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APLICACIÓN DELENSAYO FÉNIX PARADOSIFICAR MEZCLASRESISTENTES AL FALLO
POR FATIGA
GONZALO A. VALDÉS VIDALINVESTIGADOR, LABORATORIO DE CAMINOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑAACADÉMICO, DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE OBRAS CIVILESUNIVERSIDAD DE LA FRONTERA, CHILE
RAMÓN BOTELLA NIETOINVESTIGADOR, LABORATORIO DE CAMINOSESCUELA DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA
FÉLIX E. PÉREZ JIMÉNEZDR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSCATEDRÁTICO DE UNIVERSIDADESCUELA DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA
RODRIGO MIRÓ RECASENSDR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSCATEDRÁTICO DE UNIVERSIDADESCUELA DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA
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APLICACIÓN DEL ENSAYO FÉNIXPARA DOSIFICAR MEZCLAS RESISTENTESAL FALLO POR FATIGA
RESUMEN
E l deterioro producido por la fatiga de lasmezclas bituminosas es uno de los fallos másfrecuentes en los pavimentos flexibles. Sin em-
bargo, debido a la complejidad de los ensayos
cíclicos que permiten evaluar el comportamiento
a fatiga de las mezclas bituminosas, muchas ve-
ces esta propiedad no es usualmente considerada
en la etapa de diseño. Por ello, en este trabajo
de investigación se presenta un procedimiento
que permite obtener por medio de un proce-
dimiento sencillo y de fácil aplicación, basado
en el nuevo ensayo de fractura desarrollado por
Laboratorio de Caminos de la Universidad Poli-
técnica de Cataluña, el ensayo Fénix, una estima-
ción del comportamiento a fatiga de las mezclas
asfálticas. Para ello, se han ensayado diferentes
mezclas bituminosas utilizando el ensayo Fénixy se ha estudiado la respuesta de éstas frente a
los parámetros de rigidez, deformación, energía
de fractura y tenacidad, los cuales están relacio-
nados directamente con la resistencia a fisura-
ción por fatiga de las mezclas bituminosas. Del
análisis de los resultados obtenidos en la fase
experimental de este estudio se pueden definir
zonas de comportamiento a fatiga a partir de la
rigidez, deformación y energía disipada por las
mezclas en el ensayo Fénix, que permite selec-
cionar mezclas resistentes a la fatiga y tener en
cuenta esta propiedad en el diseño de la mezcla
de una forma sencilla.
INTRODUCCIÓN
En estudios anteriores ya se ha presentado el ensa-
yo Fénix, desarrollado por el Laboratorio de Cami-
nos de la Universidad Politécnica de Cataluña. En
estos estudios se ha analizado la repetibilidad y sen-
sibilidad del procedimiento, detectando el efecto
de la variación de la composición de la mezcla, de
la naturaleza de áridos, de contenidos de betún y
temperaturas de ensayo, entre otras variables estu-
diadas, tienen sobre los parámetros obtenidos por
el ensayo (Pérez et al., 2010; Pérez et al., 2009; Val-
dés et al., 2009). Aquí se presenta, su aplicación al
diseño de mezclas resistentes al fallo por fatiga.
El deterioro provocado por el proceso de fatiga de
las mezclas asfálticas es un fenómeno sumamente
complejo que está regido por una amplia gama de
factores, dentro de los cuales se puede considerarlas características de los materiales constituyentes,
el espesor de la capa y el proceso de ejecución de
la mezcla. Por otra parte, existe la influencia de los
agentes externos que solicitan el pavimento, que
tienen que ver principalmente con las características
de las cargas aplicadas y condiciones climáticas im-
perantes en el medio (Roberts et al., 1996; McGen-
nis et al., 1994).
