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Reometro Archives - Bitafal

La reología es la ciencia que estudia la respuesta interna de los materiales cuando se deforman producto de un esfuerzo aplicado. Para aprender acerca de las propiedades reológicas de cualquier material se debe medir la deformación resultante de un esfuerzo aplicado o la fuerza requerida para producir una deformación determinada (1).

1 Reómetro de corte dinámico (DSR)

Los reómetros de corte dinámico se utilizan para estudiar el comportamiento reológico de diversos materiales, entre ellos el asfalto. Los dos métodos más comunes que utiliza el equipo para determinar las propiedades viscoelásticas de los asfaltos son los métodos transitorios (esfuerzo/deformación a tasa constante) y los dinámicos (oscilatorios) (2). La configuración típica de estos equipos consta de una placa inferior fija y una placa superior móvil, entre las cuales se coloca una muestra de asfalto a la cual se aplica un esfuerzo de corte.

Los ensayos dinámicos u oscilatorios cubren un amplio rango de esfuerzos en tiempos relativamente cortos, ofreciendo resultados muy valiosos (3). El funcionamiento del equipo puede ser por tensión controlada o por deformación controlada. En una disposición de tensión controlada, se aplica un par fijo a la placa superior para generar el movimiento oscilatorio. Debido a que el nivel de tensión aplicado es fijo, la distancia que la placa se mueve en su trayectoria oscilatoria puede variar entre los ciclos. Cuando se define el ensayo por deformación controlada, la placa superior se mueve con precisión entre las extremidades de amplitud a la frecuencia especificada y se mide el par necesario para mantener la oscilación. Dado que el DSR solo toma tres medidas; torque, rotación angular y tiempo, todos los resultados se calculan a partir de estas variables. Las siguientes ecuaciones son utilizadas para calcular la deformación () y tensión () en el equipo:

( 1 )

Donde:

g es la deformación de la muestra, adimensional o expresado en %.

q es la rotación angular, en radianes (rad).

R es el radio del plato, en milímetros (mm).

h es el espacio entre los platos, en mm.

( 2 )

Donde:

t es la tensión al corte, en Pa.

T es el torque registrado, en Newton metro (Nm).

De estas definiciones se desprende el módulo de corte complejo absoluto, cuya expresión es la siguiente:

( 3 )

Donde:

G*(ω) es el módulo de corte complejo, expresado en Pa.

ω es la frecuencia angular, en radianes por segundo (rad/s).

Nota: en este trabajo se referirá a la velocidad angular como frecuencia angular o simplemente frecuencia, por lo tanto la variable frecuencia podrá presentar unidades de rad/s o Hertz (Hz). Ambas se relacionan como .

El módulo de corte complejo es una medida de la resistencia total a la deformación de un ligante. Los DSR se pueden usar para caracterizar el comportamiento tanto viscoso como elástico de los asfaltos midiendo simultáneamente el módulo complejo G* y el ángulo de fase.

Para materiales viscoelásticos como el asfalto, el módulo de corte está compuesto por un módulo de pérdida (componente viscoso, G’’) y un módulo de almacenamiento (componente elástico, G’), cuya magnitud relativa determina cómo responde el material a las cargas aplicadas. Las dos componentes están vinculadas al módulo complejo por el ángulo de fase en una suma vectorial como muestra la Figura 1. Por lo tanto, las diferentes componentes se pueden relacionar mediante la ecuación 4:

Figura 1. Esquema vectorial de la relación entre el modulo complejo G* y los de almacenamiento G’ y pérdida G’’.

( 4 )

Donde:

G’(ω) es el módulo de almacenamiento, en Pa.

G’’(ω) es el módulo de pérdida, en Pa.

CITEVI cuenta con un DSR SmartPave 102 de Anton Para que se muestra en la Figura 2. Debido a la alta rigidez de los cementos asfálticos a temperatura ambiente, se requieren altas tensiones de corte para alcanzar un cierto nivel de deformación, que puede estar limitado por el torque mínimo registrable por el equipo (2). Para sobreponerse a esto, se utiliza la geometría de 8 mm de diámetro para realizar los ensayos a temperaturas inferiores a 35 °C y la geometría de 25 mm de diámetro para los ensayos donde la temperatura es igual o superior a 35 °C. Para mantener la temperatura especificada para cada ensayo, el equipo cuenta con un dispositivo de control de temperatura Peltier y un circulador de agua para refrigerar las piezas. Además, se emplea un compresor de aire para ayudar al giro de la geometría sin fricción en lo que se denomina un rodamiento de aire, lo cual permite grandes niveles de precisión. La operación del reómetro y la unidad de control de temperatura, junto con la adquisición de datos y el análisis, son controladas por una computadora.

Figura 2. Reómetro de corte dinámico SmartPave 102. Tomado de la página web de Anton Paar (4)

2 Región viscoelástica lineal

La relación entre la tensión y deformación en el asfalto puede aproximarse como lineal a pequeñas deformaciones. Dentro de esta región, la relación entre la tensión y la deformación está influenciada solo por la temperatura y el tiempo de carga (frecuencia) y no por la magnitud de la tensión o la deformación. Al aumentar la amplitud de los esfuerzos, la relación deja de ser lineal y se provoca una disminución en el módulo de rigidez (2).

Existen tres razones importantes por la que se debe definir la región viscoelástica lineal del asfalto. Primeramente, es aconsejable limitar la caracterización del asfalto a su respuesta viscoelástica lineal para simplificar el modelado matemático del material, ya que la respuesta no lineal, particularmente para materiales viscoelásticos, es extremadamente difícil de caracterizar y modelar en el laboratorio. En segundo lugar, las mediciones reológicas y los métodos de análisis se definen bajo la región viscoelástica lineal. Finalmente, en el ámbito del diseño de pavimentos, es necesario estudiar el asfalto y la mezcla asfáltica en el mismo dominio para poder definir los límites de aplicabilidad de la teoría viscoelástica lineal (2).