Propiedades mecánicas de la arcilla expandida Arlita®
1. Cuadro normativo y de calidad de producto
Existen dos documentos normativos que definen las propiedades de los áridos aligerados que se deben de considerar para las aplicaciones de geotecnia de Arlita® 10/20:
- UNE-EN 13055-2:2005.
- Parte 1: Áridos ligeros.
- Parte 2: Áridos ligeros para mezclas bituminosas, tratamientos superficiales y aplicaciones en capas tratadas y no tratadas.
- UNE-EN 15732:2014: Materiales ligeros de relleno y productos aislantes térmicos para aplicaciones en ingeniería civil. Productos a base de áridos ligeros de arcilla expandida.
La UNE-EN 13055-2 define las propiedades de los áridos ligeros, obtenidos mediante el procesado de materiales naturales, artificiales o reciclados y mezclas de estos áridos para mezclas bituminosas, tratamientos superficiales y aplicaciones en capas no tratadas (sin ligantes) y tratadas con conglomerantes hidráulico distintas de hormigón, mortero e inyectado.
La normativa EN 15732 tiene un campo de aplicación más amplio que se extiende también a rellenos aligerado en contacto con elementos estructurales, siendo en tanto específico para rellenos aligerados de arcilla expandida.
La norma cubre el uso de arcilla expandida LWA (Light Weight Aggregates) como relleno ligero y como materiales de aislamiento en terraplenes para carreteras, vías férreas y otras áreas de tráfico y como relleno ligero para estructuras.
Los ensayos previstos en estas normas, determinan las características de áridos aligerados que los caracterizan en cuanto a producto para la construcción, no tiene por objeto la determinación de los parámetros para la modelización de su comportamiento en la aplicación.
Con todo esto, algunos de los ensayos permiten determinar parámetros de resistencia tales como ángulo de resistencia a cortante y de deformación o como módulo edométrico que pueden ser usados para modelizar el comportamiento de materiales en diversas aplicaciones.
Los valores mínimos o máximos de los parámetros que cuantifican las propiedades para una aplicación en particular, pueden estar definidas en normas o especificaciones relativas a esa misma aplicación
2. Deformación instantánea sobre una determinada tensión. Ensayo de compactabilidad y de capacidad de carga
En las infraestructuras en las cuales se requiere parámetros de máxima ligereza y resistencia, la búsqueda de este compromiso es fundamental. Arlita® ha estudiado su producto durante muchos años, llegando a conclusiones que permiten maximizar estas prestaciones.
La norma UNE EN 13055-2, en su Anexo A presenta un ensayo que busca la obtención de:
- Máxima reducción de volumen (compactación) por vibración, frente a un estado inicial de compacidad mínima (granel suelto).
- Registro continuo de deformación originada por una carga constante de compresión uniaxial aplicada a una tasa constante.
Este ensayo es ejecutado sobre muestras de Arlita® 10/20 colocadas en moldes cilíndricos de 200 mm de diámetro y altura.
En la primera parte de este ensayo se mide la reducción de volumen aparente de la probeta tras tres minutos de vibración a unas amplitudes y frecuencias determinadas.
En la segunda fase se aplica una carga sobre la probeta con una tasa de 0,06 +- 0,002 kN/s hasta conseguir una deformación de la altura del 10% tras la compactación por vibración.
Este ensayo permite demostrar aspectos importantes del comportamiento de Arlita® 10/20, en particular, la forma en que la compactación inicial influye en el comportamiento del material bajo las acciones de compresión.Una variable de la primera fase de este ensayo consiste en registrar la reducción de volumen por vibración en función del tiempo, obteniendo un gráfico como muestra la Figura 6.
Teniendo en cuenta que en una obra, la reducción de volumen va impuesta por las diversas tongadas de Arlita® 10/20, por el tipo de elemento que va a generar esa compactación (placa vibrante o dozzer) y número de pasadas para conseguir el 10% de compactación, es importante conocer el registro de tensiones vs. deformación de Arlita® 10/20 para diversos estados de compactación que el relleno ligero puede llegar registrar. compactación el comportamiento típico está
descrito en la Figura 7.
Aunque no se elimina la fricción entre el interior del molde y la muestra, este ensayo permite obtener un orden de magnitud de la deformación producida por una determinada tensión. Por ejemplo para una tensión de servicio de 100 kPa la deformación instantánea corresponde a un orden del 0,5%
Este tipo de ensayos permite la determinación de un módulo de deformabilidad Ec, correspondiente a la derivada del gráfico de tensión-deformación de la Figura 8.
Es importante señalar que el principal factor que influye en la curva tensión-deformación es la densidad aparente seca del material en estado granel.
Las curvas presentadas en la figura 9 muestran la influencia de la densidad tras la compactación en el comportamiento mecánico de Arlita® 10/20 La curva a se refiere al material sin compactar con menor densidad aparente frente a la curva b que presenta el comportamiento del material tras la compactación (en laboratorio mediante proceso de vibración) que presenta una densidad aparente más elevada.
La figura 9 pone de relieve la importancia de asegurar que el relleno ejecutado con Arlita® 10/20 presente una adecuada compactación, de la cual dependerá su comportamiento en términos de Tensión Vs. Deformación.
