Resumen

El ensayo de fatiga tiene por objeto determinar la resistencia de la mezcla bituminosa al inicio de fisuras originadas por el tráfico.  Se estudian los procesos de microfisuración bajo cargas repetidas de intensidades inferiores a las de rotura, que producen un agotamiento progresivo.


En España solo hay prescripción para las mezclas de alto módulo recogida en el artículo 542 del PG-3, que señala un mínimo de 100 microdeformaciones para un millón de ciclos en el ensayo realizado a 20 °C y 30 Hz según el Anexo D de la norma UNE-EN 12697-24.


La norma referida describe el ensayo de flexión en 4 puntos sobre probetas prismáticas y la ley de fatiga se obtiene realizando varios ensayos sobre diferentes probetas del mismo material.


Los resultados se representan mediante una regresión lineal entre logaritmos neperianos de la vida útil y los logaritmos neperianos de la amplitud de deformación inicial, obteniéndose dos coeficientes p y q para cada mezcla bituminosa y condición de ensayo.


En el Centro de Estudios del Transporte se han realizado 64 estudios de fatiga en 4 puntos con diversas mezclas bituminosas y en diferentes condiciones de ensayo. En ellos se ha verificado una elevada correlación entre ambos parámetros obtenidos en las leyes de fatiga.

1. CONSIDERACIONES GENERALES

Las mezclas bituminosas se proyectan para construir las distintas capas del firme con dos propiedades fundamentales, por un lado las que tienen que ver con resistir los efectos destructivos del tráfico y de los agentes ambientales y, por otro lado, las relacionadas con la seguridad y el confort.

Entre las primeras se encuentran: estabilidad para resistir sin deformación las cargas del tráfico, flexibilidad para adaptarse sin rotura a las deformaciones de las capas inferiores, durabilidad para conservar todas estas características a lo largo del tiempo, y resistencia a fatiga para resistir sin rotura la repetición de cargas.

El ensayo de fatiga tiene por objeto determinar la resistencia de la mezcla bituminosa al inicio de fisuras originadas por el tráfico y se aplica a las mezclas que se emplean en capa de base.

Consiste en someter una probeta de mezcla bituminosa a la acción de una solicitación periódica, de modo que en determinadas zonas de la probeta se produzcan tensiones de tracción y deformaciones elásticas de extensión. Estas tensiones de tracción periódicas producen daños acumulativos en la mezcla bituminosa, que se manifiestan como microfisuras y fisuras.

La ley de fatiga se obtiene realizando varios ensayos de fatiga sobre diferentes probetas del mismo material. El ensayo concluye cuando se estima que los daños ocasionados en la probeta están próximos a producir su agrietamiento y rotura. La ley de fatiga relaciona la intensidad de la solicitación con el número de ciclos que produce el fin de cada ensayo.

Figura 1. Diferentes métodos para evaluar resistencia a fatiga (original Andrea Simone)

La definición de un ensayo de fatiga plantea la elección de las condiciones en que se puede realizar. Las principales condiciones de ensayo a elegir son: la forma de la probeta, su dispositivo de fijación, el tipo de solicitación al que se somete, la temperatura de la mezcla bituminosa ensayada, la frecuencia de ensayo, el criterio que se adopta para el momento en que se considera fatigada la probeta, la ecuación a emplear para obtener la ley de fatiga.

La forma más empleada de probeta es una viga prismática, la sujeción puede ser con dos apoyos en los extremos de la viga aplicando la carga en el punto central (3 puntos de fijación) o en dos puntos centrales (4 puntos de fijación). También se puede empotrar la viga en un extremo y aplicar la carga en el otro extremo (2 puntos de fijación), en este caso la forma de la viga es trapezoidal. En el caso de utilizar una probeta cilíndrica, esta se somete a una carga de compresión diametral o bien a tracción directa. En la figura 1 aparecen los diferentes métodos

La solicitación que actúa sobre la probeta se compone de un proceso de carga y otro de descarga que se denomina pulso de carga, la forma es normalmente una onda sinusoidal continua o media onda sinusoidal. Tras la descarga puede seguir o no un periodo de reposo. Un ensayo constará de la aplicación de varios ciclos de carga.

