EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE GEOMALLAS

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1
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE GEOMALLAS EN EL CONTROL
DE REFLEXIÓN DE GRIETAS.
Autores:
MSc. Guillermo Montestruque Vilchez (1)
DSc. Régis Martins Rodrigues (1)
Ing. André Estêvão Ferreira da Silva (2)
(1)
Centro Técnico Aéroespacial
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia de Infra-Estrutura Aeronáutica
Departamento de Geotecnia
(2)
Huesker Ltda.
São Paulo, Brasil.
RESUMEN
El presente trabajo resume un estudio de laboratorio dirigido a evaluar de forma
cualitativa y cuantitativa el beneficio que se obtiene al utilizar geomallas como
elemento de refuerzo contra la propagación de grietas. Se expone la metodología
seguida, así como los principales resultados obtenidos de los ensayos dinámicos
de fatiga realizados sobre probetas de aglomerado asfáltico con y sin refuerzo,
teniendo como apoyo una base elástica. Las probetas de dimensiones 7,5 x 15 x
46 cm, fueron pré-fisuradas con aberturas variables (3, 6 y 9 mm). El tipo de carga
fué sinusoidal con frecuencia de aplicación de 20 Hz, variandose la posición de la
carga con relación a la grieta (flexión/cortante). Resultados obtenidos muestran
que, para el caso de las probetas con geomalla, el mecanismo de fractura
observado es la formación de una serie de micro fisuras dispersas en un
determinado volumen en el lugar de una sola grieta que monopoliza la disipación
de la energia en la extremidad de la grieta, como sucede en el caso de las
probetas sin refuerzo. Fueron observados aumentos de la vida de fatiga de la
orden de 6 veces, con reducciones de las deformaciones plásticas de la orden de
30%. Finalmente, se destaca los beneficios estructurales de la geomalla para el
pavimento.
2
1
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, en situaciones donde la reflexión de grietas se torna
eminente, diferentes medidas de restauración son evaluadas con la finalidad de
aumentar la vida de servicio del recapado asfáltico. Con el importante desarrollo
de los geosintéticos, las geomallas ha sido usadas con suceso para refuerzo de
pavimentos asfálticos nuevos y restaurados. La geomalla proporciona una alta
resistencia a la tracción dentro del pavimento, complementando las propriedades
mecánicas de la mezcla asfáltica.
En una mezcla asfáltica la rigidez depende del nivel de deformación,
temperatura y del nivel de deteriorización progresiva por fatiga que es mantenido.
Inicialmente, antes de iniciarse el proceso de fatiga, la rigidez de la porción de
material encima de la región de la grieta es la misma de la región más alejada.
Las cargas del tráfico, que causan movimientos relativos entre las paredes de la
grieta debido a las fuerzas de tracción y de corte actuantes, propagarán las
microfisuras através de la zona de fisuración, reduciendo, de esta forma, la rigidez
del material en esta zona.
En el fenómeno de la reflexión de grietas, debido a la alta concentración de
tensiones y deformaciones, existen diferentes razones de deterioración
acumulativa dentro de la zona de fisuramiento, definida aqui como el volumen del
material inmediatamente acima de la grieta. Próximo de la extremidad de la grieta
la razón de deterioración acumulativa es mucho mayor que en zonas más
alejadas de la extremidad de la grieta. En algunos puntos de la zona de
fisuramiento la rigidez es reduzida a cero, encuanto otros puntos todavía no
soportaron una reducción significativa de la rigidez. Sin embargo, del punto de
vista de desempeño del pavimento, es importante considerar las características
de transferéncia de carga encima de la zona de la grieta.
2
ENSAYOS DINÁMICOS DE FATIGA
La utilización de sistemas de refuerzo estructural con geomallas en
probetas de mezcla bituminosa en forma de vigas prismáticas, implica que la capa
asfáltica sobre la grieta sea capaz de soportar un momento flector mayor,
3
aumentando la resistencia del concreto asfáltico. En este contexto, y con la
finalidad de hacer una análisis cualitativa y cuantitativa, fueron realizados ensayos
dinámicos de fatiga en vigas de concreto asfáltico con y sin refuerzo, teniendo
como apoyo una banda de caucho con un espesor de 25 mm utilizada como base
elástica.
