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El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

Métodos de laboratorio para el diseño de las mezclas asfálticas en caliente

Existen diversos métodos de laboratorio que permiten diseñar mezclas asfálticas en caliente. Los más conocidos son: • El Método Hubbard-Field • El Método Triaxial de Smith • El Método Hveem • El Método Marshall • El Método Superpave® • El Método Ramcodes® Los dos primeros han entrado en desuso en los últimos años. El Método Hveem es de aplicación limitada a algunos estados de los Estados Unidos debido a la complejidad del proceso y lo costoso de los equipos. El Método Superpave®, es bastante reciente (1999), y aún cuando sus equipos son también de costo elevado (cercano a los US $ 120.000), es un método fundamentalmente científico, por lo cual será el método que se empleará en los años por venir. El Métod Método o Marshall  el más utilizado a nivel mundial, por lo simple de sus procedimientos y lo relativamente económico de sus equipos; estas características han resultado en la obtención de una extensa correlación entre los valores de ensayo de laboratorio y el comportamiento de pavimentos flexibles. El costo de un equipo de laboratorio para la correcta ejecución del Ensayo Marshall se encuentra en el orden de los US$ 15.000, lo cual es otra razón que explica la difusión de este método de ensayo. Vale la pena destacar que este método fue el que se empleó en el Diseño Experimental de la AASHO, y que en nuestro país es el procedimiento de laboratorio utilizado en el diseño y control de las mezclas asfálticas en caliente en las más de 210 plantas de asfalto que existen en Venezuela. Es también el método de diseño utilizado en todos los países de Centro y Sur América. El Método Ramcodes® presenta un procedimiento racional para la determinación de las características técnicas de una mezcla asfáltica. Ha sido desarrollado por el Ingeniero venezolano Freddy Sánchez Leal, y tal como se describe en el Capítulo 6, promete ser uno de los métodos que serán adoptados por los Ingenieros de Pavimentos para el diseño de mezclas en caliente.

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EL METODO MARSHALL 1. Desarroll Desarroll o

Los conceptos básicos del Método Marshall para el diseño de mezclas asfálticas fueron formulados a finales de la década de los años 40 por el Ingeniero Bruce Marshall, un experto en pavimentos asfálticos, junto con otros ingenieros del Departamento de Carreteras del Estado de Mississippi, en los Estados Unidos. El Cuerpo de Ingenieros de Carreteras de los Estados Unidos, a través de extensas investigaciones y estudios de correlación, lo mejoró e incorporó ciertas modificaciones al método, conduciéndolo al procedimiento actual, el cual también ha sido adoptado por la ASTM bajo la codificación ASTM D 1559: "Resistencia al Flujo de las Mezclas Asfálticas Mediante el Empleo del Equipo Marshall". 2. Aplicabilidad del Método

El Método Marshall, tal como ha sido normalizado por la ASTM, es aplicable a mezclas asfálticas en caliente elaboradas con cemento asfáltico y agregados de granulometría densa o fina, con un tamaño nominal máximo de 25 mm. Se utiliza tanto para el diseño en laboratorio como para el control de mezclas elaboradas en planta. Su empleo en mezclas abiertas es de relativa conveniencia, y exige la aplicación del criterio del ingeniero para que conduzca a resultados confiables. En los últimos años el Instituto del Asfalto (IDA) ha modificado el método original para que pueda también ser empleado en el diseño y control de mezclas en frío, preparadas con mezclas densas y asfaltos del tipo RC, o asfalto emulsificado. 3. Resum Resumen en del método

El procedimiento del Método Marshall comienza con la preparación de las briquetas de ensayo. Previamente se requiere que: ° Los materiales, tanto pétreos como el cemento asfáltico, cumplan con las especificaciones de calidad establecidas en la Norma que se esté aplicando: Desgaste Los Ángeles, forma (% de caras fracturadas), angularidad y limpieza de la fracción fina, etc.

