Ensayo de Estabilidad y Flujo Marshall



Evaluar el comportamiento de la mezcla asfáltica que tendrá un pavimento flexible con los ensayos ensayos de estabilidad y flujo Marshall



Relacionar la fricción y la cohesión interna de una mescla asfáltica variando la proporción entre los agregados pétreos y el cemento asfaltico.



Determinar el porcentaje óptimo de material ligante para el cual se tendrá la mayor estabilidad de la mezcla asfáltica en la construcción del pavimento flexible.



Entender y representar gráficamente la variación de carga, flujo, densidad y la relación de vacíos después de la compactación respecto a los los porcentajes porcentajes de de mescla asfáltica que contienen contienen las diferentes briquetas normalizadas.



Equipo de compactación Marshall manual



Mezcladora (espátula o cuchara)



Tanque para agua, para el baño de las briquetas



Martillo de Compactación



Pedestal de Compactación



Mordaza y medidor de deformación



Prensa



Termómetros



Balanzas de 0.1g y 0.1Kg de precisión.



Elementos de calefacción, para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y muestra, se empleará un horno.



Balanzas o básculas y pesas apropiadas según peso de la muestra.



Cloruro de Metileno, químicamente puro o para nuestro caso gasolina.



Aparato de extracción, consistente en un aparato en el cual se pueda rotar una taza, a una velocidad variable y controlada hasta 3600 rpm. El aparato debe estar provisto de una campana para retener el solvente que escapa de la taza y un desagüe para remover dicho solvente. Inicial: 10hz ≈ 591 rpm. Final: 60hz ≈ 3605 rpm



Anillos filtrantes, de fieltro o de papel, para el borde de la taza

Se preparan 3 briquetas para porcentajes determinados de cemento asfaltico y agregado mineral las cuales deberán cumplir con las diferentes especificaciones de granulometría, el proceso de mezclado se realiza en seco y a una temperatura alrededor de 120°C. Cuando la mescla este homogénea se vierte en un molde normalizado y con el martillo del equipo Marshall se realiza la compactación a 50 golpes en ambas caras, obteniendo como resultado una briqueta cilíndrica. Este proceso se hace para porcentajes de cemento asfaltico de 4% al 7%, en aumentos de 0.5%. Una vez secadas las briquetas se llevaran a un baño maría, se sumergen en el agua a una temperatura de 60°C durante 30 minutos, se registra el peso sumergido y el peso de la muestra saturada con superficie seca, esto usando la báscula y el principio de Arquímedes. Se procede a fallar las briquetas en la prensa de rotura Marshall, colocando estas centradas entre la mordaza inferior y superior que contiene el medidor de deformaciones, se aplica a continuación la carga sobre la

probeta a una tasa de deformación constante hasta que acurra la falla, es decir cuando alcance el mayor registro de carga y este empiece a disminuir. Este valor será la estabilidad Marshall respectiva para cada briqueta la cual será corregida multiplicando por su correspondiente factor debido al espesor de las briquetas dado en la tabla 1 de la INVE-748.