2.1
Fabricación de las Probetas de Mezcla Bituminosa
Para el moldeado de las vigas en concreto asfáltico fue utilizado un molde
prismático con un dispositivo que además de formar una pre-grieta, permite que el
material utilizado como capa intermediaria quede exáctamente en la punta de la
grieta después del proceso de compactación estática. De esta forma la geomalla
fue posicionada en la extremidad de la grieta donde la elevación local de las
tensiones debido a la descontinuidad geométrica aumenta la posibilidad de
propagación en este punto (Figura 1). Se moldearon en laboratorio un total de 20
probetas de concreto asfáltico en forma de vigas de dimensiones 150 x 75 x 460
mm. con aberturas de 3, 6 y 9 mm, teniendo siempre presente que la precisión y
la reproductibilidad del ensayo dependen en gran parte de la construcción
uniforme de las probetas de mezcla asfáltica. La geomalla utilizada como refuerzo
fue de fibras de poliester de alta tenacidad formando mallas de 40 x 40 mm con
resistencia nominal a la tracción de 50 kN/m @ 12% de deformación (Hatelit C
40/17).
Posición de
la Geomalla
Figura 1 - Posición de la geomalla en la viga de concreto asfáltico.
4
2.2
Instrumentación y Sistema de Aplicación de Carga
En un programa de ensayos se debe tener la plena confiabilidad de las
lecturas obtenidas, por esta razón, todos los equipamentos fueron calibrados y se
utilizó um sistema de adquisición de datos completamente computadorizados.
2.2.1 Monitoramiento de la Grieta
Existen varios métodos para medir los movimientos de abertura y cierre de
una grieta. El más simple de ellos consiste en la fijación de dos tornillos en ambos
lados de la grieta en la cual se mide con la precisión de un “vernier” (0,02mm) la
distancia entre los tornillos (Figura 2).
Figura 2 – Simple forma de medición de la abertura y cierre de una grieta.
El “Crack Activity Meter” desarrollado por el Instituto Nacional de
Transportes de Africa del Sur es un medidor de desplazamiento que permite
efectuar la medición del movimiento vertical y horizontal de las paredes de las
grietas (Figura 3).
SALIDAS PARA EL COMPUTADOR
LVDT (lectura horizontal)
LVDT
(lectura vertical)
Grieta
PAVIMENTO
Figura 3 – Medidor de desplazamiento CAM (“Crack Activity Meter”).
5
Los movimientos diferenciales entre las paredes de la grieta originados por el
paso de una carga de rueda para el caso de campo o por un pistón de aplicación de
carga para el caso de laboratorio son medidos por dos LVDT’s (“Linear Variable
Differential Transformers”). El primero LVDT en la posición horizontal mide la deformación
a la flexión del pavimento y el incremento en la abertura de la grieta durante el paso de
una carga de rueda y el segundo LVDT el movimiento vertical relativo entre las paredes
de la grieta. Este sistema fue implementado para el laboratorio con la finalidad de medir
los movimientos horizontales de abertura de la grieta y deformación plástica durante los
ciclos de aplicación de carga. Un esquema del sistema es mostrado na Figura 4.
(1)
(2)
(3)
(4)
Viga de concreto asfáltico;
Banda de caucho como base elástica;
Base fija de acero;
Pistón de aplicación de carga cíclica;
(5)
(6)
(7)
(8)
LVDT-1 Medidor de deformación plástica;
LVDT-2 Medidor de abertura de la grieta;
Clip Gage -Medidor de abertura de la pre-grieta;
Estructura de soporte MTS.
7
8
6
3
2
6
7
6
5
5
4
1
1
4
Figura 4 - Instrumentación del ensayo de fatiga
Para simular el efecto de la carga que se produce con el paso de una rueda
en movimiento, se modifico la posición de las cargas respecto a la grieta,
analizándose los dos tipos de cargas críticas indicados na Figura 5: la posición de
flexión y la posición de corte. La posición de corte se produce dos veces a cada
paso de la rueda de carga (Figura 5a e 5c), mientras que la posición de flexión
ocurre solamente una vez (Figura 5b).
6
a
b
c
Figura 5 - Solicitaciones críticas en um pavimento, y esquema de aplicación de
carga.
El pulso de carga fue sinusoidal con frecuencia de 20 Hz, aplicada por un
pistón electro-hidráulico MTS através de uma chapa de acero (40 x 75 mm). Entre
la chapa de acero y la viga de concreto asfáltico fue instalado una banda de
caucho con la finalidad de minimizar la concentración de tensiones relativos a la
rigidez de la chapa de acero.
3
RESULTADOS
Los resultados obtenidos mostraron que a geomalla como capa
intermediária de refuerzo posicionado en la extremidad de la grieta, tiene un
efecto benéfico: aumenta la vida del concreto asfáltico situado sobre la grieta. En
las vigas sin geomalla el início de la grieta de reflexión ocurre más pronto a pocos
ciclos de aplicación de carga y el aumento de la tasa de propagación es rápido.
Durante cada ensayo fue realizado un extenso registro fotográfico
utilizandose una máquina fotográfica digital donde se muestra el surgimiento y
propagación de las grietas vinculadas al número de ciclos, así como, videos que
muestran el potencial de la geomalla de bloquear la propagación de la grieta de
reflexión y limitar la abertura de la misma.
3.1
Observación Visual
En las vigas sin geomalla, la ascensión de la grieta en el Modo de flexión y
de corte ocurre de forma vertical acompañando las caras de los agregados que se
encuentra en su camino (Figura 6 e 7). Cuando la grieta de reflexión alcanza el
tamaño de 75 mm (espesura del concreto bituminoso sobre la grieta), ocurre la
7
ruptura de la viga y con esto la finalización del ensayo. Para el caso de las vigas
reforzadas con geomalla, esa ascensión vertical se dio entre 20 a 30 mm para el
caso menos severo (abertura de la pre-grieta, 3 mm) y más severo
respectivamente (abertura de la pre-grieta, 9 mm), de este modo la función de
refuerzo de la geomalla impide la propagación de la grieta de reflexión. Después
de un largo período de ciclos de aplicación de carga, micro-fisuras van surgiendo
haciendose cada vez más visíbles y uniendose unas con otras dando a la
formación de nuevas grietas de severidad menor esparcidas en un volumen
mayor de concreto asfáltico (Figuras 8, 9, 10 y 11). Ese mecanismo ocurre tanto
para la posición de la carga a flexión como para la posición de corte. En las vigas
con refuerzo el ensayo se dio por finalizado cuando apenas una de las grietas de
menor severidad alcanza la superfície, en ese estado la viga con geomalla todavia
encuentrase en condiciones de resistir a más ciclos de carga, sin embargo se
opto por ese critério debido a la larga duración de cada ensayo, entre 8 a 12
horas de acompañamiento continuo.
Figura 6 - Propagación típica de la grieta de reflexión en las vigas sin refuerzo (flexión).
8
Figura 7 - Propagación típica de la grieta de reflexión en las vigas sin refuerzo (cortante).
Figura 8 - Forma de fisuramiento en las vigas con geomalla (pre-grieta de 9 mm, flexión).
9
Figura 10 - Forma de fisuramiento en las vigas con geomalla (pre-grieta de 6 mm,corte).
10
3.2
Resultados Numéricos
El factor de efetividad de la geomalla que representa el efecto benéfico es
calculado con la relación: FEG = Nf(com geomalla) / Nf(sem geomalla) .
El número requerido de aplicaciones de carga del sistema (flexión/corte)
para el aparecimiento de la grieta de reflexión en la superfície del recapado
asfáltico es calculado por:
Nf =
1
cf1
donde el consumo unitário a la fatiga (cf1) es la suma de los consumos produzidos
por las solicitaciones críticas generadas con el paso de una carga de rueda en
movimiento, o sea:
11
cf1 =
1
N f (F )
+
2
N f (C )
donde Nf(F) y Nf(C) son los números admisíbles de ciclos de aplicación de carga
requeridos para la reflexión completa de la grieta en los modos flexión (F) y
cortante (C).
Tabela 1 - Factor de eficiencia de la geomalla (FEG ).
Abertura
de la
pre-grieta
3 mm
6 mm
9 mm
Viga
Nf(F)
Nf(C)
(Ciclos)
(Ciclos)
Cf1
(Ciclos-1)
Nf
(Ciclos)
Sin geomalla
79.884
93.290
3,40x10-5
2,95x104
Con geomalla
490.491
573.560
5,53x10-6
1,81x105
Sin geomalla
68.690
77.710
4,03x10-5
2,48x104
Con geomalla
329.393
346.400
8,81x10-6
1,14x105
Sin geomalla
63.020
72.920
4,33x10-5
2,31x104
Con geomalla
340.702
364.530
8,42x10-6
1,18x105
Eficiencia
FEG
6,14
4,60
5,11
La deformación plástica en las vigas reforzadas con geomallas fueron
reduzidas entre 30 a 36 % inclusive consiguiendo movimientos menores de la
abertura de la pre-grieta y de la grieta de reflexión cuando comparadas con las
vigas sin refuerzo. Los resultados de los ensayos se sintetizan en las Figuras 12 a
17.