Es importante:
- Control en fábrica de que el producto realmente tenga las características de ligerezas.
- Control en obra de compactación para reducir fenómenos de asentamiento
3. Módulo edométrico M
El ensayo de determinación del módulo de deformación elástico, presentado en el punto anterior, permite obtener valores correspondientes a diferentes estados de tensión.
Sin embargo, este módulo E es distinto del módulo edométrico que designaremos por M, en cuya determinación las cargas son aplicadas por escalones en equipo que disponen de medidas de reducción de rozamiento lateral. Las diferencias entre estos dos tipos de módulos de deformabilidad son relativamente pequeñas.
4. Resistencia al aplastamiento
Otro parámetro que expresa la resistencia mecánica de los áridos ligeros de forma inmediata y normalizada es la resistencia al aplastamiento, obtenida a través del ensayo descrito en el Anexo A de la norma EN 13055-1, que describe las características que los áridos ligeros deben de presentar para ser utilizados en la fabricación de hormigones. Este parámetro no es muy usado en el dimensionado o modelización de rellenos aligerados pero sirve para obtener un valor de tensión máxima de servicio aplicando coeficientes de minoración al valor de tensión de resistencia al aplastamiento del agregado, sin embargo, siendo un parámetro normalizado de simple determinación, sirve sobre todo para realizar control de calidad en fábrica de Arlita.
En este ensayo se aplica una fuerza sobre un pistón apoyado en una probeta de 100 mm de diámetro y 100 mm de altura rellena de Arlita® vibrado durante 20 segundos, aplicando una fuerza hasta que el pistón penetra 40 mm en el material, registrándose una fuerza que produce esta deformación correspondiente a un esfuerzo.
La tensión de resistencia a aplastamiento corresponde a un límite convencional de deformación de 20%, el cual no se usa en aplicaciones prácticas, determinada sobre muestras poco compactadas. Se trata de un parámetro fácil de determinar que permite controlas las características de producción del granel. La resistencia al aplastamiento de la Arlita® 10/20 en estas condiciones tiene un valor mínimo de 700 kPa.
5. Deformaciones diferidas sobre tensión de compresión constante (Fluencia)
Los efectos diferidos en el tiempo resultantes de la aplicación de esfuerzos sobre cualquier material son validados mediante los ensayos de fluencia. En UNE-EN 157532 en su anexo C establece un ensayo que determina la deformación a compresión de Arlita® a una carga constante.
La muestra se coloca en un recipiente de acero y se compacta por vibración. La carga F debe aplicarse hasta el nivel predeterminado a niveles de 10 kN/ min y se mantiene constante durante 24 h. Debe registrarse la deformación durante dicho periodo. La fluencia a la compresión debe determinarse a unos niveles de tensión de compresión de 100 N/ mm2, 150 N/mm2 y 200 N/mm2. Para Arlita® 10/20 puede ser cuantificada a través del parámetro time resistance (Janbu, 1969), siendo este el inverso de la derivada de extensión en función del tiempo para determinados niveles de tensión:
Se constata que, para la generalidad de los suelos y materiales granulares sujetos a una tensión de compresión, a partir de un determinado momento tp o parámetro R varía linealmente con el tiempo transcurrido después de un momento de referencia tr, siendo por tanto:
Siendo rs un factor de proporcionalidad llamado time resistance number o creep number.
Así el parámetro rs, designado por creep number puede ser determinado para diversos niveles de tensión de compresión y permite calcular la deformación para periodos prolongados de tiempo, siendo así cuanto mayor valor de rs, menos evoluciona la deformación del material sobre una acción constante de compresión.
La extensión al final del período t, en segundos, se obtiene a partir de la ecuación generalizada que resulta, para tr=0 y tp=30´en la ecuación:
Esta expresión permite cuantificar la deformación por fluencia de Arlita® 10/20.
Tras elaboración de estudios comparativos que abarca todos los áridos ligeros producidos por Leca® en las diversas fábricas del grupo Saint- Gobain en Europa revelan que para tensiones de compresión de 100 kPa, el valor del parámetro de Arlita® 10/20 producida en Portugal (8000) es superior al presentado por otras fábricas.
El cálculo de la deformación por fluencia de Arlita® 10/20 para un periodo de 100 años, siendo rs=8000, indica que esta es inferior a 2,5‰, siendo despreciable en la práctica.
6. Deformaciones residuales producidas por acciones cíclicas (fatiga)
En el ensayo de resistencia a acciones cíclicas de compresión (UNE-EN 15732:2014-Anexo B) la muestra se coloca en un recipiente y es compactada por vibración y luego se somete a una carga de compresión cíclica comprendida entre los dos valores preceptivos y una frecuencia de 4 Hz.
La curva de carga es casi cuadrada entre dos cargas de compresión. La duración del ensayo es de 2·106 ciclos. A ciertos intervalos se mide la deformación a compresión de la muestra manteniéndola bajo una carga de compresión constante igual al 80% de la carga máxima aplicada. Al final del ensayo se mide la deformación total y se divide por la altura inicial después de la compactación por vibración de la probeta para obtenerse la deformación residual a compresión.