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EL METODO MARSHALL 1. Desarroll Desarroll o

Los conceptos básicos del Método Marshall para el diseño de mezclas asfálticas fueron formulados a finales de la década de los años 40 por el Ingeniero Bruce Marshall, un experto en pavimentos asfálticos, junto con otros ingenieros del Departamento de Carreteras del Estado de Mississippi, en los Estados Unidos. El Cuerpo de Ingenieros de Carreteras de los Estados Unidos, a través de extensas investigaciones y estudios de correlación, lo mejoró e incorporó ciertas modificaciones al método, conduciéndolo al procedimiento actual, el cual también ha sido adoptado por la ASTM bajo la codificación ASTM D 1559: "Resistencia al Flujo de las Mezclas Asfálticas Mediante el Empleo del Equipo Marshall". 2. Aplicabilidad del Método

El Método Marshall, tal como ha sido normalizado por la ASTM, es aplicable a mezclas asfálticas en caliente elaboradas con cemento asfáltico y agregados de granulometría densa o fina, con un tamaño nominal máximo de 25 mm. Se utiliza tanto para el diseño en laboratorio como para el control de mezclas elaboradas en planta. Su empleo en mezclas abiertas es de relativa conveniencia, y exige la aplicación del criterio del ingeniero para que conduzca a resultados confiables. En los últimos años el Instituto del Asfalto (IDA) ha modificado el método original para que pueda también ser empleado en el diseño y control de mezclas en frío, preparadas con mezclas densas y asfaltos del tipo RC, o asfalto emulsificado. 3. Resum Resumen en del método

El procedimiento del Método Marshall comienza con la preparación de las briquetas de ensayo. Previamente se requiere que: ° Los materiales, tanto pétreos como el cemento asfáltico, cumplan con las especificaciones de calidad establecidas en la Norma que se esté aplicando: Desgaste Los Ángeles, forma (% de caras fracturadas), angularidad y limpieza de la fracción fina, etc.

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Figura 1: Determinación de las Gravedades Específicas de los agregados

° La combinación de los agregados resulte dentro de las especificaciones granulométricas establecidas para la mezcla seleccionada. Esta combinación se mantendrá constante para cada una de las diferentes briquetas —o testigos de ensayo— que serán preparadas a lo largo de la ejecución del Ensayo Marshall. ° Que se hayan determinado los pesos específicos bulk y aparente de los diversos agregados a emplear en el diseño. ° Que se conozca el peso específico aparente del cemento asfáltico (Gb ), a 25ºC. Recordemos que este valor es tomado directamente del “Certificado de Calidad” que expide PDVSA cada vez que realiza un despacho de ligante asfáltico. El Método Marshall utiliza briquetas de 100 mm (4.0 pulg) de diámetro y 63,5 mm (2.5 pulg) de altura, las cuales son preparadas siguiendo un procedimiento normalizado de calentamiento, mezclado y compactación dinámica de la mezcla.

Moldes

Briquetas

Figura 2: Moldes y briqueta compactada

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El desarrollo del método de ensayo sigue dos etapas perfectamente definidas: 1. el análisis de densidad y vacíos , mediante el cual se determina determina la composición volumétrica de la mezcla. 2. el ensayo de estabilidad estabilidad y flujo de las briqu etas etas co mpactadas, mpactadas, que permite determinar determinar las propiedades propiedades mecánicas de la mezcla. 4. Objetivo del méto do

El método persigue la determinación de un contenido de asfalto óptimo, para la combinación de agregados establecida, tal que resulte en una mezcla con las características de estabilidad, durabilidad y trabajabilidad que han sido definidas y comentadas anteriormente. El método no mide la resistencia a la deformación ni la resistencia a la fatiga de la mezcla, pero estas características de la mezcla se miden de una manera indirecta por medio de una propiedad fundamental del ensayo Marshall, a saber, el contenido de aire dentro de la mezcla compactada. 5. Estimación del contenido d e asfalto asfalto prom edio inicial