El fallo por fatiga de las mezclas bituminosas es
considerado uno de los más importantes y fre-
cuentes en las mezclas asfálticas, y ocurre gene-
ralmente cuando el pavimento ha sido solicitado
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hasta el límite por repetidas aplicaciones de ejes
de carga. El problema que se presenta es que de-
bido a la complejidad de los ensayos cíclicos que
evalúan la respuesta de las mezclas asfálticas a la
fatiga, esta propiedad no se considera usualmen-
te durante el diseño de las mezclas asfálticas. Por
ello, en este estudio se examina la aplicación del
ensayo Fénix al diseño y dosificación de mezclas
resistentes a la fisuración y, en particular, a la fisu-
ración por fatiga.
ESTUDIO EXPERIMENTAL
El estudio experimental desarrollado en este trabajó
se basó, en una primera parte, en establecer el gra-
do de correlación que existe entre el ensayo Fénix
y el ensayo de fatiga a flexotracción en tres puntos
recogido en la norma europea UNE-EN 12697-24
(Anexo C). Para ello, se ensayaron por estos dos
procedimientos las mismas mezclas convencionales,
utilizado un ligante de baja penetración, B 13/22, y
un ligante convencional, B 60/70, comparando su
comportamiento a temperaturas bajas y medias, de
5 y 20 ºC, respectivamente. A su vez, se ensayaron
también, por ambos procedimientos, mezclas con
altos contenidos de material reciclado (RAP), de ma-
yor fragilidad, comparando su comportamiento a
temperaturas medias de 20 ºC.
En una segunda parte, se ensayaron un total de 13
mezclas diferentes mediante el ensayo Fénix a las
temperaturas de -10ºC, 5ºC y 20 ºC, con la finali-
dad de establecer zonas de comportamiento a fati-
ga de las mezclas bituminosas.
PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALESUTILIZADOS
Ensayo Fénix
El objetivo principal del ensayo Fénix es la determi-
nación de resistencia a la fisuración y tenacidad en
las mezclas bituminosas. Con él se puede determi-
nar una serie de parámetros que caracterizan las
mezclas bituminosas frente a su resistencia al fallo
por fisuración.
Los principales parámetros obtenidos por medio del
ensayo Fénix se describen a continuación:
Carga máxima a tracción (F max , kN): Se define como
la carga máxima registrada en el ensayo a tracción
directa.
Resistencia máxima a tracción (RT , MPa): Se define
como la relación entre la carga máxima registrada
y el área de ligamento o fractura, definidas por el
espesor de la probeta, h, y la altura de la sección
de rotura, l . este parámetro se calcula mediante la
siguiente ecuación:
Índice de rigidez a tracción (I RT , kN/mm.): Se define
como la relación entre la mitad de la carga máxima, ½
Fmax, y el desplazamiento correspondiente a ese valor
de carga antes de la carga máxima, Dmap. Este índiceindica una seudo-rigidez del material, mostrando que
tan flexible o rígida es la mezcla bituminosa evaluada.
A mayor índice de rigidez a tracción menos flexible es
la mezcla. El índice de rigidez de tracción se calcula de
acuerdo a la siguiente ecuación:
Desplazamiento al 50% Fmax postpico, (Dmdp , mm.):
Se define como el desplazamiento registrado por la
mezcla una vez que la carga ha caído a la mitad del
valor de su carga máxima. Este parámetro indica la
Figura 1. Esquema ensayo Fénix y curva carga
desplazamiento resultante.
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capacidad que tiene la mezcla evaluada de admitir de-
formación, puesto que a medida que las mezclas son
más dúctiles, y por ende más deformables, se obtie-
nen mayores valores de Dmdp, mientras que para mez-
clas más frágiles se obtienen menores valores de Dmdp.
Energía disipada (GD , J/m2 ): Se define como el tra-
bajo total realizado en el proceso de fisuración, WD,
dividido entre el área de ligamento o fractura, cuya
dimensión está definidas por el espesor de la probe-
ta, h, y la altura de la sección de rotura, l . La ener-
gía disipada en el proceso de fisuración se calcula
de acuerdo a la siguiente ecuación:
El trabajo realizado, WD (kN · mm.), se calcula por
medio de la siguiente expresión:
Donde, F es el valor de la fuerza aplicada, u el valor
de desplazamiento y DR es el desplazamiento aplica-
do cuando la carga cae a 0,1 kN.
