ASTM D-4123

Norma ASTM D-4123 Módulo Resiliente Diametral para Mezclas Asfálticas

1. Alcance 1.1. Este método de ensayo cubre los procedimientos para preparar y ensayar muestras de laboratorio o testigos extraídos de calzadas para determinar los valores del módulo resiliente diametral usando el ensayo cíclico de tracción indirecta. El procedimiento descrito cubre un rango de temperaturas, cargas, frecuencia y duración de cargas. Las series de ensayos recomendados consisten en ejecutarlos a 41º, 77º (Nota 1) y 104ºF (5º, 25º (Nota 1) y 40ºC) a una o más frecuencias, por ejemplo a 0,33; 0,5 y 1,0 Hz para cada temperatura. Estas series recomendadas darán, en consecuencia, nueve valores de ensayos para cada muestra, los cuales pueden ser usados para evaluar globalmente el comportamiento resiliente de la mezcla. Nota 1. Se toma 25ºC como temperatura ambiente de laboratorio. Si ésta es diferente, puede hacerse el ensayo a la temperatura ambiente real del laboratorio.

1.2. Esta norma involucra el uso de materiales y equipos riesgosos y la ejecución de operaciones peligrosas. Esta norma no tiene el objetivo de dar a entender todos los problemas de seguridad involucrados en su ejecución. Es responsabilidad del usuario establecer las prácticas de seguridad de equipos y personal.

2. Documentos de referencia 2.1.Normas ASTM • D-1559: Ensayo de resistencia por fluencia plástica mediante el uso del Aparato Marshall. • D-1561. Método de preparación de probetas de mezclas bituminosas mediante el Compactador de Amasado California (California Kneading Compactor). • D- 3387. Ensayo para compactación y propiedades de corte de mezclas bituminosas mediante la Máquina de Ensayo Giratorio (Gyratory Testing Machine-GTM). • D-3496. Método para preparación de probetas de mezclas bituminosas para el ensayo de módulo dinámico. • D-3515. Especificaciones para mezclas en caliente de pavimentos.

3. Resumen del ensayo 3.1. El ensayo cíclico de tracción indirecta para la determinación del módulo resiliente diametral de mezclas bituminosas se ejecuta aplicando cargas de compresión con un pulso de tipo seno verso o de otra forma apropiada. La carga se aplica verticalmente en el plano diametral vertical de la probeta (fig. 1). Se mide la deformación horizontal resultante y asumiendo un determinado coeficiente de Poisson, se determina el módulo

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resiliente correspondiente. El coeficiente resiliente de Poisson se puede calcular mediante las deformaciones verticales y horizontales.

Fig. 1. Ensayo de tracción indirecta 3.2. La interpretación de los datos de deformaciones (fig. 2) da como resultado dos valores de módulo resiliente. El módulo resiliente instantáneo se calcula usando la deformación recuperable que ocurre instantáneamente durante la etapa de descarga de cada ciclo. El módulo resiliente total se calcula usando la deformación total recuperable que incluye la deformación instantánea recuperable y la deformación recuperable (función del tiempo) que tiene lugar durante la descarga y período de reposo de cada ciclo.

4. Significado y uso

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4.1. Los valores del módulo resiliente pueden ser usados para evaluar la calidad relativa de los materiales y para tener un dato de entrada muy importante para diseño, evaluación y análisis de pavimentos. Este ensayo puede ser usado para estudiar efectos de temperatura, velocidad de carga, períodos de reposo, etc. Dado que este ensayo es no destructivo, los mismos pueden ser repetidos sobre la misma probeta para estudiar su variación de temperatura y humedad. Este ensayo no está pensado para su empleo en especificaciones.

Fig.2. Variación de la carga y deformaciones en función del tiempo para el ensayo de módulo resiliente diametral de mezclas asfálticas

5. Aparatos

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5.1. Máquina de ensayo. La máquina de ensayo debe ser capaz de aplicar un pulso de carga en un determinado rango de frecuencias, duraciones de carga y niveles de la misma. Nota 2. En este ensayo se recomienda el uso de una máquina de ensayo electrohidráulica con un generador de funciones capaz de producir la forma deseada de onda. Se pueden usar también máquinas cíclicas de accionamiento neumático disponibles en el comercio o bien fabricadas en laboratorio. Sin embargo esta última clase de máquinas puede no tener la capacidad de carga para ensayar probetas grandes y/o a bajas temperaturas.