Para la determinación del contenido de asfalto promedio, éste debe ser primeramente estimado. Para este propósito, aún cuando sea en forma aproximada se recurre a la experiencia del Ingeniero y/o Laboratorista con mezclas similares. Una vez estimada esta cantidad se prepararán mezclas con el promedio inicial de ligante y otras cuatro (4) mezclas, dos de ellas con contenidos de ligante por encima del promedio inicial y otras dos con contenidos de ligante por debajo del promedio estimado. Cada uno de los diferentes contenidos de ligante se denominan “puntos de asfalto ”; por lo cual un diseño completo incluye la preparación y análisis de muestras para “cinco puntos de asfalto”. En el caso de Venezuela, la práctica común es que las mezclas con TNM 19 ò 25 tienen su óptimo en el entorno del 5%, si están del lado fino de la granulometría y al 4.5% si lo están del lado grueso, mientras que las mezclas con TNM 12 ó 19 se acercarán mas al 6.0%, si están en el lado fino de la granulometría y al 5.5% si están del lado grueso. La diferencia entre un “punto de asfalto” y el siguiente es de un medio por ciento (0.5%) de la cantidad de asfalto considerada. Para cada contenido de asfalto se preparan tres (3) briquetas, y se preparan otras tres (3) mezclas para el contenido de asfalto correspondiente al “promedio inicial”, por lo cual se requiere de una cantidad de dieciocho (18) pesadas de agregado combinado. En el caso de que sea una mezcla con características especiales, o cuyos agregados se usen por primera vez en un diseño, habrá de ser necesario de ampliar el rango de muestras a ser ensayadas. 5-4

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6. Proceso de laboratorio

En la literatura técnica disponible en español se describe detalladamente el método de ensayo Marshall. Una de las mejores referencias se encuentra en el “Manual Visualizado de Ensayos”, elaborado por la Fundación Laboratorio Nacional de Vitalidad (Fundalanavial), el cual ha sido preparado tanto en versión impresa como en digital. A continuación se presentan, en forma resumida, las etapas fundamentales del Método Marshall, para lograr la adecuada explicación de las etapas de análisis de densidad y vacíos y de las propiedades mecánicas del método de ensayo. 6.1 Pesaje de agregados, calentamiento d el asfalto y d e los agregados

Cada pesada de agregado, por otra parte, se prepara con 1.200 g de peso total. Con esta pesada del agregado total, mas la cantidad de asfalto que sea requerida se obtienen briquetas compactadas con un volumen de masa promedio que corresponde a las dimensiones de 100*63.5 mm. Para esta pesada individual de 1.200 g de cada briqueta, se requiere, en consecuencia, una cantidad mínima de agregado de aproximadamente 21.6 kg.

Figura 3: Preparación de las pesadas de agregado combinado

Los agregados y el cemento asfáltico se calientan a la temperatura de mezclado, determinada a partir del “Gráfico viscosidad-temperatura”, de acuerdo al procedimiento explicado en el Capítulo 2, Aparte “Consistencia”.

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6.2 Expresión del contenido de asfalto y adición d el asfalto

Existen dos maneras de expresar la cantidad de asfalto que se incorpora a una mezcla: (a) como porcentaje del peso total de agregados, o (b) como porcentaje en peso total de mezcla. En este último caso, cuando se dice que una mezcla tiene el 5% de asfalto, quiere significarse que de cada 100 kg de mezcla, 5 kg serán de ligante y los restantes 95 kg corresponden a la totalidad de los agregados utilizados en la elaboración de la mezcla. Esta última forma de expresión del contenido de ligante (% en peso de mezcla total)   es la que se ha adoptado en Venezuela para el Método Marshall, por lo cual debe tomarse en cuenta que las fórmulas que se presentan más adelante para el "Análisis de Densidad y Vacíos", siempre consideran que la cantidad de asfalto esté formulada "como porcentaje en peso de mezcla total". Si, por ejemplo, se desea formar una briqueta que contenga el 5% de ligante, expresado como % en peso de mezcla total, y se tienen pesados 1.200 g de agregado total combinado, la cantidad de ligante a ser añadido al peso de los 1.200 g de agregados es de 63.16 g {(1.200/0.95) * 0.05}. La cantidad requerida de cemento asfáltico (63.16 g en el ejemplo anterior), previamente calentado a la temperatura determinada según el Aparte 6.1, se le añade al peso de los agregados, que también se encuentran calentados a la misma temperatura, o hasta unos 5-10ºC por encima de esta temperatura, para compensar cualquier enfriamiento del agregado durante su manejo.