Índice de tenacidad (I T , (J/m2 )·mm): Se define como
la energía disipada en el periodo de relajación o sof-
tening multiplicada por un factor de fragilidad, el
cual corresponde al desplazamiento realizado desde
la carga máxima, Fmax, hasta que la carga ha caído
a la mitad de su valor máximo. Este índice tiene la
finalidad de evaluar la tenacidad de la mezcla bi-
tuminosa, considerándose ésta como la capacidadde la mezcla de mantener unidos sus componentes
una vez que ya ha alcanzado su resistencia máxima.
Por tanto, a medida que este parámetro aumenta,
la mezcla es más tenaz, y por otra parte, a medida
que este factor disminuye, la mezcla tiene un com-
portamiento más frágil. Este parámetro se calcula
mediante la siguiente ecuación:
Donde, WD es el trabajo realizado en el proceso de
fisuración, WFmax es el trabajo realizado hasta car-
ga máxima, DFmax es el desplazamiento a la carga
máxima y Dmdp es el desplazamiento al 50% de la
carga máxima postpico.
Ensayo a fatiga a flexotracción entres
puntos
El objetivo principal del ensayo a fatiga en flexotrac-
ción dinámica en tres puntos es determinar la ley
de fatiga en deformación, con control de desplaza-
miento en mezclas bituminosas.
Para la obtención de la ley de fatiga se consideranlos pares de valores: mitad de la amplitud cíclica de
la función de deformación en el ciclo número 200
y el número total de ciclos aplicados hasta su fallo
(N). Luego, mediante una aproximación por míni-
mos cuadrados se obtiene la ley de fatiga, de acuer-
do a la siguiente ecuación:
Donde, e es la mitad de la amplitud cíclica de la
función de deformación en el ciclo número 200
(adimensional), N es el número total de ciclos apli-
cados, a y b son los coeficientes de la ley de fatiga
en deformación (adimensionales).
Otro parámetro importante determinado en el en-
sayo de fatiga es el módulo dinámico que se define
como el cociente entre la amplitud cíclica de la fun-
ción tensión, sc, y la amplitud cíclica de la función
Figura 2. Ensayo de fatiga a flexotracción en tres puntos, UNE-
EN 12697-24 (Anexo C).
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deformación, ec. La amplitud cíclica de una función
en un ciclo es el valor absoluto de la diferencia entre
su valor máximo y su valor mínimo en ese ciclo. Este
parámetro se calcula mediante la siguiente ecuación:
ANALISIS Y DISCUSIÓN DERESULTADOS
Correlación entre ensayos Fénix y Fatiga a
flexotracción en tres puntos
Los resultados obtenidos de la primera parte experi-
mental se observan en la Tabla 1. El grado de corre-
lación entre los parámetros Fénix y los parámetros
de las leyes de fatiga obtenidos en cada una de las
mezclas ensayadas, ha sido bastante satisfactorio, y
sus resultados se presentan en las gráficas 1 a la 3.
La primera relación presentada en la gráfica 1 es
entre los valores de índice de rigidez, IRT, obte-
nidos del ensayo Fénix y los valores de módulo
dinámico, MD, obtenidos del ensayo de fatiga a
flexotracción. En este caso, las mezclas con me-
nores rigideces o módulos dinámicos (IRT o MD) se
sitúan en la parte inferior de la recta de tenden-
cia. A su vez, las mezclas con mayores rigideces o
módulos, como el caso de las confeccionadas con
el ligante de menor penetración, B13/22, ensa-
yadas a una temperatura de 5 ºC, se sitúan en la
parte superior de la tendencia.
