CÁLCULO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS MEDIANTE LA TÉCNICA DE ELEMENTOS FINITOS, SU EMPLEO EN EL ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL RIEGO DE LIGA

INDICE

1. Introducción…………………………………………………………………………. 1

2. La problemática del riego de liga…..………………………………………….... 4

3. Antecedentes nacionales y extranjeros……………………………………...… 8

3.1. Ensayo de tracción….………...………………………...…….……….. 12

3.2. Ensayo al corte……….………..………………….……….……....….... 15

4. Cálculo estructural de pavimentos……………………………….…...………. 19

5. La Técnica de los elementos finitos…...……………………....……....……... 22

5.1. Su aplicación a la mecánica de pavimentos..……..……..…….….. 29

5.2. Sólidos de revolución…………………………..……..…….….…..…. 34

6. Incidencia del riego de liga en la vida útil de la estructura…...……......… 38

7. Análisis tensional del riego de liga mediante elementos finitos……….... 53

7.1. El ensayo de tracción………..………………………………..….….... 53

7.2. La interfase en la estructura………………………………………….. 63

8. Conclusiones y recomendaciones.……………………………..………...…... 76

Bibliografía consultada…………………………………………………...………… 80

1. Introducción

La existencia de adecuadas estructuras viales es de suma trascendencia para el desarrollo tanto del país como de las economías regionales, requiriendo su construcción y mantenimiento de importantes recursos económicos. Estas estructuras viales que permiten el tránsito de los vehículos automotores están conformadas por varias capas de distintos materiales y espesores, desde la subrasante hasta la capa de rodamiento, siendo generalmente esta última de concreto asfáltico u hormigón.

Las solicitaciones del tránsito introducen tensiones importantes en la estructura que son absorbidas por el conjunto de las distintas capas que la componen, siendo importante que estas capas actúen en forma conjunta, especialmente en el caso de pavimentos compuestos por mezclas asfálticas. Las tensiones generadas por la acción del tránsito son introducidas en la estructura a través de la capa de rodamiento y transmitidas, a través de esta, hacia las capas inferiores de la estructura y la subrasante. El nivel de tensiones va decreciendo con la profundidad, por lo que la calidad y resistencia a la deformación de las distintas capas que componen el paquete estructural debe ir, en general, aumentando a medida que nos acercamos a la superficie.

Constructivamente es muy importante brindar a las distintas capas una adecuada compactación para lograr conformar capas resistentes y menos deformables ante la acción reiterada del tránsito. Esta necesidad de lograr una buena compactación, nos obliga a acotar los espesores de las capas a valores que permitan lograr el grado de compactación deseado. En particular, esta necesidad limita al concreto asfáltico utilizado como carpeta de rodamiento a un espesor máximo recomendado de 7 centímetros. Esta circunstancia plantea la necesidad de dividir constructivamente a las capas asfálticas de espesores mayores al recomendado en dos o más capas vinculadas mediante adecuados riegos de liga.

La adherencia lograda entre la carpeta asfáltica y su base es de suma importancia para posibilitar un apropiado comportamiento de la estructura. Esta adherencia se logra a través de un riego de liga asfáltico. No lograr una buena adherencia entre estas capas, implica la imposibilidad de una adecuada transmisión de las tensiones actuantes en el pavimento (generadas por el tránsito pesado y causantes de la falla por fatiga de la mezcla) a la base, a través de la interfase, con el consecuente incremento de las tensiones de tracción en las fibras inferiores de la carpeta asfáltica y la fisuración prematura de la misma.

Figura 1-1 – Estructura de pavimento bajo la acción del tránsito

Como puede observarse en la Figura 1.1, en el caso de no lograrse una correcta adherencia entre la carpeta y la base, aparecerán tensiones de tracción indeseables en las fibras inferiores de la carpeta de rodamiento que provocarán la fisuración prematura por fatiga de la misma. Estas tensiones no se generarían en este plano si se logra una buena adherencia que garantice el funcionamiento en conjunto con la base.