En el ensayo intervienen como factores más importantes:

  • La mezcla bituminosa, contenido y tipo de ligante, tipo de árido y granulometría, contenido de huecos.
  • Compactación y fabricación de probetas.
  • Diferentes métodos de ensayo, modo de carga, onda, períodos de descanso, frecuencia.
  • Efecto de la temperatura y de la humedad.

La ley de fatiga se obtiene realizando varios ensayos sobre diferentes probetas del mismo material, el ensayo concluye cuando se estima que los daños ocasionados en la probeta están próximos a producir su agrietamiento y rotura. Relaciona la intensidad de la solicitación con el número de ciclos que produce el fin de cada ensayo. Igualmente se usa la relación energía disipada con número de ciclos a rotura que tiene la ventaja de tener en cuenta los efectos viscoso y elástico para predecir la resistencia a fatiga de la mezcla.

Se representa relacionando el número de ciclos (Nf)frente a deformación inicial (Ɛo) con dos coeficientes que dependen del material, ecuaciones [1] y [2].

Formula

En ocasiones se añade un término de módulo dinámico de la mezcla (E *) para tener en cuenta el efecto de frecuencia y temperatura; también se pueden añadir otros términos para considerar el contenido de betún y contenido de huecos, ecuación [3].

Formula

Diversos autores han constatado la relación existente entre los coeficientes K1 y K2

Formula

El ensayo empleado fue en todos los trabajos fatiga en 4 puntos realizado a 20 ºC y 10 Hz con control de deformación.

2. NORMA DE ENSAYO

La norma de fatiga seguida en este estudio es la UNE-EN 126974-24 Anexo D “Ensayo de flexión en 4 puntos sobre probetas prismáticas”. Se caracteriza el comportamiento de las mezclas bituminosas sometidas a carga de fatiga en un equipo de ensayo de flexión en cuatro puntos, en el que las mordazas interiores y las exteriores están colocadas simétricamente, utilizándose probetas rectangulares esbeltas.

La flexión se debe realizar por aplicación de la carga en dos puntos interiores, en sentido vertical y perpendicularmente al eje longitudinal de la probeta. Se debe fijar la posición vertical de los soportes de extremo. Esta configuración de carga debe crear un momento constante, y por tanto, una deformación constante entre las dos mordazas interiores. La carga aplicada debe ser sinusoidal y la medición de la fuerza se debe realizar en la zona intermedia entre las dos mordazas interiores. El detalle del dispositivo empleado se muestra en la figura 2.

Figura 2. Equipo del CET para medida de resistencia a fatiga en 4 puntos

La medición del desplazamiento se debe realizar sobre la superficie superior o la inferior de la probeta entre las dos mordazas interiores. La fuerza, el desplazamiento y el desfase se deben registrar después de 100 ciclos y luego de una forma regular. El ensayo de fatiga se debe continuar hasta que el módulo calculado haya bajado hasta la mitad de su valor inicial o hasta la rotura de la probeta.

La línea de fatiga se dibuja haciendo una regresión lineal entre los logaritmos neperianos de la vida útil (Nf) para el criterio de fallo elegido y el conjunto de condiciones de ensayo y los logaritmos neperianos de la amplitud de deformación inicial (εo, amplitud de deformación en el ciclo número 100 expresada como μm/m), la ecuación tendrá la siguiente forma en ecuación [9]:

Formula

Figura 3. Probetas cortadas para ensayo de fatiga

Se calculan los valores de p, qy la deformación inicial (Ɛ6) para la que se puede esperar una vida a fatiga de un millón de ciclos para el conjunto de condiciones de ensayo estipulado. Con este parámetro se realiza la valoración simplificada de la resistencia al agrietamiento por fatiga de una mezcla bituminosa en ecuación [10]

Formula

Las probetas que se vayan a ensayar se obtienen del aserrado de capas de la carretera o de placas preparadas en laboratorio, figura 3, que se compactan según la norma UNE-EN 12697-33 “Elaboración de probetas con compactador de placa”. El eje longitudinal de la probeta debe ser paralelo al eje de compactación y se aplican cargas de magnitud variable mediante un rodillo de acero de sector circular, haciendo pasadas a velocidad constante.