1

61.63

663.9

1180

1164.9

2500

5.8

22

2

61.76

705.5

1195

1193.2

2538

6.5

22

3

62.3

694.9

1160

1183.8

2420

6.4

22

61.90

688.1

1178.33

1180.63

2486

6.23

22

1

61.01

649.4

1164.5

1167.3

3342

9.8

22

2

61.93

618.4

1164.9

1171.1

2691

5.9

22

3

61.29

758

1202.6

1204.6

2885

8.3

22

61.41

675.266667

1177.33

1181.00

2972.66667

8.00

22

1

61.71

695.5

1193.2

1194.6

2188

10.9

22

2

62.84

710.4

1212.9

1215.1

2010

7.4

22

3

60.87

666.5

1160.7

1164.1

4

53.62

604

1032

1033.1

1243

6.2

22

59.39

669.966667

1146.03

1147.60

2720.5

8.17

22

1

62.15

708.6

1203.1

1204.9

1686

8.6

22

2

61.45

712.9

1205.7

1206.5

1734

7.6

22

3

60.29

709.9

1199.3

1199.6

1194

9.6

22

61.30

710.466667

1202.70

1203.67

1538

8.60

22

1

57.43

647.3

1108.9

1110.1

2046

65

22

2

63.9

786.1

1223.4

1223.9

1854

9.7

22

3

64.5

700.7

1223.1

1223.9

19000

0

22

63.9

716.7

1166.15

1167.00

1950

9.70

22

1

61.59

691.4

1183.1

1187.5

1190

10.5

22

2

62.46

702.2

1188.1

1188.4

1324

8.5

22

3

61.93

692.8

1169.1

1169.5

1271

9.7

22

61.99

695.466667

1180.1

1181.8

1261.66667

9.57

22

22

TABLA No. 1 (Datos Ensayo Marshall)

NOTA: Los datos de las briquetas número 1 y 3 con porcentajes de AC del 6.5% y la briqueta número 3 del 5.5% respectivamente, no fueron tenidos en cuenta para los promedios, ya que diferían mucho de los demás datos.

Se le realiza una corrección por espesor para la estabilidad debido al espesor de las briquetas la cual se encuentra en la Tabla 1 de la Norma INVE-748 del INVIAS.

4.5

Prom.

61.9

688.1

1178.33

1180.63

2486

6.233

22

5

Prom.

61.41

675.3

1177.33

1181

2972.7

8.0

22

5.5

Prom.

59.39

669.97

1146.03

1147.6

2720.5

8.17

22

6

Prom.

61.3

710.5

1202.7

1203.67

1539

8.6

22

6.5

Prom.

60.67

716.7

1166.15

1167

1950

9.7

22

7

Prom.

61.99

695.5

1180.1

1181.8

1261.7

9.57

22

Con estos datos, se procede a calcular la gravedad específica de Bulk y su debida corrección por temperatura, y otras correlaciones que son útiles para la determinación del contenido óptimo de asfalto.

22

0.997801

1.000728

Fuente: Norma INVE-733

Para las fórmulas utilizadas procedemos primero a definir las variables que se van a utilizar. Gravedad Específica de Bulk



Peso de la briqueta en el aire

 

Peso de la briqueta saturada con superficie seca.



Peso de la briqueta sumergida en agua.

 ρ

Densidad del agua a 25°C



Peso específico máximo teórico



:



:



Peso específico de los agregados. Peso específico del asfalto

:

Gravedad Específica máxima medida



:

Peso específico de la briqueta



:

Porcentaje de absorción de asfalto por peso del agregado

seco :



Volumen de asfalto efectivo :



Volumen de agregados



:

Porcentaje de Vacíos



:

Contenido de asfalto efectivo

Para la obtención de la gravedad Bulk se tiene que:

    De aquí se obtiene que el peso unitario de cada muestra se exprese como:

       Donde         Para el cálculo de la gravedad específica máxima teórica se utiliza:

        Para el porcentaje de absorción del asfalto

       El volumen que ocupa los agregados se expresa de la siguiente manera:

    Para el porcentaje de vacíos totales de la muestra:

   El volumen de asfalto efectivo.

 (   ) Porcentaje de vacíos en los minerales.

  Y el contenido de asfalto añadido

     

Nota: * El valor de la gravedad específica máxima es determinada mediante el ábaco suministrado por el laboratorio. Con estos datos se obtienen las siguientes graficas para determinar el contenido óptimo de asfalto a utilizar en la producción de la mezcla.

2.500 2.450 2.400     )     f     b     l     ( 2.350    D    A    D    I 2.300    L    I    B    A2.250    T    S    E 2.200 2.150 2.100 3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

% CEMENTO ASFALTICO (AC)

10 9.5 9 8.5

    )    m 8    m     (    O7.5    J    U 7    L    F

6.5

6 5.5 5 4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

% CEMENTO ASFÁLTICO (AC)

2.500 2.450 2.400     )    3 2.350    ^    m    c 2.300     /    g     (    O    I 2.250    R    A    T 2.200    I    N    U2.150    O    S    E 2.100    P

2.050 2.000 3.5

4

4.5

5

5.5

6

% CEMENTO ASFALTICO (AC)