Los ensayos realizados sobre las muestras de Arlita® 10/20 fueron aplicadas tensiones cíclicas a un valor máximo de 120kPa.
La variación de la deformación de la muestra de Arlita® 10/20 tras los primeros 100 ciclos de carga-descarga, permiten verificar que en la peor situación, evoluciona desde un valor de 0,2% en el inicio del ensayo (1.000 ciclos) para un valor de 0,5% para el final del ensayo (2.000.000 ciclos). Hay que destacar que estos resultados permiten su uso en rellenos en carreteras y ferrocarriles con deformaciones residuales mucho menores a las permitidas por las normativas Europeas.
7. Envolvente de tensiones - Ensayos triaxiales estáticos. Ángulo de corte (Ángulo de fricción).
Los ensayos triaxiales posibilitan la determinación de la envolvente de tensiones de Arlita® 10/20 expresada en términos de ángulo de resistencia al corte (ϕ) y de cohesión (c).
En los ensayos triaxiales estáticos realizados por el laboratorio Noruego SINTEF fueron utilizadas las tensiones de confinamiento constantes, en cuanto la carga axial fue aumentada a una tasa constante de deformación axial (0,02%/s), hasta conseguir una rotura del material-deformación axial del 10%. En los ensayos efectuados fueron usadas tensiones de confinamiento de 20, 40 y 80 kPa, llegando a un pico de 42,5º para un ángulo de resistencia al corte máximo, para tensiones próximas a 200 kPa. Una vez que la envolvente de rotura es curva (Figura 15), para tensiones más elevadas se ha de considerar un valor de 37º para un valor de resistencia al corte asociado a una cohesión de 35 kPa.
(Los ángulos de resistencia al corte son tensiones efectivas una vez que no se generan tensiones neutras. La cohesión es un parámetro para la modelización de comportamiento. No es una propiedad física del material).
En estos ensayos se concluyó que la rotura corresponde a una deformación del 10%. Los parámetros obtenidos son válidos para las trayectorias de tensión similares. Tal y como ocurre en cualquier otro material el comportamiento friccional depende del estado de compactación.
Como valor conservador para situaciones de confinamiento reducido y sin movilización de deformaciones elevadas podemos considerar el valor de 37º como ángulo de resistencia al corte de Arlita® 10/20.
8. Resiliencia-Ensayos triaxiales cíclicos.
A partir del ángulo de resistencia el corte, determinado a partir de los ensayos triaxiales estáticos según norma UNE-EN 13286-7 conforme a lo estipulado en UNE EN 15732:2014, se realizaron ensayos triaxiales cíclicos posibilitando la determinación del componente recuperable de la deformación - módulo de resiliencia - y las envolventes de las zonas de comportamiento elástico y elástico-Plástico del material para las trayectorias de estado de tensión previstas.
El módulo de resiliencia εr de un material, constituye una medida de la componente elástica de las deformaciones producidas por una carga dinámica. Para una carga dada, la diferencia entre deformación máxima y deformación permanente es la denominada deformación resiliente.
La razón entre σd (o σ1-σ3) y la deformación resiliente (εr) es el módulo de resiliencia para la correspondiente tensión normal media (σmean). Se trata de un parámetro que puede ser utilizado para dimensionado de núcleos de carreteras o ferrocarriles, basado en métodos mecánicosempíricos o analíticos.
En Europa, los ensayos triaxiales cíclicos son generalmente efectuados de acuerdo con la norma EN 13286-7 (Mezcla de árido sin ligante y con conglomerante hidráulico. Parte 7: Ensayo triaxial con carga cíclica para mezclas sin ligante) que prevé la aplicación de cinco secuencias de carga cíclica. Cada secuencia corresponde a una tensión de confinamiento y en cada una se aplican seis escalones de carga. Son aplicados 10.000 ciclos carga-descarga en cada escalón con una frecuencia de 10 ciclos/segundo, de acuerdo con una curva sinusoidal siendo la secuencia interrumpida si se alcanza una deformación axial del 0,5%. La figura 3.2.10 representa las secuencias y escalones en los ensayos efectuados.
Los escalones de carga pueden ser representados también en la figura 17.
En este ensayo, al final de cada escala de carga cíclica, y registrado el valor de tensión (σ1-σ2) que produce una deformación unitaria, siendo la media de dos valores obtenidos en cada secuencia igual al valor del módulo de resiliencia de referencia Er determinando así la curva que mejor se ajusta, siendo esta la descrita por la ecuación siguiente:
En esta ecuación, el módulo de resiliencia de referencia corresponde a la tensión de confinamiento (pref) de 100 kPa. Para una tensión normal media de referencia (pref) de 100 kPa., se puede adoptar un módulo de resiliencia de referencia para Arlita ® 10/20 de 210 MPa, pudiendo ser adoptado para un exponente m de 0,55.
El ensayo triaxial cíclico permite también obtener las envolventes de comportamiento elástico (ε<2,5.10-8) y de comportamiento elásticoplástico (ε<10-7). La siguiente figura presenta la parametrización sugerida para las envolvente:
