realización del ensayo de fatiga a probetas
trapezoidales definidas en el ensayo NFP-98-261.
Comparar los resultados de la ley de fatiga obtenida a 5 deformaciones definidas con una
humedad relativa de 80% con las 3 leyes de fatiga obtenidas en el trabajo de Olivo (2013) a 3
deformaciones definidas a 3 humedades relativas diferentes.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
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3. ANTECEDENTES
Los trabajos realizados para lograr identificar los posibles daños por humedad relativa en mezclas
asfálticas han mostrado resultados prometedores que sugieren que las propiedades de resistencia a la
fatiga de la mezcla sí se ven afectadas por dicho parámetro climático.
En la Universidad de los Andes, esta caracterización comenzó con el trabajo de grado de Maestría del
Ingeniero Edwin Echeverría en el cual se evaluaron 4 humedades relativas distintas (Echeverría 2010). El
procedimiento experimental realizado por Echeverría no contaba con un proceso precedente de
acondicionamiento de los especímenes; es decir los especímenes se encontraban en un ambiente de
humedad controlada únicamente poco tiempo antes de que se iniciara el ensayo de fatiga (durante 5 días)
sin la posibilidad de control de retención de humedad de las mismas (i.e., no había control sobre la
condición de estado estable). Adicionalmente se cuestionó el resultado obtenido de número de ciclos a
la falla para una humedad del 100% ya que esta humedad fue obtenida sumergiendo en su totalidad los
especímenes dispuestos para dicha humedad, lo que, de acuerdo con Echeverría podría generar posibles
presiones hidrostáticas que aceleran el proceso de deterioro de una mezcla asfáltica (Echeverría, 2011).
Las conclusiones obtenidas por Echeverría obedecen a una clara relación entre la humedad a la que se
somete la mezcla asfáltica así: “La vida a la fatiga de una mezcla asfáltica está fuertemente influenciada
por el contenido de humedad que presenta la misma en el momento de realizar el ensayo debido al fuerte
poder oxidativo que tiene el agua sobre la mezcla al generar altas presiones intersticiales al interior de la
misma produciendo procesos erosivos que deterioran rápidamente el material.” (Echeverría, 2011).
Complementando este trabajo estuvieron los trabajos presentados por Nicolás Sedán y Natalia Nieto
(Sedán, 2012), (Nieto, 2012) cuyas conclusiones siguen la misma tendencia que las de Echeverría. En el
caso de Sedán: “[…] los resultados obtenidos fueron bastante coherentes a los obtenidos en el estudio
mencionado. Por esta razón es posible concluir de igual manera a la tesis de Echeverría que la humedad
es un factor que afecta fuertemente la vida útil de las mezclas asfálticas” (Sedan, 2012) y por otro lado
para el caso de Nieto: “La humedad relativa influye en el tiempo de vida de la mezcla asfáltica para ensayos
a fatiga. Se encontró que a humedades relativas altas, las deformaciones son más bajas y las repeticiones
de cargas son más cortas […]” (Nieto, 2012). El argumento anterior muestra la existencia de una
proporcionalidad entre la humedad relativa del material y la vida a fatiga del espécimen en función de la
deformación aplicada; sin embargo, de los resultados presentados se observa que esto es únicamente
cierto para un cierto rango de ciclos de carga pero no la totalidad de ellos.
El siguiente trabajo en el ámbito de impacto por humedad relativa fue realizado por la ingeniera Sonia
Hernández (Hernández 2013), quien aunque no realizó un ensayo de ley de fatiga en mezclas, presenta
resultados de gran interés para este documento aunque sea únicamente centrado en las interacciones entre
agregado fino-asfalto y como éstas son afectadas por la humedad. Hernández, a diferencia de los 3
documentos ya descritos, realizó un análisis sobre el deterioro por humedad para una matriz asfáltica fina
o FAM por sus siglas en inglés. En este trabajo se analizaron 6 humedades relativas distintas y, a diferencia
de los trabajos pasados, se contó con un seguimiento de ganancia de peso (retención de humedad) de las
muestras que se pretendían ensayar. El ensayo al que fueron sometidas como ya se mencionó no fue de
la realización de una ley de fatiga como se había realizado antes, sino la obtención de módulos dinámicos
de la muestra por medio de la metodología de analizador mecánico dinámico (DMA). Los resultados del
módulo dinámicos mostraron que sí existe una afectación de éste por la humedad relativa a la cual está
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
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expuesta la matriz asfáltica, sin embargo dicha afectación no es directamente proporcional a la humedad
(entre más humedad menor módulo) sino que existe un rango de humedades en donde el módulo se
comporta de forma diferente, dicha humedad era de 80% y en ella el módulo presentaba un inexplicable
incremento antes de volver a bajar su magnitud para humedades posteriores e inmediatamente anteriores
(70%, 60%, 50%). La conclusión principal del trabajo de Hernández fue: “La principal conclusión que se
obtuvo en este trabajo es que la humedad relativa sí genera un impacto significativo en las propiedades
viscoelásticas de la matriz asfáltica fina evaluada y en el desempeño de este material en cuanto al deterioro
por carga cíclica.” (Hernández, 2013). Dicha conclusión está en orden con los resultados presentados por
Echeverría, Sedan y Nieto.
Finalmente el ingeniero Rodolfo Olivo rediseñó totalmente el montaje propuesto por Echeverría, en
donde se rediseñaron las cámaras de acondicionamiento en donde serían fallados los especímenes con
la adición de 2 pequeños motores de circulación del aire entre la solución que garantiza la humedad y la
cámara donde se encontraba el espécimen (Olivo 2013). Se planeó una nueva forma de lograr el
acondicionamiento pudiendo llevar control sobre la retención de humedad de los especímenes y así
garantizar que cada uno de ellos se encontrara a la humedad solicitada para el momento de iniciar el
ensayo, a diferencia de Echeverría en donde este proceso se realizaba directamente en la máquina de
fatiga. Las humedades usadas en este trabajo fueron de 8%, 45% y 100%. Olivo también garantizó la
humedad del 100% sin necesidad de sumergir los especímenes en su totalidad, eliminando así el factor
de presiones hidrostáticas que se cree aceleraban el proceso de deterioro por fatiga. Las principales
conclusiones de este trabajo fueron las siguientes: “La creación e implementación del proceso de
preacondicionamiento de probetas reduce de forma importante el tiempo total de ensayo a fatiga a
humedad controlada (alrededor del 66%) si se compara con acondicionar en el equipo a fatiga, generando
ahorros importantes en tiempos de espera de la máquina a fatiga.” (Olivo 2013). “No existe una tendencia
general entre humedad relativa y resistencia a fatiga, el comportamiento depende del nivel de deformación
aplicado. A mayor contenido de humedad relativa la resistencia a fatiga disminuye a deformaciones altas,
mientras que a deformaciones intermedias y bajas aumenta.” (Olivo, 2013) Esta última afirmación es
principal en la justificación de este proyecto de grado.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
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4. JUSTIFICACIÓN
La inclusión y entendimiento de todos los factores que afectan significativamente el desempeño de un
material no sólo es indispensable para el diseño de cualquier estructura sino que la correcta manipulación
y control de estos permitirá ahorros en costos ya que, en este caso una mezcla asfáltica, presentará
condiciones de serviciabilidad aceptables durante el periodo de vida para el cual efectivamente se diseñó
sin necesidad de realizar intervenciones imprevistas debido al mal estado de la misma. Dicho esto, el
entendimiento del parámetro de humedad relativa en el diseño de mezclas asfálticas permitirá la
realización de diseños más eficientes de pavimentos que cumplan con la vida útil que se espera para la
carga de diseño y para las condiciones climáticas del proyecto, ya que se tendrá mayor certeza sobre los
factores y la forma en que éstos afectan la estructura.