La anchura y la altura de la probeta deberán ser al menos 2,5 veces más grandes que el tamaño máximo nominal D del árido en la mezcla, además la longitud efectiva entre las mordazas exteriores deberá ser al menos seis veces el valor máximo de anchura y/o altura. Las probetas se deben ensayar cuando haya transcurrido un tiempo comprendido entre 2 y 8 semanas desde la fecha de corte.

Para la realización del ensayo debe utilizarse una cámara termostática que debe estar ventilada y ser capaz de fijar la temperatura media a 10 mm de las probetas con una precisión de ±1 °C. La cámara debe regularse con una precisión de 0,5 °C y el tiempo de climatización no debe ser superior a las 6 horas y mínimo de 2 horas. Se ha empleado un equipo servoneumático que se muestra en la figura 4.

Figura 4. Dispositivo de ensayo para resistencia a fatiga en cuatro puntos

3. MATERIALES EMPLEADOS

Se han realizado 64 ensayos de fatiga de 55 mezclas bituminosas diferentes, 23 de las cuales se fabricaron en el laboratorio y el resto en diferentes plantas de fabricación a escala industrial.

En su mayoría, la compactación de las probetas se realizó siguiendo la norma UNE-EN 12697-33 “Elaboración de probetas con compactador de placa”, excepto para 9 leyes de fatiga que se extrajeron directamente placas de firme, véase figura 5, que habían sido extendidas y compactadas con los métodos usados habitualmente para la construcción de carreteras.

Según la temperatura de fabricación, 8 eran mezclas bituminosas templadas fabricadas a temperatura inferior a 100 °C y las otras 47 eran mezclas bituminosas en caliente.

En 25 de las mezclas utilizadas se han sustituido parcial o totalmente los áridos naturales por diferentes materiales como:

  • Árido reciclado procedente del fresado de mezclas bituminosas (RAP).
  • Áridos reciclados procedentes de residuos de construcción y demolición (RCD).
  • Escorias de acería.
  • Caucho procedente de neumáticos fuera de uso (NFU), incorporado en vía seca y húmeda.
  • Diversos residuos poliméricos como polipropileno.

La gran mayoría se fabricaron con ligantes convencionales 35/50 y 50/70 aunque también se emplearon betunes modificados tipo PMB 45/80-65 en 4 mezclas, betunes duros 15/25 en 3 formulaciones y 7 de las mezclas utilizadas se fabricaron empleando una emulsión bituminosa como ligante.

Debido a limitaciones operativas de la máquina de ensayo, ésta no admite probetas con alturas superiores a 5,8 cm. Según la norma UNE-EN 12697-24 apartado D.3 de preparación de probetas, el ancho y canto de la misma será 2,5 veces el tamaño máximo nominal del árido en la mezcla por lo que no han podido ensayarse mezclas con tamaño máximo de árido superior a 22 mm.

Los tipos de mezclas bituminosas que se han empleado son:

  • AC22S MAM 3 formulaciones.
  • AC22G 12 mezclas.
  • AC22S 18 formulaciones.
  • AC16S 7 mezclas.
  • AC16D 13 formulaciones.
  • BBTM11B 2 mezclas.

En 2 de las mezclas analizadas se añadieron aditivos rejuvenecedores y en otras tantas se agregaron fibras acrílicas.

4. RESULTADOS

Los ensayos de fatiga ejecutados corresponden a diversos trabajos llevados a cabo en el Centro de Estudios del Transporte, todos ellos realizados con control de deformación pero con diferentes condiciones de temperaturas y frecuencias.

En el caso de 2 mezclas bituminosas se ensayaron para cada una 5 leyes de fatiga, tres de ellas a 3 temperaturas 10, 20 y 30 °C con frecuencia de 10 Hz, y otras dos en las que se mantuvo la temperatura constante a 20 °C ensayándose a frecuencias de 3,3 y 30 Hz. En las figuras 6 y 7 se presentan, respectivamente, los resultados obtenidos para la mezcla AC22G 50/70 a partir de catas extraídas de firme y para la mezcla AC22S 50/70 recogida en planta de fabricación.