Junto con la relación ilustrada en la gráfica 1, las
siguientes dos relaciones presentadas en las gráfi-
Tabla 1. Resultados primera fase experimental.
Gráfica 1. Correlación entre Módulo Dinámico del ensayo de fatiga
y el parámetro índice de rigidez a tracción del ensayo Fénix.
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cas 2 y 3 permiten cumplir uno de los objetivos de
este estudio, el cual es obtener una estimación al
comportamiento a fatiga de las mezclas bitumino-
sas por medio de un procedimiento más sencillo.
Este procedimiento se basa en la correlación pará-
metros de rigidez (IRT) y desplazamiento (Dmdp), ob-
tenidos del ensayo Fénix, y los parámetros de la ley
de fatiga expuestos en la ecuación (6), pendiente
de la ley de fatiga, parámetro “b”, y la deforma-
ción en el ciclo 1 de la ley de fatiga, parámetro
“a”, respectivamente.
La gráfica 2 indica que las mezclas con una ma-
yor rigidez, IRT, obtienen en el ensayo a fatiga unamenor pendiente en la ley de fatiga, y se sitúan
en la parte inferior de la recta de tendencia. Por
otra parte, las mezclas con rigideces bajas ob-
tienen una mayor pendiente de la ley de fatiga
situándose en la parte alta de la recta de tenden-
cia, como es el caso de las mezclas fabricadas con
el ligante de mayor penetración, B60/70, y ensa-
yadas a la temperatura de 20 ºC.
En la gráfica 3 se observa como las mezclas que
obtienen un mayor desplazamiento al 50% de la
carga postpico en el ensayo Fénix, presentan una
mayor deformación en el ciclo 1 en el ensayo a
fatiga, como es el caso de las mezclas confeccio-
nadas con los ligantes de mayor penetración en-
sayadas a la temperatura de 20 ºC. A su vez, se
observa que las mezclas fabricadas con ligantes
de menor penetración y ensayadas a bajas tem-
peraturas se sitúan en la parte inferior de la recta
de tendencia.
Aplicación del ensayo Fénix
a la evaluación de la resistencia a fatiga
de las mezclas bituminosas
La resistencia a fisuración de una mezcla bituminosa
está relacionada con su energía de fractura o ener-
gía disipada en su proceso de fisuración. Cuanto
mayor sea el valor de esta propiedad de la mezcla
más esfuerzo será necesario realizar para conseguir
la fisuración de la mezcla en el firme. Ahora bien,
esta rotura puede ser frágil, es decir, con muy poca
deformación, o bien dúctil y tenaz, en que la car-
ga se mantiene durante el proceso de rotura y va
descendiendo lentamente. En este mismo caso, la
perdida total de la carga se produce a una defor-
mación muy alta comparada con la de inicio de la
fractura del material (carga máxima).
Los materiales con comportamiento frágil se carac-
terizan por tener una ley de fatiga muy poco incli-nada, casi horizontal, siendo el valor del coeficiente
“b” de su ley de fatiga muy pequeño. Para estos
materiales frágiles existe un rango de deformacio-
nes muy reducido en los que el material falla por
fatiga, por debajo de este rango el material no fa-
lla y por encima se fractura rápidamente. Además,
en estos materiales se produce un rápido progreso
de la fisura sin que apenas se deformen o asienten.
Este es el caso llevado al extremo de los pavimentos
de hormigón.
Por otra parte, se encuentran las mezclas con una
respuesta más dúctil y tenaz, que suelen tener tam-Gráfica 2. Correlación entre parámetro “b” de la ley de fatiga y el
parámetro índice de rigidez a tracción del ensayo Fénix.
Gráfica 3. Correlación entre parámetro “a” de la ley de fatiga
y el parámetro desplazamiento al 50% de la carga máxima
postpico del ensayo Fénix.