12
3,5
Deformación Plástica (mm)
Sin Geomalla
N=79.884
3,0
Con Geomalla
(2) N=477.150
2,5
2,0
2,5
(1) N=503.832
(2)
1,5
1,0
2,0
1,5
1,0
(1)
0,5
0,5
Deformación Plástica
Abertura de la Fisura
0,0
Abertura de la fisura de reflexión (mm)
3,0
3,5
0,0
0
1x10
5
2x10
5
3x10
5
4x10
5
5x10
5
5
6x10
Número de Ciclos (N)
Figura 12 - Resultado del ensayo - Abertura de la pre-grieta 3mm - Modo flexión.
3,5
Sin Geomallas
N=93.290
3,0
Con Geomallas
N(1)=568.720
N(2)=578.400
2,5
2,5
(2)
2,0
2,0
(1)
1,5
(1)
1,5
(2)
1,0
1,0
0,5
0,5
Abertura de la Fisura
0,0
0
1x10
5
2x10
5
3x10
5
4x10
5
5x10
5
6x10
Abertura de la Fisura de reflexión (mm)
3,0
3,5
0,0
5
Figura 13 - Resultado del ensayo - Abertura de la pre-grieta 3mm - Modo Cortante.
13
Sin Geomalla
N=68.690
3,5
3,0
3,0
Con Geomalla
N=329.393
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
Abertura de la fisura
0,0
0,0
5,0x10
4
1,0x10
5
1,5x10
5
2,0x10
5
5
2,5x10
3,0x10
5
3,5x10
3,5
0,0
5
3,5
3,5
3,0
3,0
2,5
2,5
Con Geomalla
N=346.400
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
Sin Geomalla
N=77.710
0,0
0,0
0,0
4
5
5
5
5
5
5,0x10 1,0x10 1,5x10 2,0x10 2,5x10 3,0x10 3,5x10
5
Figura 15 - Resultado del ensayo - Abertura de la pre-grieta 6 mm - Modo cortante.
14
3,5
3,5
Sin Geomallas
N=63.020
Con Geomalla
N=340.702
3,0
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
3,0
0,5
Deformación plástica
0,0
0,0
5,0x10
4
1,0x10
5
1,5x10
5
2,0x10
5
2,5x10
5
3,0x10
5
3,5x10
0,0
5
Número de ciclos (N)
3,5
Sin Geomallas
N=72.920
3,0
Con Geomallas
N=364.530
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
Deformación plástica
0,0
0
5
1x10
2x10
5
3x10
5
3,0
3,5
0,0
4x10
5
Figura 17 - Resultado del ensayo - Abertura de la pre-grieta 9mm - Modo cortante.
15
4
BENEFICIOS
ESTRUCTURALES
DE
LA
GEOMALLA
PARA
EL
PAVIMENTO
En princípio, la geomalla en referencia puede presentar beneficios
estructurales para el pavimento en las siguientes situaciones:
1) En pavimentos nuevos, su inclusión dentro del revestimiento asfáltico y en la
zona traccionada de la capa puede llevar a un incremento de la vida de fatiga
del pavimento, permitiendo reduzirse la espesura del revestimiento (benefício
importante en el caso de tráfico pesado de vehiculos);
2) Por tratarse de una geomalla de refuerzo, la rigidez elástica bajo cargas
transientes de la capa asfáltica puede ser incrementada, generando reducción
en las tenciones verticales que actuan en las capas subyacentes, lo que
implica en la reducción de los ahuellamientos en los carriles de las ruedas,
debido a deformaciones plásticas bajo la acción repetida de las cargas del
tráfico;
3) El surgimiento y la progresión de defectos en los pavimentos envuelve
fenómenos de naturaleza estocástica. La heterogeniedad resultante de los
procesos constructivos es un factor, portanto, que afecta el desempeño futuro
de los pavimentos. La inclusión de una geomalla sintética de refuerzo puede,
en tesis, homogenizar la estructura, mejorando su desempeño global;
4) En la fase pós-fisuración, el desempeño puede ser mejorado en vista del
cambio del padrón de agrietamiento: se puede pasar de una situación donde
se tenga grietas con grande longitud y grandes aberturas para otra donde la
capa se torne apenas microfisurada (muchas fisuras de pequeña longitud y
pequeña abertura). Las fisuras de menor severidad son menos nocivas,
porque mantienen un elevado grado de entrelazamiento del agregado en sus
paredes. La geomalla de refuerzo puede tener un efecto similar al del acero en
pavimentos rígidos, o sea, el de mantener las fisuras más cerradas;
5) En la restauración de pavimentos, especialmente de aquellos que se
encuentran muy agrietados al punto de recomendarse su reconstrucción, la
aplicación de una capa asfáltica de regularización, seguida de la geomalla de
refuerzo y de capa asfáltica de recapado, puede constituirse en una alternativa
16
economicamente más eficaz (especialmente cuando se considera los
inconvenientes para el tráfico de una operación de reconstrucción).