Figura 4: Adición del ligante a los agregados, ambos debidamente calentados a la temperatura determinada según el gráfico viscosidad-temperatura del cemento asfáltico.

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6.3 Mezclado de las bri quetas

Una vez que la mezcla ha sido preparada, ésta se deja enfriar hasta la “temperatura de compactación”, la cual también se determina de acuerdo al Gráfico viscosidad-temperatura”.

Figura 5-b Verificación de la temperatura de compactación de la mezcla

Figura 5-a Procediendo al mezclado de los  Agregados y el ligante

6.4 Compactación d e las briquetas. Número d e golpes por cada cara.

Una vez que la mezcla ha enfriado hasta alcanzar la temperatura deseada, se procede a compactarla mediante el empleo del “martillo Marshall”, el cual tiene un peso de 10 lbs y una altura de caída de 18 pulgadas. Las briquetas se moldean sobre un pedestal de madera de 20*20*45 cm, que debe tener un peso determinado (entre 12.8 y 14.5 kg); sobre el pedestal se coloca una plancha de acero de 25mm de espesor, con este pedestal “normalizado” se logra que a la energía de compactación estandarizada por el peso fijo del martillo, corresponda una reacción también estandarizada por la densidad del pedestal. El número de golpes que se aplican sobre cada cara de las briquetas dependen del tráfico esperado. La Norma venezolana recomienda lo siguiente: Tipo de tránsito  Nº de golpes por cara

ALTO 75

MEDIO 75

BAJO 50

Las definiciones aplicables de tipo de tránsito son las siguientes: TIPO DE TRÁNSITO Características del tránsito ALTO MEDIO BAJO Ejes Equivalentes (EE) a 8,2 Ton. en el período de diseño > 20 millones 2 a 20 millones < 2 millones Camiones/Día por sentido PDT por sentido

> 800 > 3.000

100 - 800 500 – 3.000

< 100 < 500

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Una vez que las briquetas han sido moldeadas, se dejan enfriar hasta una temperatura cercana, o menor a los 60ºC, y se extraen del molde para proceder a su pesado. 6.5 Pesado de las briqu etas y Análisis de densidad y v acíos

Después de que las briquetas se extraen del molde, se procede a pesarlas al aire (peso al aire), sumergidas en agua (peso en agua), y nuevamente al aire después de secarla superficialmente al sacarla del agua de la balanza hidrostática (peso al aire después de sumergida con superficie seca).

Figura 6: peso de las briquetas al aire, en agua y nuevamente al aire después de sumergida

Con los pesos de la briqueta se procede a determinar tanto su volumen (peso al aire después de sumergido — peso sumergido) y su densidad o peso unitario (Gmb ), que es el resultado de dividir el peso al aire entre el volumen de la briqueta. Los procedimientos analíticos que se describen mas adelante en el ejemplo de diseño, permitirán calcular los valores de Vacíos Totales (Vv), los Vacíos del  Ag reg ado Mineral (VAM), y los Vacíos Llenados con Asfalto (Vll ), con los cuales se podrá proceder posteriormente a la graficación de estos valores y su interpretación para la selección del contenido de asfalto mas conveniente u “óptimo ”. Los vacíos totales se definen como los pequeños espacios ocupados por el aire entre las partículas de agregado cubiertas por asfalto, mientras que los VAM corresponden al espacio no ocupado por las partículas de agregado en la mezcla compactada, es decir los espacios de aire mas los espacios que ocupa el asfalto . Los vacíos llenados, por su parte, corresponden a aquella fracción de los VAM que son realmente ocupados por el ligante asfáltico. Tanto los Vv como los VAM y los Vll se expresan como un porcentaje de su volumen en función del volumen total de la mezcla compactada. 6.6 Determinación de Gravedad específica sin v acíos (Gmm )

(densidad) máxima

de la mezcla

Para la determinación de los volúmenes de los diferentes tipos de vacíos es necesario conocer previamente el valor de la Gravedad específica máxima de la mezcla sin vacíos (Gmm), el cual se obtiene a través de la ejecución del 5-8

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Ensayo de Rice (ASTM D2041), el que consiste en sumergir una mezcla sin compactar en un frasco de vidrio (picnómetro) y extraerle el aire mediante la aplicación de un vacío parcial. Sin el resultado de este ensayo los valores que se calculasen de los vacíos serían solo aproximados. El resultado del ensayo de Rice es, por lo tanto, fundamental para la correcta determinación de los valores de Vv, VAM y Vll.

Figura 7: bomba de vacío parcial y muestra sumergida en agua durante la ejecución del ensayo de Rice

6.7 Determinació n de la estabilidad y flu jo

Una vez que las briquetas han sido pesadas en agua y sumergidas en agua, para determinar su valor de peso unitario, o de densidad real, se sumergen durante un lapso de 30 minutos, en un baño de agua a temperatura constante de 60ºC con el fin de proceder posteriormente a la determinación de su valor de estabilidad y flujo. La temperatura de 60ºC ha sido seleccionada para representar la máxima temperatura a la puede llegar que un pavimento asfáltico en épocas de veranos intensos, caso muy común en Venezuela, y el hecho de sumergirla representa la condición de ocurrencia de una lluvia intensa en un momento de alta temperatura, que hace que el agua corra sobre la superficie del pavimento.

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Figura 8: Prensa Marshall en laboratorio de campo y colocación de la briqueta dentro de la “mordaza Marshall” y posicionamiento del medidor de flujo.

La figura 9 muestra el mecanismo de rotura de una briqueta. En el momento inmediatamente anterior al que se produce la rotura de la briqueta, y en el anillo de carga, se lee la carga axial aplicada: esta carga máxima se registra como la “Estabilidad” de la briqueta, la estabilidad se registra en libras (lbs)fuerza, aun cuando en el Sistema Internacional (SI) la unidad de medida es el Newton-fuerza (N). (La equivalencia entre la (lbf) y el (N) es: una (1) lbf = 4,448222 N). Por otra parte, en el momento en que ocurre la carga máxima se registra la deformación diametral que ha sufrido la briqueta. Esta deformación se denomina “flujo” o deformación Marshall, y convencionalmente se expresa su unidad como “centésimas de pulgada (0.01 pulg)” Debe señalarse que la estabilidad medida (o también llamada “leída) en el ensayo debe ser corregida en función de la altura de la briqueta, o más sencillamente en función del volumen de cada briqueta, ya que para que la comparación entre estabilidades sea real todas las briquetas deben ser de la misma altura. Para esta corrección se emplea la Tabla I, que se presenta mas adelante.

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Figura 9: mecanismo de aplicación de la carga en el Ensayo Marshall

Es conveniente reproducir, con autorización del Autor, el Ing. R. Adrián Nosetti, de la Universidad de La Plata, en Argentina, algunas consideraciones sobre la Estabilidad y el Flujo en el Ensayo Marshall. En ese sentido el Ing. Nosetti comenta:  Estabilidad  El parámetro de Estabilidad se obtiene en el método Marshall mediante la rotura de las  probetas en condiciones normalizadas (60ºC y una velocidad de avance de 2pulgadas/minuto); por lo expuesto, la viscosidad de masa en el ensayo Marshall es constante puesto que la temperatura y la velocidad de deformación son parámetros que no varían en dicho ensayo. Para ejecutar el ensayo se utiliza una mordaza de dimensiones y formas conocidas, detallada en la Norma ASTM D1559.  La mordaza permite aplicar una carga diametralmente en condiciones de semiconfinamiento. La estabilidad Marshall ha sido considerada por algunos autores, como equivalente a la carga máxima en compresión incofinada. Para Goetz dicha carga  supera la carga de compresión inconfinada y es la que corresponde a un ensayo triaxial, cuando se aplica presión lateral de confinamiento de aproximadamente 0.7 kg/cm²; también es válido decir que la estabilidad Marshall es comparable a la carga máxima en compresión inconfinada cuando se utilizan probetas de esbeltez cercanas a 1; y esto es debido al efecto de zunchado producido por los distintos módulos de deformación entre la cabeza de la máquina de ensayo y la probeta (similar situación se produce en la rotura de probetas de hormigón) que determinan condiciones equivalentes a las del ensayo  Marshall.  Por lo expresado anteriormente también la curva de carga–deformación en el ensayo  Marshall es similar a la obtenida por compresión inconfinada y, antes de alcanzar la carga máxima, existen deformaciones plásticas con expansión lateral y la falla se  produce por corte según planos definidos. La curva característica es la que se presenta en el siguiente gráfico.

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P [libras]

Estabilidad Marshall

E

i

f  rotura

e

0 Fluencia Marshall

Deformación

Se nota un periodo de comportamiento casi elástico ” e”   , existiendo proporcionalidad entre las cargas y las deformaciones hasta el punto indicado como “ E.” Puede considerarse que en el segmento “ O-E”   las deformaciones son recuperables por elasticidad instantánea y/o retardada. Luego a partir del punto  E  y hasta alcanzar la carga máxima indicada en el gráfico como  Estabilidad Marshall   , la curva toma la forma de una parábola presentando un periodo elasto–plástico “ i”; las deformaciones son mayores en este periodo en relación al periodo elástico para iguales incrementos de carga con una pérdida de la reacción elástica, dado por la diferencia entre la curva real  y la prolongación del segmento O-E. El momento en que se llega al máximo es aquel en que se destruye la estructura granular; la mezcla aquí ya se ha dislocado por los efectos de los esfuerzos de corte, o sea se ha producido la falla de la misma llegando al máximo valor de corte que puede resistir. Por ultimo la curva presenta un periodo en que la mezcla fluye plásticamente “ f”   , con una deformación de mayor magnitud en la parte descendente de la curva antes de la falla total.  Fluencia  Las mezclas asfálticas convencionales poseen un esqueleto granular que se deforma bajo carga o por movimientos diferenciales de las capas inferiores, esta deformación está dada por el cambio de la posición relativa y orientación de las partículas, porque sólo el medio ligante puede fluir o romperse en las zonas más solicitadas. El desplazamiento en los planos de corte sólo es posible cuando el esfuerzo de corte es capaz de producir una expansión (dilatancia) que abre la estructura granular lo suficiente como para  posibilitarlo.  Paralelamente, actúan esfuerzos de compresión por confinamiento que tienden a reducir el volumen y enmascarar la expansión por dilatancia como sucede en los ensayos triaxiales. La relación entre esfuerzos y deformaciones es prácticamente lineal, hasta que  se inicia, en las zonas más débiles, el desplazamiento de las partículas en los planos de corte, que luego se generaliza al conjunto.  La fluencia Marshall es la disminución del diámetro de la probeta normalizada en el momento de alcanzar la carga máxima y medida en la dirección de la misma.  En las mezclas convencionales la fluencia tiene una variación casi nula a diferentes temperaturas y velocidades de aplicación de las cargas, tampoco varía marcadamente al utilizar ligantes de distinta consistencia para una condición de iguales composiciones volumétricas y tipo de áridos.

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 La variación de la fluencia se produce al incrementar el contenido de ligante en primera instancia en forma suave y luego se hace mas pronunciada.  Las investigaciones de Gooetz, dan una explicación a lo dicho, al establecer la relación existente entre la fluencia Marshall y el ángulo de fricción interna medido en el ensayo triaxial. Con veintidós determinaciones que incluyen diferentes contenidos de asfalto,  granulometría de los agregados pétreos, penetración del ligante y velocidad de deformación, encuentran que el ángulo de fricción interna decrece linealmente con el incremento de la fluencia según la ecuación: δ

= 59,7 - 0,942 . Fl

δ   = ángulo de fricción interna en grados  Fl = fluencia Marshall, en 0,01 pulgadas