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bién un módulo mas bajo y su fallo por fatiga tiene
lugar en un rango mayor de deformaciones. Estas
mezclas presentan una ley de fatiga más inclinada,
con un mayor valor del coeficiente “b” y una mayor
deformación inicial, mayor valor del parámetro “a”
de la ley de fatiga. A su vez, estas mezclas más dúc-
tiles y tenaces rompen con una mayor deformación
y esto va unido a una mayor deflexión y asiento de
la capa de mezcla en el firme, dificultando la pro-
pagación de la fisura, factor que no es tenido en
cuenta en el cálculo de la vida a fatiga de las capas
de mezcla bituminosa en los métodos de dimensio-
namiento analíticos.
En resumen si se buscan mezclas resistentes a la fi-
suración por fatiga y que sean más tenaces, debe-
rán tener una energía de rotura alta y una elevada
capacidad de deformación. Es decir, una elevada
energía disipada en la zona de rotura postpico en el
ensayo Fénix con una elevada deformación de rotu-
ra, o que es lo mismo, un alto índice de tenacidad.
En las gráficas 4, 5 y 6 se han representado la va-
riación de los parámetros del ensayo Fénix: índice
de tenacidad, IT, deformación al 50% de la carga
máxima postpico, Dmdp, y la energía disipada en el
proceso de fractura, GD, en función del índice de ri-
gidez, IRT. En estas tres gráficas se han dibujado las
curvas correspondientes a una mezcla tipo S-20 fa-
bricada con dos betunes de diferente penetración,
B 13/22 y B60/70, y ensayadas en tres temperatu-
ras, -10, 5 y 20 ºC. En cada curva aparecen los re-
sultados de los tres contenidos de betún evaluados
(3.5, 4.5 y 5.5% s/a).
En el análisis del gráfica 4 puede observarse que
todas aquellas mezclas que en principio pudieran
tener un comportamiento frágil a fatiga, caso de la
mezcla con betún B13/22 ensayada a -10 y 5 ºC
y la mezcla con betún B60/70 ensayada a -10 ºC
presentan unos valores de índice de tenacidad muy
bajos, por debajo de 50 en casi la totalidad de los
casos. Sin embargo, las mezclas con betún B60/70
a 5 y 20 ºC y la mezcla con betún B13/22 a 20 ºC
presentan unos mayores índices de tenacidad, por
encima de 200. Se observa además que el índice de
tenacidad, al igual que ocurre con la energía disipa-
da va aumentando conforme aumenta el índice de
rigidez a tracción, hasta alcanzar un valor máximo
y comienzan a descender, cuando la mezcla se va
haciendo frágil. Además de la gráfica 4 se aprecia
que a medida que aumenta el contenido de ligante
en la mezcla se registran mayores valores de IT y una
pérdida de rigidez, IRT.
En la gráfica 5 se ha representado la variación del
parámetro desplazamiento al 50% de la carga máxi-
ma postpico, Dmdp, con el índice de rigidez a tracción,
IRT. Se observa, al igual que en el gráfico anterior, un
incremento de este parámetro conforme aumenta el
contenido de betún para cada mezcla ensayada, re-
gistrando a su vez un pérdida de rigidez. También se
aprecia que las mezclas más rígidas, las confecciona-
das con betún B13/22 y ensayadas a -10 y 5ºC, junto
con las mezclas confeccionadas con betún B60/70
y ensayadas a 5ºC, presentan bajos valores de Dmdp,
Gráfica 4. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación
IRT- IT a diferentes temperaturas de ensayo.
Gráfica 5. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación
IRT- Dmdp a diferentes temperaturas de ensayo.
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por debajo de 0.5 mm, con altos valores de rigidez,
IRT. Sin embargo, las mezclas más dúctiles, las fabrica-
das con betún B60/70 ensayadas 5 y 20 ºC y la mez-
cla con betún B13/22 ensayadas a 20 ºC, presentan
mayores valores de Dmdp, lo que se entiende como
un aumento de la capacidad de admitir deformación
por parte de la mezcla.