6.5

7

7.5

    ) 16.000    %     (    S    E 15.000    L    A    R    E    N    I 14.000    M    S    O13.000    D    A    G    E 12.000    R    G    A    N11.000    E    S    O     Í    C 10.000    A    V

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

12

14

% CEMENTO ASFALTICO (AC)

    ) 12    %     ( 11    A    L    C 10    Z    E    M 9    A    L    E 8    D    S 7    E    L    A 6    T    O    T 5    S    O     Í    C 4    A    V 3

0

2

4

6

8

10

%CEMENTO ASFALTICO (AC)

La Estabilidad es la capacidad de la mezcla para resistir desplazamientos y deformaciones, se relaciona directamente con la fricción interna que proporciona la textura y forma del agregado mineral, y la capacidad de cohesión que proviene del material ligante para mantener unidas las partículas. Al aumentar el contenido de asfalto en la mescla podemos tener una mayor estabilidad pero cuando se sobre pasa el límite, el asfalto puede impedir la fricción interna entre las partículas resultando en menores valores de estabilidad; por tanto es importante calcular el contenido de asfalto para el cual la mezcla

tendrá la capacidad de resistir mayores desplazamientos y deformaciones, con el fin de realizar un el diseño más adecuado. En la gráfica de estabilidad Marshall se puede ver que el valor de estabilidad crece a medida aumenta el contenido de asfalto de la muestra, hasta un punto de máxima estabilidad cuyo valor es aproximadamente 2450 lb y se encuentra entre un valor 5.5% a 6% de cemento asfáltico, posteriormente el mismo contenido de asfalto hace que la estabilidad disminuya; este punto de mínima estabilidad contiene 6.5% de cemento asfaltico. Con estos datos se debe proceder a la escogencia del contenido óptimo de asfalto de manera que con él se cumplan simultáneamente las condiciones que se indican a continuación: Estabilidad mínima: 680 Kg (1.500 libras) Fluencia mínima: 2,54 mm (0.10 pulgadas) Fluencia máxima: 4,00 mm (0.16 pulgadas) Vacíos en la mezcla total: Entre 3 y 5% Vacíos en los agregados: Entre 14 y 30% Se visualiza que el flujo aumenta a mayor contenido de asfalto en la mescla, los valores de fluencia son importantes ya que muestran las deformaciones verticales cuando el material soporta su carga máxima. Para el porcentaje óptimo de asfalto tenemos valores de fluencia entre 6 y 7 mm. Aunque el porcentaje óptimo cumple con las especificaciones de estabilidad, la fluencia es considerablemente mayor a la máxima especificada. En general para todos los porcentajes de asfalto de las mezclas ensayadas sucede este exceso, lo cual evidencia errores y procedimientos equívocos en la elaboración del ensayo, tanto en el control de la temperatura de mezclado como en el proceso de compactación. La mezcla será más impermeable si tenemos bajos porcentajes de vacíos, por lo que se puede decir que la mezcla será densa y el asfalto no podrá ser oxidado a causa del aire con facilidad; pero se debe tener por lo

menos una pequeña cantidad de vacíos para que el asfalto se acomode en el interior y no en la superficie, es decir no ocurra exudación. Con esto en mente, para un contenido de asfalto del 5.5% a 6% que corresponde al rango de mayor densidad, tenemos porcentajes de vacios de 7.5% a 5.1% respectivamente; de lo cual tomaremos un 6% de asfalto que tendrá 5.1% de vacios en la mezcla. Para un contenido de asfalto menor a 5,5% y se cumple las especificaciones de vacios en los agregados, ya que da todos son cercano al 14% aunque no sobrepasan los 17%, muy cercanos en el rango inferior, por lo que el volumen de aire atrapado y cemento asfaltico son bajos, esto se debe a que la mezcla tiene una gradación densa, lo que reduce el contenido de asfalto y por tanto la durabilidad de la mezcla.



Especificaciones y normas para la construcción de carreteras. INVIAS. 2007.

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Normas para la construcción de pavimentos en el Valle de Aburra.

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Montejo Fonseca, Alfonso - Ingeniería de Pavimentos para Carreteras Tomo I, 2002.



Sánchez S. Fernando. Curso Laboratorio de pavimentos. Universidad del Cauca. 1983