Otras 27 leyes de fatiga se obtuvieron de ensayos realizados a 20 °C y 10 Hz que son las condiciones de ensayo utilizadas en los estudios llevados a cabo internacionalmente. En las figuras 8 y 9 se presentan algunos de los resultados obtenidos con diferentes mezclas bituminosas.

Se han realizado 27 ensayos de fatiga a 20 °C y 30 Hz que son las establecidas en el Anejo D.9 de la norma UNE-EN 12697-20 para el ensayo de resistencia a fatiga en 4 puntos. Algunas de las leyes obtenidas aparecen en las figuras 10 y 11.

Figura 5. Extracción de catas de mezcla bituminosa

Figura 6. Ensayo de fatiga en 4 puntos con diferentes temperaturas y frecuencias

Figura 7. Ensayo de fatiga en 4 puntos con diferentes temperaturas y frecuencias

Figura 8. Ensayo de fatiga en 4 puntos a 20 °C y 10 Hz de mezclas fabricadas en planta

Figura 9. Ensayo de fatiga en 4 puntos a 20 °C y 10 Hz de mezclas fabricadas en planta con material procedente de fresado

Figura 10. Ensayo de fatiga en 4 puntos a 20 °C y 30 Hz de mezclas fabricadas en laboratorio

Figura 11. Ensayo de fatiga en 4 puntos a 20 °C y 30 Hz de mezclas fabricadas en planta con subproductos

4.1. Relación entre los coeficientes p y q de las leyes de fatiga

4.1.1. Relación coeficientes de fatiga para ensayos realizados según UNE-EN 12697-24 Anexo D

En las tablas 1 y 2 se exponen todos los coeficientes obtenidos en los ensayos de fatiga realizados según norma UNE-EN 12697-24 Anexo D.

Al estudiar por separado los ensayos realizados a 20 °C - 30 Hz y 20 °C – 10 Hz se han obtenido las siguientes relaciones entre parámetros de fatiga, ecuaciones [11] y [12], que se presentan gráficamente en la figura 12.

Ensayos realizadosa 20 °C y 30 Hz

P = -0,1899q + 2,0399 [11]

Ensayos realizados a 20ºC y 10HZ

P = -0,1899q + 2,0399 [11]

Al relacionar los parámetros p y q de todas las leyes de fatiga se obtiene una correlación muy elevada de 0,95 lo que indica una clara relación entre ambos, independientemente de las condiciones de ensayo empleadas. En la figura 13 se representan los coeficientes de todas las leyes de fatiga obtenidas.

En los resultados obtenidos el coeficiente p oscila entre -3,2117 y -10,592 mientras que los valores alcanzados para q se encuentran en el rango de 29,19 a 70,1651

Con la relación obtenida, el parámetro P puede deducirse a partir de q como ecuación:

P = -0,1732q + 1,5307

y la ley de fatiga podría determinarse a partir de sólo un parámetro, al igual que la deformación para un millón de ciclos E6 en ecuaciones [14] y [15]

Formula

Tabla 1. Resultados ensayo fatiga según UNE-EN 12697-24 Anexo D obtenidos en laboratorio del Centro de Estudios del Transporte

Figura 12. Relación parámetros p y q de las leyes de fatiga obtenidas según condiciones de ensayo

4.1.2. Relación coeficientes de fatiga para ensayos realizados según NLT-350 y UNE-EN 12697-24 Anexo D

La correlación entre coeficientes de la ley de fatiga se había verificado previamente con los resultados obtenidos en el laboratorio del Centro de Estudios del Transporte para el ensayo de fatiga en 3 puntos realizado según norma NLT-350, análogo al procedimiento descrito en el Anexo C de UNE-EN 12697-24.