5.2. Sistema de control de temperatura. El sistema de control de temperatura debe ser capaz de controlar todo el rango previsto de temperaturas (41º a 104ºF o 5º a 40ºC) con una tolerancia de +-2ºF (+-1,1ºC). El sistema debe incluir un gabinete de control de temperatura lo suficientemente grande para mantener al menos tres probetas durante 24 horas previas a la ejecución del ensayo. 5.3. Sistema de medición y registro. El sistema de medición y registro debe incluir sensores para medida y registro de deformación vertical y horizontal. Cuando se asume el coeficiente de Poisson sólo se requiere el sistema de medida para deformación horizontal. El sistema debe ser capaz de medir deformaciones horizontales en el rango de 0,00001 pulg (0,00025 mm) de deformación. Las cargas deben ser medidas, registradas y calibradas con exactitud antes del ensayo. 5.3.1. Registrador. Los aparatos de medida deben ser independientes de la frecuencia para ensayos hechos con frecuencias hasta 1,0 Hz. 5.3.2. Medición de deformaciones. Los valores de deformaciones verticales y horizontales deben ser medidos mediante aparatos tipo LVDT o de otro tipo. Los LVDT deben estar a mitad de la altura y en extremos opuestos del diámetro horizontal de la probeta. La sensibilidad y el tipo de dispositivo de medida deben ser elegidos de manera tal de obtener la exactitud indicada en 5.3. Si se requiere un contacto directo entre el aparato de medida y la probeta, deberá preverse el uso de resortes o algún adhesivo, por ejemplo goma. Nota 3. Para este propósito son aptos los LVDT Trans TEX Modelo 350-000 y el trasductor Statham UC-3. Si los trasductores son sensibles a la temperatura, como es el caso del Statham UC-3, la máquina de ensayo debe ser ubicada en una cámara de temperatura controlada. Los gages deben estar envueltos para evitar los efectos de carga excéntrica y para dar la suma algebraica del movimiento en cada lado de la probeta. En forma alternativa, cada gage puede ser leído independientemente y sumar las respectivas lecturas.

5.3.3. Medida de cargas. Las cargas deben ser medidas con una célula electrónica capaz de satisfacer los requerimientos especificados en 5.3.

5.4. Cabezal de carga Consiste en una tira metálica con una superficie cóncava que tiene un radio de curvatura igual al del radio nominal de la probeta. Estas tienen un diámetro nominal de 4 o 6 pulgadas (102 o 152 mm). El ancho de este cabezal es de 0,5 a 0,75 pulg (13 o 19 mm) respectivamente para cada uno de los diámetros. Los bordes deben estar redondeados para no cortar la probeta durante el ensayo. En el caso de probetas con textura rugosa se debe usar una membrana delgada y resistente de goma adherida al

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cabezal. Se ha comprobado que este dispositivo es efectivo para reducir la concentración de tensiones, pero sólo debe ser usado cuando no se miden deformaciones verticales.

6. Probetas 6.1. Probetas moldeadas en laboratorio. Las probetas moldeadas en laboratorio deben ser preparadas de acuerdo a las normas ASTM D-1561, D-1559, D-3496 y D-3387. Las probetas deben tener al menos una altura de 2 pulg (51 mm) y un diámetro mínimo de 4 pulg (102 mm) para agregados con tamaño máximo de 1 pulg (25 mm); y una altura de al menos 3 pulg (76 mm) y un diámetro mínimo de 6 pulg (152 mm) para agregados con tamaño máximo de 1,5 pulg (38 mm). 6.2. Testigos. Los testigos extraídos de calzadas deben tener superficies relativamente suaves, paralelas y su altura y diámetro deben estar de acuerdo con los requerimientos especificados para las probetas de laboratorio.

7. Procedimientos 7.1. Ubicar las probetas a ensayar en un gabinete a temperatura controlada y llevarlo a la temperatura especificada de ensayo. A menos que la temperatura sea monitoreada y conocido su valor real, las muestras deben permanecer al menos 24 horas a la temperatura especificada, antes del ensayo. Nota 4. Se puede usar una probeta extra con una termocupla en el centro para determinar cuando se alcanza la temperatura deseada para el ensayo.