El procedimiento seguido por Echeverría, Nieto y Sedán para diseñar la mezcla y definir sus propiedades
volumétricas fue el procedimiento Marshall y los ensayos de gravedad específica máxima y bulk. No
obstante, en la preparación de réplicas de ensayo, pueden existir diferencias en los valores volumétricos
finales con respecto a los de diseño (i.e., variabilidad en el contenido de vacíos de la mezcla). Dichas
diferencias afectan no sólo la respuesta mecánica de la mezcla sino también los procesos de
acondicionamiento de humedad esperados en cada espécimen. Por esta razón en este proyecto se
determinará el contenido de vacíos de cada espécimen de ensayo por separado usando la normativa del
INVIAS – 733 titulada: “Peso específico aparente y peso unitario de mezclas compactadas empleando
especímenes saturados con superficie seca”.
La última afirmación de Olivo (“No existe una tendencia general entre humedad relativa y resistencia a fatiga, el
comportamiento depende del nivel de deformación aplicado. A mayor contenido de humedad relativa la resistencia a fatiga
disminuye a deformaciones altas, mientras que a deformaciones intermedias y bajas aumenta”) muestra que, contrario
a lo que se esperaba y que se había observado en el trabajo de Echeverría, en este caso parece no existir
una tendencia general entre la humedad y la resistencia a fatiga para las humedades ensayadas por él (8%,
45%, 100%). Esto puede deberse a la utilización de los puntos mínimos necesarios para la construcción
de una ley de fatiga y al amplio rango entre las humedades. Estos dos puntos fueron en los que se basó
el presente trabajo. La definición de 2 puntos adicionales de estudio (i.e., dos deformaciones unitarias
adicionales) permiten reducir la dispersión típica encontrada en el ensayo a fatiga de mezclas asfálticas.
La dispersión para cada deformación, sin embargo, aún puede contener cierta dispersión para una misma
deformación. No obstante este punto busca controlarse como se explicará en la sección de procedimiento
experimental. Una vez definidas las 2 deformaciones adicionales, se consideró prudente escoger una
humedad relativa la cual pudriera emplearse para entender un poco más el fenómeno en estudio
complementando los resultados de Olivo (2013). Así, recordando los resultados de Hernández (2013), en
dónde la humedad a 80% para la matriz fina generaba un comportamiento diferente en los módulos
dinámicos a la tendencia que se venía presentando para humedades inferiores al 80%, se escogió
precisamente dicha humedad de 80% para la realización de los ensayos a fatiga. Esto permitiría identificar
si existe algún comportamiento especialmente distinto para dicha humedad pero esta vez los resultados
serían claramente exclusivamente para la definición de los ciclos a la falla para la misma mezcla asfáltica
usada por Olivo (2013), Hernández (2013), Sedán (2011) y Nieto (2011).
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
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5. METODOLOGÍA PARA ELABORACIÓN DE ESPECÍMENES
A continuación se presenta una completa descripción de la metodología de selección y caracterización de
los materiales usados en la elaboración de la mezcla asfáltica así como el procedimiento seguido para la
elaboración de la mezcla. Se muestran tanto las especificaciones técnicas así como la normatividad con
las cuales los materiales deberían contar para ser considerados como propios de una MDC-2 (Mezcla
densa en caliente tipo 2).
5.1 Concreto asfáltico
El concreto asfáltico o asfalto utilizado para la realización de la MDC-2 es exactamente el mismo usado
por Olivo, esto permitió llevar continuidad sobre los resultados que se obtuvieran al final de este
proyecto. El asfalto es de la planta de Ecopetrol en Barrancabermeja y tiene una penetración 60-70.
(Olivo, 2013). Algunas de sus características se muestran a continuación:
Tabla 1 - Especificaciones técnicas dadas por Ecopetrol (Olivo, 2013)
Análisis Unidad Resultado Especificación Método
Viscosidad a 60°C cP 150000 Reportar ASTMD D 4402
Viscosidad a 80°C cP 15150 Reportar ASTMD D 4402
Viscosidad a 100°C cP 2647 Reportar ASTMD D 4402
Viscosidad a 135°C cP 295 Reportar ASTMD D 4402
Viscosidad a 150°C cP 155.3 Reportar ASTMD D 4402
Ductilidad cm 140 100 Mínimo ASTMD D 113 D
Gravedad API Grados API 7.6 Reportar ASTMD D 4052
Densidad a 15°C gr/cm³ 1.0166 Reportar ASTMD D 4052
Penetración a 25°C mm/10 65 60 Mínimo/70 Máximo ASTMD D 5
Índice de penetración N/A -9 Reportar ASTMD D 2872
Pérdida de Masa (RTFO) g/100g 0.23 1 máximo ASTMD D 36
Punto De ablandamiento
°C 48.6 45 mínimo/55 máximo ASTMD D 92
Punto de Inflamación °C 306 232 Mínimo ASTMD D.2042
5.2 Agregados pétreos y llenante mineral
Los agregados de la mezcla asfáltica fueron seleccionados de acuerdo con los límites planteados en el
Artículo 450: “Mezcla densa en Caliente (Concreto Asfáltico)” del Instituto nacional de vías INVIAS. En
él se especifican los límites que se deben cumplir para la fabricación de una MDC-2, así como temas de
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
8
interés para obras viales como transporte, compactación, elaboración y colocación de dicha mezcla. Es
este caso, los límites especificados son los mostrados en la Tabla 2 y en la Figura 1.
Tabla 2 - Límites de Granulometría para una MDC-2
Tamiz % Que pasa
Normal Alterno Límite superior Límite inferior
25.0 mm 1'' - -
19.0 mm 3/4'' 100 100
12.5 mm 1/2'' 100 80
9.5 mm 3/8'' 88 70
4.75 mm No.4 68 51
2.00 mm No.10 52 38
4.5 µm No.40 28 17
180 µm No. 80 17 8
75 µm No.200 8 4
Figura 1 - Límites de granulometría para MDC-2
Teniendo conocimiento de esto, se definió la curva de granulometría con sus respectivos pesos para cada
abertura de tamiz que mejor se acomodaba dentro de los límites estipulados por el artículo 450. Esta
clasificación de pesos se hizo en la medida en que se pudieran obtener los respectivos tamaños de
agregado suficientes para la elaboración de los especímenes sin recaer en el exceso de producción de
mezcla y por ende en pérdida importante de la granulometría como un todo. Adicionalmente se tenía que
tener en cuenta que los pesos que se establecieran debían ser reales y no caer en cantidades excesivas de
un solo tamaño de material, esto debido a que los tamaños No 4 para los agregados gruesos y No 40 se
obtenían en cantidades muy pequeñas por cada sesión de tamizaje de la fuente de agregado en bruto y,
adicionalmente, según los límites del INVIAS, son los materiales cuyo contenido está mayormente
0
20
40
60
80
100
120
3/4'' 1/2'' 3/8'' No.4 No.10 No.40 No. 80 No.200
% Q
ue P
asa
Límites de granulometría para una mezcla MDC-2
Límite superior
Límite inferior
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
9
compuesta la granulometría total con el 20% de material compuesto en su totalidad por un tamaño No
4 y un 24% de material compuesto de No 40. Es decir, entre ambos materiales se compone cerca de la
mitad de toda la granulometría de la mezcla. Así a continuación se muestran los pesos por tamiz escogidos
en la Tabla 3 y en la Figura 2.
Tabla 3 - Granulometría escogida
Tamiz Peso (gr) % Retenido %retenido acumulado
% Que pasa
Límite superior
Límite inferior
3/4'' 0.0 0.0 0.0 100.00 100 100 1/2'' 571.7 7.3 7.3 92.69 100 80 3/8'' 800.4 10.2 17.5 82.46 88 70 No.4 1905.8 24.4 41.9 58.10 68 51
No.10 1524.6 19.5 61.4 38.61 52 38 No.40 1534.0 19.6 81.0 19.00 28 17 No. 80 533.6 6.8 87.8 12.18 17 8 No.200 495.5 6.3 94.2 5.85 8 4 Fondo 457.4 5.8 100.0 0.00 0 0
Total (gr) 7823.0
Figura 2 - Gráfica de la granulometría escogida
Como puede observarse en la gráfica anterior, la mezcla cumple con los límites de granulometría
estipulados por el INVIAS. Dicha información se puede comprobar en la Tabla 3, en donde el porcentaje
que pasa de cada tamiz se encuentra dentro de los límites superior e inferior. Finalmente se puede ver
que la granulometría densa escogida tiene la forma típica de “S” inversa alargada para clasificarse como
bien gradada.
0
20
40
60
80
100
120
3/4'' 1/2'' 3/8'' No.4 No.10 No.40 No. 80 No.200
% Q
ue p
asa
Granulometría escogida
Límitesuperior
Límiteinferior
Agregadosseleccionados
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
10
5.3 Definición contenido de asfalto óptimo
Para el desarrollo efectivo de la mezcla se hizo uso de la metodología SuperPave americana. Debido a
que el diseño es general se decidió usar únicamente un diseño basado en volumetría. Para esto es necesario
definir el porcentaje de asfalto óptimo para la mezcla el cual garantizará el recubrimiento total de las
partículas de agregado así como remanente de concreto asfáltico que sirva de ligante entre las mismas. El
método usa la compactación a un número de giros de diseño (Nd) por medio de un compactador giratorio.
Este porcentaje se define como aquel que permite un máximo teórico de compactación de 96% (i.e. 4%
de vacíos) (Santucci, 2010) cuando la mezcla es compactada a un número de giros de diseño (Nd), e
igualmente permite un porcentaje de compactación de 89% (i.e. 11% de vacíos) a un número de giros
inicial (Ni). Los cálculos del número de giros de diseño fueron tomados del ingeniero Eduardo Rueda en
su proyecto de maestría titulado: “Diseño e implementación de un montaje experimental para la
Caracterización mecánica de mezclas asfálticas mediante ensayos tipo "hollow cylinder" (2012), en dónde
él obtuvo los resultados siguientes con la suposición de que el pavimento va a tener una temperatura
máxima de 39°C y un nivel de tráfico menor a 10 millones de ejes equivalentes de 8.2 toneladas. Los
resultados de Rueda fueron:
Tabla 4 - Resultados Cilindro giratorio (Rueda, 2012)
Nd (Giros de Diseño)
96
Ni (Giros iniciales) 8
Nm (Giros Máximos)
152
Rueda también desarrolló la curva de densidad máxima para la mezcla de la cual se pudo entonces hallar
el porcentaje óptimo de asfalto para la mezcla suponiendo un máximo posible teórico de vacíos de 4%
tal y como se muestra en la Figura 3 en dónde se calcula un porcentaje óptimo de asfalto de 5.9% (Olivo,
2013).
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
11
Figura 3 - Contenido óptimo de asfalto (Olivo, 2013)
5.4 Fabricación de especímenes
El procedimiento seguido para la elaboración de los especímenes se describe a continuación:
5.4.1 Preparación de moldes y bandejas
Los moldes y bandejas debían dejarse un día antes al día que se iba a realizar la mezcla en el horno a una
temperatura de 160C°. Esto evitará que el asfalto reduzca su temperatura rápidamente y la realización de
la mezcla se pueda efectuar más fácilmente. Los moldes son estándar para la fabricación de bloques o
“panelas” con dimensiones interiores de 30x30cm y 4cm de altura. La Figura 4 muestra uno de los moldes
con su respectiva cubierta.
Figura 4 - Molde 30x30x4cm con tapa
5.4.2 Preparación agregado
Los pesos para cada agregado fueron definidos en la Tabla 1. De ahí, por practicidad, se separaron los
agregados finos de los gruesos ya que se esperaba primero mezclar el agregado grueso y una vez mezclado
se agregara el agregado fino, lo que ayuda a garantizar que la totalidad de los agregados quedara cubierta
0
2
4
6
8
10
12
14
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5
% d
e v
acío
s
% de Concreto asfáltico
Determinación de contenido óptimo de asfálto para la mezcla definida
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
12
con asfalto. Se separaron entonces como finos los agregados que se quedaban en el tamiz No 40 y más
pequeños y como gruesos los agregados que permanecían en el tamiz No 10 y más grandes. Ambos
recipientes que contienen los agregados debían dejarse en el horno a 160 °C, con el objetivo de eliminar
cualquier posible remanente de agua contenido dentro de los agregados. La siguiente ilustración muestra
los elementos hasta ahora mencionados dentro del horno a 160°C. La Figura 5 muestra como era el
montaje en el horno de los elementos mencionados.
Figura 5 - Materiales y elementos en horno
5.4.3 Preparación del asfalto
El asfalto al igual que los moldes, las bandejas y el agregado debía estar a una temperatura de 160°C; muy
superior al punto de ablandamiento. Esto para garantizar fluidez del mismo para el pesaje y mezcla con
el agregado.
Como se mencionó con anterioridad, el contenido óptimo de asfalto corresponde al 5.9%, esto es el 5.9%
del peso total de los agregados. Así se calculó que el peso de asfalto que se debía usar teniendo en cuenta
los pesos ya escogidos de la granulometría, adicionalmente se decidió usar un 0.2% adicional de asfalto
debido a posibles desperdicios o remanentes en la bandeja donde se calienta el asfalto para mezclarlo con
el agregado. El peso del asfalto fue entonces:
𝑊𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 = ∑ 5.9% 𝑑𝑒𝑙 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 + 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜
𝑊𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 = 7823.0𝑔 ×5.9%
100%+ 7823.0𝑔 ×
0.2%
100%= 461.56𝑔 + 15.54𝑔 = 477.10𝑔
En la Figura 6, se muestra el asfalto en la bandeja dispuesta para su pesaje y se entenderá por qué se
decidió tomar un porcentaje adicional del asfalto ya que el asfalto podría ir perdiendo su temperatura e
ir pegándose al recipiente que lo contiene, implicando una pérdida de asfalto importante al que se pesó
ya que este asfalto “frio” no se ligará tan fácil posteriormente con el agregado.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
13
Figura 6 - Concreto asfáltico previo a la mezcla ya pesado
5.4.4 Iniciación del proceso de mezclado
Teniendo los moldes, las bandejas y el asfalto ya pesado aún caliente, se procede a agregar el agregado
grueso en primer lugar a la bandeja que contiene el asfalto. Se procede a mezclar manualmente con pala
los agregados gruesos de tal forma que no sea visible ninguna superficie del agregado libre de asfalto. El
aspecto de la mezcla únicamente con agregado produce un color negro oscuro muy brillante, lo que indica
un exceso de asfalto en el agregado actual. Una vez se termine de mezclar el agregado grueso se añade el
agregado fino y se mezcla nuevamente con el mismo criterio de no ver superficies libres de agregado.
Gradualmente se empezó a ver como el color brillante sobre el agregado iba opacándose indicando que
las partículas finas están tomando el exceso de asfalto de las partículas gruesas. Todo este proceso de
mezcla se realizó en la bandeja caliente y adicionalmente sobre una plancha a 130C° (capacidad máxima
de calentamiento del equipo). La mezcla en el caso de sólo el agregado grueso se muestra en la Figura 7
y la mezcla con agregado grueso y fino en la Figura 8.
Figura 7 - Mezcla con únicamente agregado grueso
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
14
Figura 8 - Mezcla con agregado fino y grueso
Una vez se mezclaba la totalidad de los agregados, ésta se situaba en su totalidad en el molde previamente
engrasado, tal y como se muestra en la Figura 9. Se debe asegurar uniformidad a la rasante de la mezcla
en el molde para evitar complicaciones al colocar la tapa o la cubierta sobre él. Para esto se decidió ir
llenando el molde por terceras partes y rasar lo mejor posible con una pala.
Figura 9 - Mezcla en molde engrasado
Una vez se tuviera listo el material en el molde, se metía junto con la cubierta nuevamente al horno a
140°C y se esperaba 40 minutos. Pasados los 40 minutos se rasaba la superficie, se tapaba y se llevaba a
compactar cuando aún el molde y la tapa estaban calientes.
5.4.5 Compactación
La compactación al igual que en el proyecto de Olivo (2013), se realizó con la prensa de compactación
Marca Forney de serie 65215 con capacidad máxima de aplicación de carga de 180 Ton. La Compactación
fue realizada a 130 Ton de carga constante verificando igualdad sobre toda la superficie en la cual el
pistón está aplicando la carga gracias a un nivelador el cual garantiza una repartición de la carga sobre
toda la parte superior del molde. Es aquí donde fue importante dejar la superficie rasada al colocar la tapa
sobre el molde. Se dejó bajo carga constante durante 7 minutos verificando constantemente la
uniformidad con la que la tapa iba bajando sobre el molde. La Figura 10 muestra como ocurrió la
compactación para la totalidad de las muestras. Finalizado el proceso de compactación se retiraba el
molde y se dejaba en reposo durante 15 horas como mínimo.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
15
Figura 10 - Proceso de compactación
5.4.6 Proceso de desencofrado, marcado y corte de especímenes
Pasado el tiempo requerido de reposo se desencofraron los bloques o “panelas” contenidos dentro del
molde, tal y como se ve en la Figura 11.
Figura 11 - Bloques, "Panelas" después de ser desencofradas
Una vez desencofradas las panelas podían ser marcadas con las dimensiones que se estipulan en la norma
NFP-98-261 para la fabricación de especímenes de forma trapezoidal isósceles, como se muestra en la
Figura 12. El espesor e era obtenido gracias a la compactación en la prensa.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
16
Figura 12 - Dimensiones estándar según NFP-98-261
La Figura 13 muestra cómo se marcaron las panelas. Debido a las dimensiones de los moldes y no
comprometer la integridad de las panelas se decidió marcar cada panela con únicamente 4 especímenes
trapezoidales, más no de 5 como se tiene en la plantilla actual que emplea el laboratorio.
Figura 13 - Panela marcada (izquierda) y plantilla estándar (derecha)
Posterior al demarcamiento de las panelas se podía proceder al corte con el cual el personal técnico del
laboratorio ayudó efectivamente. Finalmente en total se fabricaron 40 especímenes cuya forma final se
puede apreciar en la Figura 14 (La figura no contiene los 40 especímenes).
Figura 14 - Especímenes cortados
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
17
6. METODOLOGÍA PARA EVALUACIÓN VOLUMÉTRICA DE
LOS ESPECÍMENES
Como ya se había mencionado anteriormente, la determinación de porcentaje de vacíos a diferencia de
los trabajos realizados por Echeverría, Nieto y Sedán no fue realizada por los valores obtenidos mediante
pesaje y medición de volúmenes de especímenes fabricados mediante el método de compactación
Marshall. Para este trabajo se utilizó la norma INVE-733. La norma hace alusión al cálculo de 3 cantidades
principales: Peso seco, peso sumergido, peso saturado superficialmente seco y peso específico aparente
(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).