En la norma NLT la ley de fatiga se formula de la siguiente manera en ecuación [16]

Formula

Relacionando las ecuaciones anteriores se pueden deducir los coeficientes p y q a partir de los parámetros A y Ben ecuaciones [17] y [18]

Formula

Utilizando los datos de fatiga en 3 puntos de 108 mezclas (tipo S, G y alto módulo) ensayadas en el laboratorio del CET y empleando las ecuaciones de transformación anteriores, se obtiene de nuevo una alta correlación entre los parámetros de la ley de fatiga expresada según UNE-EN 12697-24 Anexo D. En la figura 14 se observa la relación obtenida.

Figura 14. Relación parámetros de fatiga en ensayos realizados según NLT-350 y UNE-EN 12697-24 Anexo D

Figura 15. Relación parámetros ley de fatiga en análisis conjunto resultados según NLT-350 y UNE-EN 12697-24 Anexo D

Al estudiar globalmente todos los datos se alcanza una alta correlación que se presenta en la figura 15.

5. CONCLUSIONES

Desde la puesta en marcha del ensayo de fatiga en 4 puntos según norma UNE-EN 12697-24 Anexo D se han realizado en el laboratorio del Centro de Estudios del Transporte más de 60 leyes de fatiga de diferentes mezclas bituminosas aunque en la actualidad en España la normativa solo fija un umbral para las mezclas de alto módulo.

Los resultados proceden de diversos proyectos internos del laboratorio y también de trabajos realizados para otras entidades españolas, por ello las condiciones de ensayo han variado en cuanto a temperatura y frecuencia, pero siempre han sido realizados con deformación controlada.

Las mezclas empleadas fueron fabricadas tanto en el laboratorio como en diferentes plantas de fabricación, a partir de catas extraídas del firme o compactadas en laboratorio; se emplearon diferentes granulometrías, áridos vírgenes y reciclados, varios tipos de ligantes y en algunos casos se incorporaron aditivos procedentes de residuos.

Al estudiar los resultados obtenidos se ha verificado:

  • El coeficiente p de la ley de fatiga oscila entre valores de -3 y -11, aunque la gran mayoría se encuentra entre -4 y -7.
  • Para el parámetro q, los resultados se encuentran entre 30 y 70, la mayor parte en el intervalo de 35 a 45.
  • En las leyes de fatiga obtenidas, los valores de los coeficientes p y q resultantes no dependen de las condiciones de ensayo utilizadas, que en este caso han sido: 20 °C-30 Hz, 20 °C-10 Hz, 20 °C-3.3 Hz, 30 °C-10 Hz, 10 °C-10 Hz.
  • Se ha comprobado una alta relación entre p y q de todas las leyes de fatiga obtenidas para 55 mezclas bituminosas diferentes, ambos coinciden en una línea recta con un coeficiente de correlación de 0,95 mostrada en ecuación [19]. P = -0,1732q + 1,5307
  • La ley de fatiga podría determinarse en este caso en función de un único parámetro q y del mismo modo la deformación para un millón de ciclos en ecuaciones La ley de fatiga podría determinarse en este caso en función de un único parámetro q y del mismo modo la deformación para un millón de ciclos en ecuaciones Formula
  • La relación entre parámetros obtenida podría utilizarse para validar cualquier ley de fatiga obtenida según ensayo en 4 puntos con deformación controlada para mezclas bituminosas que se hayan formulado de acuerdo a las prescripciones exigidas en España.
  • Del mismo modo, podría evaluarse rápidamente la resistencia a fatiga de una mezcla bituminosa con un número reducido de probetas, siempre que los parámetros obtenidos se ajusten a la correlación anterior, con aplicación directa tanto en firmes nuevos en servicio como en ensayos de diferentes materiales en laboratorio.
  • Esta concordancia entre coeficientes debería verificarse con mayor número de resultados, por ejemplo mezclas bituminosas semicalientes, y con ensayos realizados con el mismo procedimiento en otros laboratorios.

6. AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren agradecer a todas las empresas que han suministrado mezclas bituminosas para la realización de diferentes trabajos en el Centro de Estudios del Transporte y en especial a la Planta Asfáltica de Elsan ubicada en Arganda del Rey.

Del mismo modo reconocer a todo el personal del Centro que ha intervenido tanto en la realización como en el planteamiento de los diversos estudios.

7. BIBLIOGRAFÍA

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