En la gráfica 6 se ha representado la relación entre
la energía disipada en el proceso de fractura, GD,
y el índice de rigidez a tracción, IRT. Los resultados
son muy similares a los comentados en la gráfica en
que se ha representado el índice de tenacidad. En
ambas gráficas puede observarse el efecto significa-tivo que tiene la variación del betún para aumentar
la energía disipada en el proceso de fractura de la
mezcla y disminuir su rigidez. El efecto del conteni-
do de betún para mejorar la resistencia a fatiga de
las mezclas es especialmente notable en el caso de
la mezcla con el betún B13/22 ensayada a 20 ºC,
puesto que el valor de su energía disipada aumenta
considerablemente sin apenas disminuir el módulo.
Finalmente en la gráfica 7 se ha representado la
relación entre la energía disipada en el proceso de
fractura, GD, y el índice de rigidez a tracción, IRT, de
un total de 13 mezclas ensayas a diferentes tempe-
raturas. En la zona 1, se sitúan las mezclas con una
baja rigidez, producto de su ductilidad, y una baja
energía disipada en el proceso de fisuración, GD. En
la zona 2, se observan mezclas con valores de ri-
gidez intermedios, pero con altas diferencias en la
energía que son capaces de disipar en el momento
en que se produce la fisuración de éstas. Finalmen-
te, en la zona 3, se sitúan las mezclas cuya rigidez
es muy alta, pero como consecuencia de su fragili-
dad no pueden disipar gran cantidad de energía.
Gráfica 6. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación
IRT - GD a diferentes temperaturas de ensayo.
Gráfica 7. Efecto del tipo y contenido de betún sobre la relación IRT - GD a diferentes temperaturas de ensayo.
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Del análisis de los resultados obtenidos se deduce
que el ensayo Fénix puede ser empleado para valo-
rar la resistencia a fisuración por fatiga de la mezcla
cuando se procede a su diseño en el laboratorio. En
función de la energía disipada, GD, y de su rigidez,
IRT, podría valorarse su resistencia a la fisuración por
fatiga, definiéndo una zona en la que están situa-
das las mezclas con mejor comportamiento a fatiga
y dentro de esta zona se puede seleccionar las mez-
clas con mejor respuesta. Está claro que para similar
rigidez, IRT, tendrán mejor comportamiento a fatiga
aquellas mezclas que tengan una mayor energía di-
sipada, GD, y tenacidad, IT.
CONCLUSIONES
• Existe una buena correlación entre los parámetros ob-
tenidos del ensayo Fénix y los parámetros que definen
las leyes de fatiga, obtenidas por el procedimiento de
ensayo de fatiga a flexotracción en tres puntos.
• Determinar las leyes de fatiga por los ensayos tra-
dicionales es un proceso largo y muchas veces la
información obtenida apenas muestra diferencias
entre los tipos de mezclas. Además, a menudo los
ensayos de fatiga tienen una alta dispersión entre
sus probetas, lo que puede producir una distor-
sión a la hora de determinar una ley de fatiga.
• El ensayo Fénix puede caracterizar de una mane-
ra más fácil y rápida la respuesta de una mezcla
al fallo por fatiga, puesto que entrega información
sobre la rigidez o módulo de una mezcla y capaci-
dad de deformación, mediante los parámetros deíndice de rigidez a tracción, IRT, y desplazamiento
al 50% de la carga máxima postpico, respectiva-
mente, Dmdp. A su vez, entrega la información de
la energía disipada en el proceso de fractura, GD,
y la tenacidad de las mezclas, IT, parámetros que
pueden discriminar una mezcla de otra, junto con
su módulo de rigidez, teniendo claro que presen-
tan un mejor comportamiento aquellas con mayor
energía disipada para similitud de módulos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el apoyo recibido del Centro
para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI) de
España en el desarrollo del proyecto FENIX, dentro
del marco del programa Ingenio 2010 y, más con-
cretamente, a través del Programa CENIT.
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