 El coeficiente de correlación es 0,96, lo que ilustra sobre el valor significativo de dicha relación y, por lo tanto, puede afirmarse que si bien la fluencia no es una medida de δ   , las propiedades de la mezcla que determinan su valor son las mismas que para δ .  En el siguiente gráfico se presenta el incremento de la fluencia y el correspondiente      calculado, en función del contenido de asfalto para un concreto descenso del ángulo δ  asfáltico tipo A,, y otro B. Se observa que hasta el contenido óptimo de asfalto en ambos concretos (5,9 %), la relación es prácticamente lineal. Para mayor contenidos de ligante continúa la relación lineal para el A, en cambio, el B, cae parabólicamente en concordancia con su mayor contenido de pasa Nº  200 (10 % y la forma menos aplastada de su curva de compactación que como se ha dicho, es un índice de su mayor sensibilidad al efecto lubricante del asfalto).  La flexibilidad no está directamente vinculada con un parámetro en particular del método Marshall, pero si existe una correspondencia con la relación estabilidad /  fluencia pero no considera al conjuntos de la estructura sino un valor muy puntual de las mezcla asfáltica en el momento de su elaboración .

 Figura 10:Fluencia y ángulo de fricción interna calculado según Gooetz en función del porcentaje de asfalto.

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Tabla I FACTORES DE CORRECCION DE LA ESTABILIDAD MEDIDA EN BRIQUETAS ELABORADAS SIGUIENDO EL METODO MARSHALL DE DISEÑO DE MEZCLAS

Volumen de la briqueta (cm3) 368 a 379 380 a 392 393 a 405 406 a 420 421 a 431 432 a 443 444 a 456 457 a 470 471 a 482 483 a 495 496 a 508 509 a 522 523 a 535 536 a 546 547 a 559 560 a 573 574 a 585 586 a 598 599 a 610 611 a 625

Altura aproximada de la briqueta mm pulgadas 46.0 47.6 49.2 50.8 52.4 54.0 55.6 57.2 58.7 60.3 61.9 63.5 64.0 65.1 66.7 68.3 71.4 73.0. 74.6 76.2

1 13/16 1 7/8 1 15/16 2 2 1/16 2 1/8 2 3/16 2¼ 2 5/16 2 3/8 2 7/16 2½ 2 9/16 2 5/8 2 11/16 2¾ 2 13/16 2 7/8 2 15/16 3

Factor multiplicador de la “estabilidad leída” 1.79 1.67 1.56 1.47 1.39 1.32 1.25 1.19 1.14 1.09 1.04 1.00 0.96 0.93 0.89 0.86 0.83 0.81 0.78 0.76

6.8 Ejemplo de Análisis de Densidad y Vacíos

A continuación se presenta un ejemplo detallado de los cálculos que son requeridos en un " Diseño de mezcla por el Método Marshall". (a) Tipo de mezcla a diseñar Se desea diseñar una mezcla de concreto asfáltico densamente gradada, de acuerdo a la granulometría establecida en la Norma INVEAS para la mezcla Tipo M19, para una condición de tránsito “pesado”. (b) Agregados disponibles Para el diseño se dispone de cuatro agregados: • polvillo triturado •  arrocillo • arena cernida • piedra picada 5-14

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(c) Proporcionamiento de los agregados Los cuatro agregados deben ser combinados en una proporción de 43% polvillo; 14% arrocillo; 18% arena cernida y 25% piedra picada. Con estas proporciones la combinación satisface los límites granulométricos establecidos para la mezcla M19 de la Norma INVEAS. (d) Gravedad Específica de los agregados (d.1) Gravedad Específica del “polvillo”

Uno de los materiales de que se dispone es el “polvillo”, cuya estructura granulométrica del polvillo es la siguiente: ¼”

#4

#8

100

72.9

61.8

Tamiz

#30 % pasante 41.3

#50

#100

#200

33.3

25.4

16.9

Siguiendo los procedimientos de ensayo resumidos en el Anexo B, se han obtenido los siguientes resultados de ensayos de laboratorio para las diferentes fracciones granulométricas en las que se descompone el “polvillo ”: Peso Específico Aparente (Gsa) Bulk (Gsb)