La necesaria profundización de los estudios de esta problemática es actualmente impulsada por la observación reciente de fallas prematuras en diferentes casos dentro del medio vial argentino, adjudicadas a este déficit (inadecuada adherencia entre capas). La falta de métodos efectivos y normalizados de control durante la etapa constructiva, impide realizar un correcto control de la adherencia o liga lograda entre capas asfálticas.

En el presente trabajo se analizará la problemática de la adherencia entre capas lograda por el riego de liga. Este análisis incluirá el estudio de diferentes metodologías de ensayo extranjeras existentes en la actualidad y la aplicación de métodos numéricos (como el de elementos finitos) para simular diferentes condiciones de carga y geometría de los ensayos seleccionados. A su vez, se replanteará la aplicabilidad de la técnica de elementos finitos dentro del ámbito de la ingeniería vial y se analizarán estructuras de pavimento sometidas a la acción del tránsito mediante esta técnica, estudiando particularmente las tensiones actuantes sobre el riego de liga. Finalmente, se buscará relacionar las tensiones actuantes sobre el riego de liga en estructuras de pavimentos con las de los ensayos realizados en laboratorio con el fin de analizar la representatividad de estos últimos.

2. La problemática del riego de liga

Como se mencionó en la introducción del presente trabajo, la adherencia lograda entre capas de mezcla asfáltica, particularmente entre la carpeta de rodamiento y la base, es de suma importancia para garantizar el adecuado comportamiento en conjunto de la estructura. Esta adherencia se logra mediante un riego de liga de cemento asfáltico.

A través de este riego asfáltico se transmiten las tensiones de tracción actuantes en las fibras inferiores de la mezcla asfáltica superior hacia su base mediante el desarrollo de esfuerzos de corte. Una inadecuada adherencia, significaría un incremento de la deformación específica de tracción εt en las fibras inferiores de la carpeta de rodamiento y como consecuencia una menor vida a fatiga de la mezcla.

Figura 2-1 – Estructura de pavimento bajo la acción del tránsito

La aplicación del riego asfáltico puede hacerse mediante un simple calentamiento del asfalto, mediante disolución en solventes (diluidos), o mediante emulsificación en agua (emulsiones asfálticas). Esta última es la más usada en la actualidad y ha sacado ventajas sobre los diluidos por razones económicas (se aplican a temperatura ambiente), de seguridad (no son inflamables al no poseer solventes) y de protección ambiental (no contamina con solventes). En el caso de ejecución de capas asfálticas sobre bases granulares se requiere la realización de un riego de imprimación como se indicó en la Figura 2-1, previo al riego de liga. En este caso los diluidos presentan ventajas técnicas por su mayor penetración en las bases granulares densas.

Una emulsión puede definirse desde el punto de vista físico-químico, como una dispersión, más o menos estable, de un líquido en otro, los cuales no son miscibles entre sí. En el caso particular de las emulsiones asfálticas los dos componentes no miscibles presentes son el asfalto y el agua.

Antes del proceso Después del proceso de emulsificado de emulsificado

Figura 2-2 - Fases de una emulsión

Para lograr la miscibilidad entre el asfalto y el agua se emplea un emulsificante. El emulsificante tiene como finalidad mantener estable el glóbulo de asfalto dentro de la masa acuosa. Esto se logra confiriéndole a los glóbulos de asfalto una carga iónica para que se repelan entre sí. En función de esta carga iónica las emulsiones se clasifican en catiónicas o aniónicas. Si no estuviese presente el emulsificante en la mezcla, luego de realizado el proceso de mezclado, el asfalto y el agua se separarían.

Al ser utilizadas como riego de liga, luego de un cierto tiempo de contacto entre la emulsión y el agregado pétreo, las mismas depositan sobre dicha superficie una película de ligante. Este proceso se conoce como ruptura de la emulsión, separándose el agua existente en la misma para luego evaporarse. Una vez evaporada el agua de la emulsión, se está en condiciones de ejecutar la capa superior de concreto asfáltico. En función del tiempo de ruptura se clasifican en emulsiones de corte rápido, medio o lento. Las emulsiones más

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