Thesis:

Validación de Factores de Corrección para las Dimensiones de Probetas en Ensayos de Indentación de Asfalto

En la actualidad, es muy común la construcción de pavimentos asfálticos debido a su impermeabilidad, capacidad de resistir cargas, a la fuerte cohesión y unión entre ligante-agregados y principalmente a la flexibilidad que poseen. Es por esto que es necesario determinar las propiedades de estos pavimentos para así predecir su comportamiento a lo largo de su vida útil, en este caso nos enfocaremos en el ligante asfáltico. El ligante asfáltico es un material viscoelástico cuyo comportamiento dependerá de varios factores los cuales son: niveles de carga, tiempos de carga y temperatura. Dicho comportamiento influirá directamente en el desempeño del pavimento frente a distintos tipos de falla. Es por esto que se hace necesario de proveer una precisa caracterización de este material viscoelástico y así predecir su desempeño. Para esto se determinan sus funciones fundamentales, las que pueden ser estudiadas en el dominio de la frecuencia (módulo complejo y ángulo de fase), o en el dominio del tiempo (flexibilidad en fluencia y módulo de relajación). En esta tesis se realiza una continuación a lo confeccionado en la tesis de Filonzi, la cual estudia una alternativa para determinar las funciones viscoelásticas en el dominio del tiempo de un ligante asfáltico. Este método alternativo corresponde a ensayos de indentación con cuerpos de geometrías esféricas, cilíndricas y cónicas. Para esto se desarrollan las soluciones para los tres diferentes cuerpos geométricos para un medio elástico semi-infinito y luego se expande a una solución para un medio viscoelástico semi-infinito. Finalmente se desarrollan factores de corrección para considerar los efectos de las paredes laterales y basales de las probetas. En lo que se refiere a lo presentado en esta tesis, se busca comprobar las soluciones desarrolladas anteriormente para una geometría cilíndrica. Para esto se han desarrollado modelos virtuales para ser resueltos por medio del método de elementos finitos (MEF) y de esta manera confeccionar, mediante puntos discretos, curvas de factores de corrección para ser comparadas con las obtenidas previamente de forma analítica. Adicionalmente, la investigación incluye una parte experimental llevada a cabo mediante ensayos de indentación cilíndrica a una temperatura intermedia para diferentes tamaños de probetas contenedoras de ligante asfáltico. Los resultados obtenidos, una vez aplicados los factores de corrección adecuados, son comparados con mediciones realizadas por el equipo reómetro de corte dinámico (DSR), por sus siglas en inglés. De los resultados, se tiene que los factores de corrección basal obtenidos por medio del método de elementos finitos son prácticamente idénticos a los obtenidos por soluciones analíticas. Sin embargo, con respecto al factor de corrección lateral, el efecto que se observa mediante MEF es mucho mayor al adquirido analíticamente, posibles causas de esto es que las soluciones analíticas desarrolladas no consideran el efecto volumétrico del fenómeno, aspecto que si se logra captar al realizar mediciones por medio del método de elementos finitos. Finalmente, los resultados de los ensayos de laboratorio alcanzan valores bastante cercanos de flexibilidad en fluencia con respecto a los entregados por el equipo DSR una vez aplicados los factores de corrección obtenidos por MEF.

Asphalt binders are viscoelastic materials whose properties are directly responsible for the behavior of the pavement. This behavior would explain its resistance to several types of failures such as fatigue cracking, thermal cracking, and rutting. Therefore, a proper characterization of viscoelastic materials through their fundamental properties is key for using an appropriate type of binder according to the requirements of the pavement for each particular case. A characterization of viscoelastic materials includes determination of fundamental viscoelastic functions. The viscoelastic functions in the time domain are the creep compliance and relaxation modulus. Also, the functions in the frequency domain are the complex modulus and the phase angle. Previous works suggest indentation tests as a new methodology for characterization of viscoelastic materials. Analytical solutions are known for indentation tests in semi-infinite media that allow determination of the creep compliance in shear. This thesis is an extension of the work done by Filonzi, where indentation tests are considered to be done using one of three different rigid body shapes: cylindrical, conical, and spherical. These indentation tests consider the effect of border conditions like specimen’s radius and depth by applying correction factors. The work has as purpose to verify previous solutions obtained for a flat-ended cylindrical indenter by being supported from virtual models that are solved using the finite element method (FEM). Furthermore, by FEM this work aims to establish new correction factor curves considering lateral and basal borders separately. In addition, experimental indentation tests are carried out at intermediate temperature for different specimen sizes. The results obtained by applying the appropriate correction factors for each individual test are compared with the ones obtained using the dynamic shear rheometer (DSR). The results for the basal correction factors obtained by FEM are almost the same as the ones obtained previously by analytical methods. However, the lateral correction factors obtained by FEM were far bigger than the analytical ones. Also, experimental results conclude the same, proving that the effect of the sample lateral border is bigger than the expected theoretical estimates. A possible reason for this may be associated with the volumetric effects due to indenting a confined incompressible medium.