Resumen de Particle model for crushable aggregates which includes size, time and relative humidity effects
Mauricio Alberto Tapias Camacho
Esta tesis presenta un estudio del comportamiento mecánico de los agregados gruesos a partir de la modelación numérica utilizando el método de Elementos Discretos (DEM). Se ha desarrollado un novedoso modelo DEM que tiene en cuenta la rotura de las partículas, la humedad relativa, la influencia del tiempo y el efecto del tamaño de las partículas.
Se propone un criterio de rotura de partículas con base en la mecánica de fracturas y la teoría de propagación subcrítica de grietas. Tres modelos teóricos para la propagación de grietas se proponen teniendo en cuenta la influencia de la humedad relativa.
Después de realizar un análisis de sensibilidad de formas de las partículas, para el modelo DEM se seleccionaron macropartículas con formas piramidales que se comportan como clumps (totalmente rígidas) y pueden romper. El modelo ha sido implementado utilizando el software comercial PFC3D, mediante la incorporación de funciones programadas en lenguaje FISH.
El modelo DEM propuesto trabaja principalmente con tres parámetros: la rigidez de los contactos (kn), la fricción entre las partículas (µ) y la tenacidad de Fractura del material (Kc). También tiene en cuenta la rugosidad superficial de las partículas a través del parámetro ¿o (ángulo sólido-solid angle) y la tensión de fluencia de los agregados.
Con el fin de calibrar los parámetros del modelo se realizaron algunos ensayos de laboratorio. Para la estimación de µ: ensayos para determinar el ángulo de fricción básico y mineral de los agregados a partir de ensayos de corte utilizando la Mesa Inclinada y el Corte Directo. Para la determinación de kn: ensayos de Rigidez de Contactos a partir de compresión uni-direccional sobre muestras prismáticas con uno de sus extremos de forma piramidal apoyado sobre una superficie plana. Para la determinación de ¿o: estimación de la Rugosidad media (Ra) medida a partir de observaciones con el microscopio.
La calibración de los parámetros del modelo DEM también se llevó a cabo a partir de un análisis retrospectivo (back analysis) de los ensayos numéricos edométricos comparados con datos experimentales ¿realizando un análisis de sensibilidad de diferentes parámetros-. Se tuvieron en cuenta la compresibilidad, la evolución de las curvas granulométricas y el cálculo de índices de rotura.
Adicionalmente, con el fin de investigar sobre los mecanismos de rotura, se realizaron ensayos edométricos sobre un material frágil: cubos de azúcar. Se utilizaron dos tipos de arreglos de los cubos obteniéndose dos relaciones de vacíos iniciales muy diferentes: 0.80 y 0.20. Se determinaron dos mecanismos de rotura: Rotura local (comminution crushing) y divisiones en dos partes que se aproximaron a mitades (particle splitting). Así mismo se realizó un análisis del comportamiento en el tiempo. Estas consideraciones fueron tenidas en cuenta en el modelo DEM.
También se ejecutaron ensayos triaxiales numéricos con los parámetros calibrados previamente en los ensayos edométricos y se compararon con resultados experimentales de la literatura. La predicción del comportamiento fue bastante acertada mostrando de esta forma la fiabilidad del modelo desarrollado.
Las simulaciones DEM de los ensayos edométricos y triaxiales fueron consistentes y bastante ajustadas con los resultados experimentales. La influencia de la humedad relativa en el comportamiento mecánico, el efecto del tamaño de las partículas, el comportamiento dependiente del tiempo y la evolución de la curvas de distribución granulométrica fueron bien reproducidas.