𝐺𝑚𝑏1 =𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜1
(𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜1 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑆𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜1)× 1𝑔𝑟/𝑐𝑚³
𝐺𝑚𝑏1 =0.678𝑘𝑔
(0.681𝑘𝑔 − 0.361𝑘𝑔)× 1𝑔𝑟/𝑐𝑚³ = 2.119𝑔𝑟/𝑐𝑚³
Cálculo de % de vacíos:
%𝑣𝑎𝑐í𝑜𝑠 = (1 − (Gmb1
Gmm)) × 100% = (1 − (
2.119
2.312)) × 100% = 8.359%
La distribución total de vacíos para todos los especímenes propios se muestra a continuación en la Figura
26 - % de vacíos de los 40 especímenes propios. La línea de color rojo corresponde al promedio para la
totalidad de los especímenes evaluados, el cual se consideró alto, como se explicará en la sección siguiente
para la comparación de los resultado presentados por Olivo.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
27
Figura 26 - % de vacíos de los 40 especímenes propios
9.3 Definición de criterios para garantizar la mayor similitud entre ambos
experimentos
Como se quiso llegar a la mayor similitud entre los resultados con Olivo, a continuación se presentan los
resúmenes de ambas volumetrías:
Tabla 7 - Resúmenes de ambas volumetrías
Media % vacíos Olivo 8.2
Media % vacíos 9.4 Máximo % vacíos Olivo 10.2
Máximo % vacíos 11.7 Mínimo % vacíos Olivo 6.5
Mínimo % vacíos 6.8 Máxima variación posible Olivo 3.7
Máxima variación posible 4.9 Desviación estándar Resultados propios 1.14
Como se puede observar, los resultados propios presentan un mayor promedio en el porcentaje de vacíos
que los de Olivo y, adicionalmente, una mayor “máxima posible variación de porcentaje de vacíos”. Esta
situación sugirió la necesidad de reducir el porcentaje de vacíos con el objetivo de mantener condiciones
comparables a las del estudio de Olivo. Para esto, se determinó que sólo se usarían los especímenes que
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Po
rcen
taje
de v
acío
s (%
)
Número de espécimen
Distribución de % de vacíos para cada espécimen individual
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
28
tuvieran una tolerancia del 20% mayor a la media presentada por Olivo. Es decir, si un espécimen tenía
un porcentaje de vacíos mayor a la media de Olivo pero era únicamente un 20% mayor, dicho espécimen
podía utilizarse en los ensayos de fatiga. En caso de ser menor, sí se usaría sin ningún problema en los
ensayos de fatiga. Hecho esto, el número de especímenes que cumplían con la restricción impuesta se
redujo de 40 posibles especímenes para el ensayo de fatiga a 28, recordando que se necesitaban 20 para
la elaboración de la ley de fatiga deseada. No obstante esta pérdida de especímenes, este criterio se
consideró necesario para poder comparar las leyes de fatiga de Olivo con las propias. Hecho esto, el
resumen de las nuevos especímenes que cumplen la restricción es el siguiente:
Tabla 8 - Nuevo resumen de especímenes después de aplicada la restricción
Media % aire Olivo 8.2
Media % aire 9.0 Máximo % aire Olivo 10.2
Máximo % aire 9.9 Mínimo % aire Olivo 6.5
Mínimo % aire 6.8 Máxima variación posible Olivo 3.7
Máxima variación posible 3.1 Desviación estándar Resultados propios 0.88
Como se puede observar la nueva media, la nueva máxima variación posible y la desviación estándar se
reducen aplicando la restricción impuesta.
9.4 Retención de humedad
Como se mencionó anteriormente, se llevó el registro de peso diario para los primeros 24 especímenes
con el fin de caracterizar la capacidad de acondicionamiento de humedad de la mezcla. A continuación
se muestran las curvas de absorción de humedad normalizadas sobre su peso inicial para 23 de dichos
especímenes (el espécimen número 24 sufrió un grave golpe que la fracturó, por lo cual debió ser
descartado). Las figuras que contienen ésta información son: la Figura 27, Figura 28 y la Figura 29.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
29
Figura 27 - Pesos Normalizados (1-8)
Puede verse el comportamiento anormal del espécimen número 1. Dicho comportamiento llevó a que
éste fuera descartado posteriormente descubriéndose que tenía una fisura importante que podría originar
los cambios tan abruptos en su peso.
Figura 28 - Pesos Normalizados (9-16)
1.000000
1.000200
1.000400
1.000600
1.000800
1.001000
1.001200
1.001400
0 5 10 15 20
% d
e a
um
en
to e
n p
eso
Días
Seguimiento retención humedad (1)
Probeta 2
Probeta 3
Probeta 4
Probeta 5
Probeta 6
Probeta 7
Probeta 8
1.000000
1.000100
1.000200
1.000300
1.000400
1.000500
1.000600
1.000700
1.000800
1.000900
1.001000
0 5 10 15 20
% d
e a
um
en
to e
n p
eso
Días
Seguimiento retención humedad (2)
Probeta 9
Probeta 10
Probeta 11
Probeta 12
Probeta 13
Probeta 14
Probeta 15
Probeta 16
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
30
Figura 29 - Pesos Normalizados (17-23)
Con los resultados de las tres gráficas puede verse que aproximadamente a los 15 días de iniciarse el
acondicionamiento se obtiene un comportamiento uniforme en el peso de los especímenes, esto implica
que ya no solo el ambiente donde se encuentran los especímenes se encuentra a 80% de humedad sino
que el mismo espécimen también lo está (i.e., condición estable).
9.5 Resultados de ley de fatiga presentados por Olivo
A continuación se muestran las leyes de fatiga tomadas directamente del proyecto de grado de Olivo, las
cuales se muestran para la posterior comparación con los resultados de la ley de fatiga realizada en el
presente estudio. El orden de presentación de las figuras es: 8% HR contenida en la Figura 30, HR 45%
en la Figura 31 y finalmente HR 100% presentada en la Figura 32.
Figura 30 - Ley de fatiga para HR 8% (Olivo, 2013)
1.000000
1.000200
1.000400
1.000600
1.000800
1.001000
1.001200
1.001400
1.001600
1.001800
0 5 10 15 20
% d
e a
um
en
to e
n p
eso
Días
Seguimiento retención humedad (3)
Probeta 17
Probeta 18
Probeta 19
Probeta 20
Probeta 21
Probeta 22
Probeta 23
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
31
Figura 31 - Ley de fatiga para HR 45% (Olivo, 2013)
Figura 32 - Ley de fatiga para HR 100% (Olivo, 2013)
De las tres gráficas se pueden identificar claramente las 3 deformaciones usadas por Olivo para definir la
ley de fatiga, así como también los 4 puntos para cada una de dichas deformaciones. Se notará especial
diferencia con el presente trabajo en donde se tendrán cuartetos por cada deformación evaluada, pero
para 5 niveles de deformación diferentes. Finalmente se muestra la consolidación de las 3 leyes en un solo
plano, en donde se observa con una proporcionalidad dependiente de cada humedad y definida por un
punto de pivote (Figura 33). Es decir, se observa que a partir de los 200000 ciclos comienza a exhibirse
un comportamiento particular de la mezcla expuesta a una humedad del 100%. Este es que, para una
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
32
misma deformación, se tienen diferentes ciclos de carga a comparación de las humedades de 45% y 8%,
en este caso, la humedad de 100% muestra la mayor cantidad de ciclos para una misma deformación. Por
otro lado, para ciclos menores a 200,000 ciclos ocurre totalmente lo contrario, para una misma
deformación, el número de ciclos para la mezcla expuesta al 100% de humedad relativa resiste una menor
cantidad de ciclos a las mezclas expuestas a 8% y 45%. Otro resultado apreciable de esta gráfica es que la
mezcla expuesta a una humedad de 45% siempre está dentro de la humedad de 8% y de 100% para antes
y después del pivote en 200,000 ciclos. Es decir que pareciera que la humedad es proporcional a la
deformación posterior a los 200,000 ciclos e inversamente proporcional antes de este número de ciclos.
Es en este punto donde se hace valida la justificación de evaluar el comportamiento de la misma mezcla
para una humedad relativa intermedia del 80%.
Figura 33 - Conjunto de leyes de fatiga (Olivo, 2013)
9.6 Resultados y análisis de ley de fatiga propios y comparación con antecedentes
A continuación se presentan los resultados de la ley de fatiga propia a un nivel de humedad relativa del
80%. Posteriormente, en un mismo plano se presenta esta ley de fatiga con las leyes de fatiga obtenidas
por Olivo (2013).
Los resultados muestran que la dispersión para una misma deformación siguió siendo alta con la
tendencia a seguir aumentando para deformaciones más altas como se muestra en la Tabla 9. Sin embargo
es la naturaleza del fenómeno la cual sugiere dicha variabilidad por cada deformación evaluada. La Tabla
10 contiene la totalidad de especímenes evaluados para la construcción de la ley de fatiga. En ella se
encuentran los ciclos a la falla encontrados (en caso de que haya fallado) así como el porcentaje de vacíos
para cada uno de los especímenes.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
33
Tabla 9 - Desviaciones estándar de deformaciones utilizadas para la construcción de la ley de fatiga a 80%
ε
Desviación estándar
de número de ciclos a
la falla
2.22E-04 29002
2.05E-04 23476
1.82E-04 25833
1.42E-04 318036
1.14E-04 1291033
Tabla 10 - Consolidación de la totalidad de resultados para humedad al 80%
# Espécimen
% De vacíos
ε Tiempo final (Días)
Ciclos al final
¿Descartar?
4 9.81 7.97E-05 5.83 5036370 SI
5 8.28 7.97E-05 1.34 1157890 SI
12 8.49 7.97E-05 3.88 3353100 SI
19 7.46 7.97E-05 7.09 6125400 SI
20 9.68 7.97E-05 7.09 6125400 SI
16 9.65 1.14E-04 2.07 1786070 NO
18 8.72 1.14E-04 4.39 3788640 NO
28 10.75 1.14E-04 1.19 1027190 NO
29 9.34 1.14E-04 1.26 1087260 NO
6 6.80 1.42E-04 0.99 851230 NO
8 9.79 1.42E-04 5.83 5036370 SI
15 10.37 1.42E-04 0.44 378740 NO
30 9.64 1.42E-04 0.19 168190 NO
32 10.20 1.42E-04 0.22 186210 NO
10 7.80 1.82E-04 0.15 126270 NO
11 8.69 1.82E-04 0.14 117270 NO
22 7.62 1.82E-04 0.11 94400 NO
25 9.44 1.82E-04 0.18 156800 NO
33 9.94 2.05E-04 0.05 45240 NO
34 9.87 2.05E-04 0.07 57910 NO
35 9.70 2.05E-04 0.11 97750 NO
36 9.04 2.05E-04 0.12 81190 NO
7 9.86 2.22E-04 0.05 45110 NO
9 8.74 2.22E-04 0.04 36080 NO
26 9.29 2.22E-04 0.11 99060 NO
27 9.48 2.22E-04 0.09 76570 NO
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
34
La columna llamada “Tiempo final (días)” muestra cuanto fue el tiempo en días para que, por un lado, el
espécimen fallara, o bien se suspendiera el ensayo debido a la obtención parcial de resultados
cuestionables. Como se puede ver, se obtuvieron resultados cuestionables de los ciclos a la falla para una
deformación de 7.97E-5, la más pequeña de todas las deformaciones implementadas. Para estas
deformaciones jamás se llegó a la falla por el criterio de falla ya definido anteriormente (reducción de la
resistencia al 50%) exceptuando el espécimen número 5, el cual, por el contrario, llegó a la falla en un
número de ciclos mucho menor al esperado al que sugieren las demás deformaciones. Adicionalmente se
obtuvo un resultado cuestionable para el espécimen número 8 a una deformación de 1.42E-4, el cual
tampoco llegó a la falla pasado ya un tiempo excesivo para la deformación aplicada tal como se observó
para los demás especímenes a 7.97E-5.
Para el restante de los especímenes los resultados encontrados fueron positivos en lo que la construcción
de una ley de fatiga se refiere. La norma NFP 98 261 especifica que por los menos se debe estar dentro
de unos rangos especificados para cada deformación para considerar la ley de fatiga como válida, estos
rangos son los que se muestran en la Tabla 11 junto con la deformación que logró en cada uno de ellos.
Tabla 11 - Rangos que definen una ley de fatiga según NFP-98
Deformación específica
Rango en que se deben presentar ciclos
Deformación propia que logra
estar en dicho rango
Deformación 1 Entre 10000 y 100000 2.22E-4 y 2.05E-4
Deformación 2 entre 100000 y un millón de ciclos 1.42E-4 y 1.82E-4
Deformación 3 Superior al millón de ciclos 1.14E-04
Por otro lado, la Figura 35 muestra la ley de fatiga construida con base a los resultados presentados en la
Tabla 10, y la Tabla 12 muestra los parámetros de dicha ley (en donde b corresponde a la pendiente de la
curva y 6 a la deformación que se requeriría aplicar en el espécimen para lograr la falla en un millón de
ciclos).
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
35
Figura 34 - Puntos para la evaluación de la ley de fatiga
y = 0.0014x-0.175
R² = 0.8616
5.00E-05
5.00E-04
25000 250000 2500000
ε
# De ciclos
Ley de fatiga a 80% H.R
6.00E-05
7.00E-05
8.00E-05
9.00E-05
1.00E-04
2.00E-04
3.00E-04
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
36
Figura 35 - Ley de fatiga a 80% de humedad relativa
Tabla 12 - Parámetros para la ley de fatiga a 80% de humedad relativa
H.R ε6 b R²
80% 1.25E-04 -0.175 0.8616
A continuación se muestra la ley de fatiga a 80% en la misma gráfica con las leyes encontradas por Olivo
en la Figura 36.
Figura 36 - Leyes de fatiga a 8%, 45%, 80% y 100%
Se había justificado que la humedad de 80% iba a proporcionar dos elementos importantes y conclusivos
sobre la resistencia a fatiga en mezclas asfálticas. Por un lado, una humedad a 80% pretendía
complementar el rango de humedades de Olivo (2013) y, por otro, se podría observar si para dicha
humedad se encontraba un comportamiento particular tal y como Hernández (2013) lo encontró pero en
la determinación de módulos dinámicos en matrices finas. Gracias a la Figura 36 se puede ver que la
hipótesis planteada sobre la humedad de 80% era cierta y se tiene un comportamiento peculiar que no es
correspondiente a la humedad superior de 100% y las humedades inferiores de 45% y 8%. Se puede ver
que existe una zona en particular con la que la humedad de 80%, para una misma deformación, resiste
menos ciclos a la falla que la totalidad de las humedades evaluadas (aproximadamente para un número
inferior a 130000 ciclos la mezcla expuesta a 80% responde peor a una exigencia de carga impuesta que
las demás humedades), se podría decir que esta humedad es crítica y presenta el peor de los escenarios
posibles para la mezcla sin necesariamente estar en su máxima humedad posible. Por otro lado, para la
0.00005
0.00050
10000 100000 1000000
(ε)
Ciclos (N)
Leyes de fatiga para las 3 humedades iniciales
8% 45% 100% 80%
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
37
zona complementaria a la mencionada (i.e. superior a los 13000 ciclos), la humedad a 80% presenta el
mejor comportamiento al resistir más ciclos que las demás humedades para una misma deformación
aplicada.
La importancia de este especial comportamiento para diferentes humedades en una misma mezcla se
puede evidenciar aún más si se analiza un punto específico, por ejemplo el millón de ciclos el cual es
adicionalmente un parámetro importante para definir la deformación admisible por fatiga para una mezcla
asfáltica en un pavimento. La Tabla 13 muestra unos cálculos simples contra la humedad de 80%:
Tabla 13 - Comparaciones al millón de ciclos para la misma mezcla asfáltica
HR (%) ε6 Veces inferior a
80%
% de diferencia con 80%
8 8.02E-05 1.56 55.68
45 8.43E-05 1.48 47.98
80 1.25E-04 - -
100 9.83E-05 1.27 26.92
Puede verse gracias a la tabla anterior que definida una admisibilidad para la mezcla asfáltica, se puede
caer en un error grave en caso de no tener en cuenta la humedad relativa a la cual estará expuesta dicha
mezcla en campo. Por ejemplo, si se tiene que la mezcla va a estar expuesta efectivamente a 80% de
humedad pero se mirase la ley de fatiga para 100% de humedad se estaría subdiseñando la estructura
como tal y seguramente se presentarán los daños por humedad y fatiga mucho antes de lo esperado,
generando sobre costos en mantenimiento debido a intervenciones necesarias antes de cumplirse el ciclo
de vida esperado.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
38
10. CONCLUSIONES
A continuación se resumen las principales conclusiones obtenidas en este estudio:
La humedad relativa en mezclas asfálticas ejerce una fuerte influencia en la determinación de las
leyes de fatiga para estos materiales.
La consideración del parámetro de humedad relativa debe ser necesariamente incluido en los
diseños de pavimentos y, sin duda, con esto se mejoraría la confiabilidad en el diseño de
estructuras de pavimentos.
El acondicionamiento continuo asegura que se simule la humedad que se podría presentar en
campo para una mezcla asfáltica determinada.
La realización de 2 puntos adicionales en la ley de fatiga ayuda a reducir posibles errores
experimentales en la determinación de una ley de fatiga.
Los resultados obtenidos en este estudio sugieren que existe una humedad relativa para una
mezcla asfáltica determinada para la cual el número de ciclos a la falla para una deformación dada
son superiores que para todas las demás humedades. Es decir, se tiene una deformación crítica a
partir de la cual se obtienen un mayor número o menos número de ciclos, en comparación con
los obtenidos para todos los demás valores de humedad relativa evaluados en estudios anteriores.
Es importante definir cuál es esta humedad relativa crítica para la mezcla que se esté evaluando
y comprobar si dicha humedad se puede esperar en campo y, en dado caso, diseñar la estructura
de pavimento con base en ésta.
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39
11. RECOMENDACIONES
Ya que se tienen los resultados de laboratorio para 4 humedades diferentes se sugiere que para futuros
proyectos se pueda evaluar el daño por humedad en mezclas similares en campo. Para ello se requerirá la
evaluación del daño de fatiga para un tramo de control seleccionado del cual se conoce la mezcla utilizada
y adicionalmente a esto la información meteorológica de la zona de donde se encuentra el tramo. Sería
recomendable lugares con bastante humedad relativa más no altas precipitaciones anuales.
La compactación demostró ser un factor relevante en el desempeño de las mezclas. Por esta razón se
sugiere la realización de la mezcla con una metodología distinta a la compactación por pistón regulado a
una carga fija. Por el contrario, podría implementarse una forma de compactación que sea compactada
por secciones de un total que conformará los bloques de mezcla asfáltica ya vistos. El diseño y la
implementación de esta metodología requerirá garantizar una temperatura apropiada para la mezcla en
cuestión durante la compactación y, adicionalmente, garantizar la adherencia total entre cada sección
separada anteriormente.
El seguimiento del acondicionamiento precedente a la falla de los especímenes puede mejorarse
implementando sensores de humedad en los contenedores con la solución a punto de saturación dentro.
De esta forma no se dependería del sensor portátil y adicionalmente se podría llevar un registro continuo
sobre la evolución del medio dentro del contenedor.
Finalmente, se recomienda la realización de nuevas leyes de fatiga a diferentes humedades o incluso a las
mismas evaluadas por Olivo pero en vez de emplearse 3 deformaciones diferentes, como es
acostumbrado, se recomienda el empleo de 2 puntos de deformación adicionales. Esto claramente
incrementa el número de especímenes necesarios por cada humedad relativa a evaluar pero genera
resultados interesantes sobre el comportamiento como un todo para la ley de fatiga analizada. Si se
realizan a nuevas humedades, el hallazgo de la humedad crítica podría hallarse sin caer en muchos errores.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
40
12. BIBLIOGRAFÍA Association Francaise de Normalisation. (2001). NFP 98 261 - Test Relating To Pavements - Determination Of
The Fatigue Resistance Of Bituminous Mixtures .
ASTM. (2010). D1188-07 - Bulk specific gravity and density of compacted bituminous mixtures using coated samples.
ASTM. (2012). W104 - 02 - Maintainig constant relative humidity by means of aqueous solutions.
Echeverría, E. (2011). Influencia del contenido de humedad sobre la resistencia a fatiga de una mezcla asfáltica tipo
MDC-2. Universidad de los Andes, Proyecto de grado maestría, Bogotá.
Hernández, S. (2013). Influencia de la humedad relativa en el comportamiento y el deterioro de matrices asfálticas finas.
Universidad de los Andes, Proyecto de grado de maestría ingeniería civil, Bogotá.
Insituto nacional De vías. (s.f.). INVE-733 peso aparente y peso unitario de mezclas asfálticas empleando especímenes
saturados con superficie seca. Bogotá.
Instituto Nacional de Vías. (s.f.). Articulo 450 Mezcla en Caliente (Concreto asfáltico). Bogotá.
Nieto, N. (2012). Influencia de las condiciones de humedad relatica en el diseño de pavimentos flexibles. Universidad
de los Andes, Proyecto de Grado pregrado ingeniería civil, Bogotá.
Olivo, R. (2013). Influencia del contenido de humedad relativa en el comportamiento y deterioro a fatiga de una mezcla
asfáltica convencional. Universidad De los Andes, Proyecto de grado de maestría ingeniería civil,
Bogotá.
Rueda, E. (2012). Diseño e implementación de un montaje experimental para la caracterización mecánica de mezclas
asfalticas mediante ensayos tipo "hollow cylinder". Universidad de los Andes, Trabajo de grado maestría,
Bogotá.
Santucci, L. (2010). minimizing Moiture damage in asphalt pavements. UC Berkeley, Richmond, California.
Sedan, N. (2012). Análisis de la influencia de la humedad relativa en el comportamiento a fatiga de mezclas asfálticas.
Universidad de los Andes, Proyecto de grado pregrado ingeniería civil, Bogotá.
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
41
13. ANEXOS
Tabla 14 - Cálculos de % de aire y confirmación con restricción
Fecha de mezcla
# De espécimen
Peso seco (kg)
Peso sumergido
(kg)
Peso saturado superficialmente
seco (kg)
Peso específico Bulk Gmb
(gr/cm³)
% aire ¿Entre el rango de
20%? Día mes
3 2 1 0.678 0.361 0.681 2.119 8.359 si
3 2 2 0.664 0.351 0.671 2.075 10.251 no
3 2 3 0.660 0.353 0.671 2.075 10.230 no
3 2 4 0.661 0.352 0.669 2.085 9.811 si
3 2 5 0.721 0.386 0.726 2.121 8.279 si
3 2 6 0.696 0.376 0.699 2.155 6.799 si
3 2 7 0.644 0.342 0.651 2.084 9.855 si
3 2 8 0.682 0.364 0.691 2.086 9.791 si
12 2 9 0.652 0.348 0.657 2.110 8.736 si
12 2 10 0.680 0.363 0.682 2.132 7.800 si
12 2 11 0.665 0.353 0.668 2.111 8.689 si
12 2 12 0.677 0.361 0.681 2.116 8.494 si
14 2 13 0.674 0.356 0.681 2.074 10.301 no
14 2 14 0.626 0.331 0.636 2.052 11.226 no
14 2 15 0.659 0.345 0.663 2.072 10.366 no
14 2 16 0.658 0.347 0.662 2.089 9.650 si
21 2 17 0.625 0.327 0.632 2.049 11.368 no
21 2 18 0.650 0.344 0.652 2.110 8.720 si
21 2 19 0.644 0.344 0.645 2.140 7.460 si
21 2 20 0.639 0.336 0.642 2.088 9.678 si
21 2 21 0.589 0.31 0.598 2.045 11.542 no
21 2 22 0.645 0.344 0.646 2.136 7.623 si
21 2 23 0.604 0.318 0.614 2.041 11.741 no
27 4 25 0.676 0.361 0.684 2.094 9.437 si
27 4 26 0.659 0.351 0.665 2.097 9.294 si
27 4 27 0.640 0.34 0.646 2.093 9.481 si
27 4 28 0.685 0.362 0.694 2.064 10.746 no
27 4 29 0.639 0.339 0.644 2.096 9.340 si
27 4 30 0.633 0.335 0.638 2.089 9.641 si
27 4 31 0.643 0.349 0.649 2.143 7.295 si
27 4 32 0.673 0.355 0.679 2.076 10.197 no
21 5 33 0.633 0.339 0.643 2.082 9.938 si
21 5 34 0.621 0.332 0.630 2.084 9.866 si
INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA EN LA RESISTENCIA AL DETERIORO POR FATIGA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
42
21 5 35 0.618 0.329 0.625 2.088 9.696 si
21 5 36 0.612 0.328 0.619 2.103 9.036 si
21 5 37 0.659 0.355 0.669 2.099 9.225 si
21 5 38 0.604 0.325 0.613 2.097 9.290 si
21 5 39 0.645 0.348 0.656 2.094 9.422 si
21 5 40 0.590 0.318 0.600 2.092 9.507 si
Tabla 15 - Seguimiento de pesos especímenes 1-23
Día 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
# Peso(kg)
1 0.6767 0.677 0.6774 0.6774 0.6774 0.6776 0.6775 0.6775 0.6774 0.6769 0.6769 0.677 0.677 0.677 0.677 0.677 0.677
2 0.664 0.6642 0.6644 0.6644 0.6644 0.6645 0.6644 0.6645 0.6645 0.6645 0.6645 0.6645 0.6645 0.6645 0.6645 0.6645 0.6645
3 0.6598 0.6600 0.6601 0.6602 0.6603 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602 0.6602
4 0.6606 0.6607 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609 0.6609
5 0.7205 0.7209 0.7210 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211 0.7211
6 0.6954 0.6955 0.6956 0.6957 0.6956 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957 0.6957
7 0.6437 0.6439 0.6439 0.644 0.6439 0.6439 0.6439 0.6438 0.6438 0.6438 0.6438 0.6438 0.6438 0.6438 0.6438 0.6438 0.6438
8 0.6809 0.6811 0.6811 0.6813 0.6813 0.6812 0.6812 0.6811 0.6811 0.6811 0.6811 0.6811 0.6811 0.6811 0.6811 0.6811 0.6811
9 0.6521 0.6524 0.6526 0.6526 0.6527 0.6527 0.6527 0.6526 0.6526 0.6526 0.6526 0.6526 0.6526 0.6526 0.6526 0.6526 0.6526
10 0.6786 0.6789 0.679 0.6791 0.6792 0.6791 0.6791 0.6791 0.679 0.679 0.679 0.679 0.679 0.679 0.679 0.679 0.679
11 0.6649 0.6652 0.6653 0.6654 0.6655 0.6654 0.6654 0.6653 0.6653 0.6653 0.6653 0.6653 0.6653 0.6653 0.6653 0.6653 0.6653
12 0.6764 0.6767 0.6768 0.6768 0.6768 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767 0.6767
13 0.6732 0.6735 0.6735 0.6736 0.6736 0.6737 0.6737 0.6736 0.6736 0.6736 0.6736 0.6738 0.6738 0.6738 0.6738 0.6738 0.6738
14 0.6261 0.6264 0.6266 0.6266 0.6266 0.6266 0.6266 0.6265 0.6265 0.6265 0.6265 0.6265 0.6265 0.6265 0.6265 0.6265 0.6265
15 0.6585 0.6587 0.6589 0.6588 0.6589 0.6589 0.659 0.6589 0.6589 0.6589 0.6589 0.6589 0.6589 0.6589 0.6589 0.6589 0.6589
16 0.6573 0.6574 0.6576 0.6576 0.6577 0.6577 0.6577 0.6576 0.6576 0.6576 0.6576 0.6576 0.6576 0.6576 0.6576 0.6576 0.6576
17 0.6225 0.6233 0.6235 0.6235 0.6235 0.6235 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234 0.6234
18 0.6498 0.6502 0.6503 0.6503 0.6504 0.6506 0.6506 0.6506 0.6506 0.6505 0.6506 0.6506 0.6506 0.6506 0.6506 0.6506 0.6506
19 0.6434 0.6436 0.6437 0.6437 0.6438 0.6439 0.6439 0.6439 0.6438 0.6439 0.6439 0.6439 0.6439 0.6439 0.6439 0.6439 0.6439
20 0.638 0.6383 0.6385 0.6386 0.6387 0.6388 0.6388 0.6387 0.6388 0.6388 0.6388 0.6388 0.6388 0.6388 0.6388 0.6388 0.6388
21 0.5876 0.5881 0.5882 0.5883 0.5883 0.5883 0.5883 0.5883 0.5882 0.5882 0.5882 0.5882 0.5882 0.5882 0.5882 0.5882 0.5882
22 0.6438 0.6441 0.6442 0.6443 0.6443 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442 0.6442
23 0.6026 0.6029 0.6029 0.6030 0.6030 0.6030 0.6031 0.6030 0.6030 0.6029 0.6030 0.6030 0.6030 0.6030 0.6030 0.603 0.603
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