7.2. Ubicar la probeta en el aparato de carga y posicionar los cabezales de carga paralelos y centrados con respecto al plano del diámetro vertical. Ajustar y equilibrar el sistema de medida electrónico, si fuera necesario. 7.3. Precondicionar la probeta aplicando un pulso sin impacto de tipo seno verso u otra forma de onda apropiada durante el tiempo mínimo suficiente como para obtener una lectura de deformaciones uniforme. Se necesitarán de 50 a 200 repeticiones de carga, de acuerdo a la frecuencia de cargas y temperatura.. No obstante, el mínimo para una dada situación debe ser determinado de manera tal que la deformación resiliente sea estable (Ver Nota 5). La evaluación del módulo resiliente incluirá ensayos a tres temperaturas, por ejemplo: 41+-2ºF, 77+-2ºF y 104+-2ºF (5º, 25º y 40º +-1ºC), a una o más frecuencias, por ejemplo: 0,33, 0,5 y 1,0 Hz para cada temperatura. El rango de cargas recomendado es tal de inducir de un 10 a un 50% de la resistencia a la tracción (Ver Nota 6). La resistencia a la tracción puede ser determinada mediante un ensayo destructivo y haciendo uso de la ecuación de 8.3 (Ver Nota 7). Nota 5. Se ha demostrado que sólo son suficientes cinco repeticiones para cargas entre 5 y 25 libras. Nota 6. Se han usado cargas tan pequeñas como 10 libras. Nota 7. La duración de la carga es la variable más importante y se recomienda que la duración sea mantenida el tiempo mínimo necesario para poder ser registrada. El tiempo recomendado para la duración de la carga es de 0,1 a 0,4 seg, siendo 0,1 seg el tiempo representativo para una carga de tránsito. Las frecuencias recomendadas son 0,33, 0,5 y 1,0 Hz. Pueden usarse también rangos de carga de 4 a 200 lbs/pulg (4 a 35 N/mm) en lugar de datos de resistencia a la tracción.

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7.4. Monitorear la deformación horizontal y eventualmente la vertical durante el ensayo. Si la deformación acumulada vertical es mayor de 0,001 pulg (0,025 mm), se debe reducir la carga total aplicada, la temperatura de ensayo, o ambas. Nota 8. En la fig. 2 se muestra una curva típica de pulso- deformación, junto con notaciones que indican la terminología carga-tiempo.

7.5. Cada determinación de módulo resiliente debe ser completada dentro de un tiempo no mayor de 4 minutos, contados desde el momento en que la muestra es extraída del gabinete a temperatura controlada. Se puede obviar este tiempo máximo de 4 minutos si la carga es aplicada dentro del gabinete a temperatura controlada, que cumple con los requerimientos anunciados en 5.2. 7.6. Cada probeta debe ensayarse dos veces. Luego del primer ensayo se debe colocar la muestra en el gabinete a temperatura controlada durante 10 minutos, se rota la probeta 90º y se repite el ensayo. Se recomiendan tres probetas o tres testigos para una dada serie de ensayos cuyas variables son: temperatura, duración de carga y frecuencia de carga. A los efectos de reducir el daño permanente a la probeta, el ensayo debe comenzar a la menor temperatura, con la menor duración de carga y con la carga mínima. Los siguientes ensayos a realizar sobre la misma probeta deben ser ejecutados de manera tal de ir obteniendo módulos cada vez más bajos. Es necesario llevar las probetas a la temperatura especificada antes de cada ensayo. 7.7. Medir la deformación recuperable media horizontal y vertical durante al menos, tres ciclos de carga (Ver fig. 2) luego de que la deformación resiliente repetida se haya vuelto estable. Se pueden omitir las medidas de deformación verticales si no se desea determinar el coeficiente de Poisson.

8. Cálculos 8.1. El módulo resiliente de elasticidad E (en psi o Mpa) y el coeficiente de Poisson se calculan de esta manera: ERI= P(νRI + 0,27)/t ∆HI ERT= P(νRT + 0,27)/t ∆HT νRI= 3,59 ∆HI/ ∆VI - 0,27 νRT= 3,59 ∆HT/ ∆VT - 0,27 donde: ERI= módulo resiliente de elasticidad instantáneo (en psi o Mpa) ERT= módulo resiliente de elasticidad total (en psi o Mpa) νRI= coeficiente de Poisson instantáneo νRT= coeficiente de Poisson total P = carga cíclica (lbs o N) t = espesor de la probeta (en pulg o mm) ∆HI = deformación horizontal instantánea recuperable (pulg o mm) Módulo Resiliente Diametral para Mezclas Asfálticas

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∆VI = deformación vertical instantánea recuperable (pulg o mm) ∆HT = deformación horizontal total recuperable (pulg o mm) ∆VT = deformación vertical total recuperable (pulg o mm) 8.2. Si se asume un valor determinado del coeficiente de Poisson, no es necesario medir las deformaciones verticales. Para mezclas asfálticas a una temperatura de 77ºF (25ºC), se puede tomar un valor de ν=0,35. 8.3. La resistencia a la tracción ST se calcula mediante esta expresión: ST = 2 Púlt/πtD donde: 2 Púlt = carga aplicada que lleva la probeta a la falla t = espesor de la probeta (pulg o mm) D = diámetro de la probeta (pulg o mm)

9.

Informe

9.1. El informe sobre el ensayo debe indicar los valores de módulo resiliente obtenidos a temperaturas de 41º, 77º y 104ºF (5º, 25º y 40ºC), la duración de la carga para cada carga, el valor de ésta y las frecuencias usadas en el ensayo.

10.

Precisión

10.1. No se ha establecido ninguna precisión sobre este método de ensayo.

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