5
COMENTARIOS FINALES Y CONCLUCIONES
Los resultados obtenidos en el laboratório demuestran el excelente
desempeño cualitativo y cuantitativo de las vigas con geomalla, cuando
comparados con su similar sin refuerzo.
La Mecánica de la Fractura usa el Factor de Intensidad de Tensión (K)
como el parámetro que controla la progresión de la grieta de fatiga. Su uso con la
ley de Paris fue demostrado através de varios estudios ser aplicables en
concretos asfálticos. Sin embargo, su validez requiere de la existéncia de una
grieta afilada que domina el proceso de propagación, monopolizando la disipación
de energía en su extremidad. Con la geomalla ensayada aqui, varios micro-fisuras
aparecen en vez de una única grieta dominante. Esta debe ser una consecuencia
de una redistribución de la energia disipada encima de la grieta en un volumen
mayor de mezcla asfáltica. Una porción principal de estas microfisuras tuvo su
progresión interrumpida a un cierto tamaño, mientras que otras micro-fisuras
alcanzan la superfície de formas aisladas. La severidad de este último es menos
severa, en vez de una única grieta dominante como en el caso de las vigas sin
geomalla, insinuando a se esperar un buen comportamiento de la capa de
concreto asfáltico por la presencia de la geomalla. En este contexto, concluyese
que, unicamente para restauraciones con recapados simples son válidas las
expresiones previstas por la Mecánica de la Fractura, ya cuando se parte para
una restauración con el uso de capas intermediárias de refuerzo con geomalla,
debese contar con un modelo apropiado para poder evaluar y representar el
mecanismo por el cual esa capa intermediária de refuerzo actuará en el atraso de
la reflexión de las grietas.
En la restauración de un pavimento agrietado de la forma convencional, a
cada nueva capa de concreto asfáltico superpuesta además de aumentarse la
espesura del recapado para atingir una determinada vida de servicio, aumentase
el potencial de reflexión para la próxima restauración. La presencia del refuerzo
17
en capas asfálticas fisuradas incrementa el intertrabamiento de los áridos entre
las paredes de la grieta, contribuyendo a resistir mejor a los desplazamientos de
las extremidades de la grieta, se podería decir que para el caso de capas espesas
agrietadas (Bases de suelo cemento + revestimiento o varios recapados), la
presencia de la geomalla, hace un drástica reducción del potencial de
propagación. En el recapado convencional el surgimiento de las grietas en la
superfície del nuevo revestimiento asfáltico es apenas un espejo del padrón de
fisuramiento del antiguo revestimiento. Ya en el caso de optarse por una
restauración con geomalla, aparecerá en la superfície del nuevo revestimiento un
padrón de grietas diferentes y menos nocivo que el mencionado anteriormente.
Otra conclusión importante extraída del ensayo de fatiga es el fato que la
formación de las grietas de menor severidad que se presentan esparcidas en un
volumen mayor, alcanzan la superfície de forma aisladas, ellas no se comunican
(Figuras 8 a 11), por tanto la capa de revestimiento asfáltico conserva todavia su
impermeabilización, en ese estado es el momento oportuno de se hacer un nueva
intervención, donde pocos centímetros de concreto asfáltico sean suficientes para
retardar el futuro proceso de interligación de las fisuras y mantener la
impermeabilización de la estructura.
AGRADECIMIENTOS
A la "Fundação do Amparo da Pesquisa do Estado de São Paulo", por el
financiamiento de la investigación.

EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE GEOMALLAS

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