Fracción Retenido 8 Pasa 8 — Retenido 200 Pasa 200

2.557 2.588 2.685

% en el material

2.709 2.701 2.685

38.2 44.9 16.9 100.0

Total

Debemos calcular ahora la Gravedad Específica del “polvillo”, para lo cual se emplea la siguiente ecuación: Gsb(polvillo) = Peso = W / Vbulkpolvillo =

polvillo /

Volumen

bulk polvillo =

____ (W Retenido 8 + W

Pasa 8-Retenido 200  +

W

Pasa200)

Vbulk Pasa 8-Retenido200 + Vbulk

Pasa200

_

= Vbulk

= W / Vbulkpolvillo =

Retenido 8 +

(38.2 + 44.9 + 16.9 )

_ = 100.0 / 38.583 = 38.2/2.557 + 44.9/2.588 + 16.9/2.685

Gsb polvillo

= 2.592 5-15

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De igual manera, sustituyendo en la misma ecuación los resultados de la Gravedad Específica Aparente (Gsa) para cada fracción granulométrica se obtendría que Gsa polvillo

= 2.701

(d.2) Gravedad Específica del los otros tres agregados en este ejemplo

Siguiendo el mismo procedimiento empleado para el “polvillo”, asumamos que, en base a la distribución granulométrica de cada uno, y a sus correspondientes resultados de laboratorio de las gravedades específicas por fracción de tamaño, se han obtenido los siguientes valores de Gsb y de Gsa para cada material: Pesos Específicos Aparente Masivo (Bulk)

Material Arrocillo Arena

2.723 2.733

2.622 2.668

Piedra picada

2.715

2.605

(d.2) Gravedad Específica del agregado total combinado

En el diseño Marshall se empleará un “agregado combinado”, el cual se obtiene al mezclar, en este ejemplo, un 43% de polvillo, 14% de arrocillo, 18% de arena y 25% de piedra picada. Debe, en consecuencia, calcularse tanto el valor de Gsb  como del de Gsa  para el “agregado total combinado”. Para este calculo se emplea la misma ecuación: Gs = Peso / volumen = W / V

y según se emplee el volumen bulk (masivo) o el volumen aparente, se obtendrá respectivamente la Gravedad Específica Bulk (Gsb) o la Gravedad Específica Aparente (Gsa). En este ejemplo, el valor de Gsb  del agregado combinado viene dado por la siguiente ecuación: Gsb(total) = (Peso polvillo + Peso arrocillo + Peso arena + Peso piedra picada) (Volumen bulk

polvillo+

Volumen bulk

arocillo+

Volumen bulk

arena+

Volumen bulk piedra

picada

Gsb(total) 

=

(43 + 14 + 18 + 25) (43/2.592 + 14/2.622 + 18/2.668 + 25/2.605)

Gsb(total) = 2.613 5-16

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

Empleando la misma ecuación, pero sustituyendo los valores de Gsa de cada material se obtiene:

Gsa(total) = 2.713 (e) Gravedad Específica del cemento asfáltico (Gb ) El valor de la Gravedad Específica del ligante (Gb) se obtiene de la hoja de “Certificado de Calidad” que es expedida por la Industria Petrolera Nacional (Pdvsa), cada vez que se despacha una carga (gandola) de material asfáltico.

Asumamos que, en nuestro diseño, el valor de Gb  es de 1.028. La siguiente figura ilustra uno de los certificados de calidad que suministra Pdvsa al momento del llenado de una gandola con asfalto:

5-17

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

Recordemos, por otra parte, que este el valor que se emplee en el diseño debe corresponder con el Gb a 25ºC, por lo tanto, si el valor reportado en el certificado de calidad viene dado a 25ºC, se emplea directamente este valor, pero si, como en algunos casos sucede, este ensayo es reportado a 15.5ºC, el valor debe ser corregido a 25ºC, empleando a tal fin la siguiente fórmula:

Gb 25ºC = Gb 15,5ºC * Mt  * (Gw 15,5ºC / Gw 25ºC) (3) En donde: Gb 25ºC = peso específico del asfalto a 25ºC Gb 15,5ºC = peso específico del asfalto a 15,5ºC Mt = multiplicador para t= 25ºC, de la Tabla 3 para los materiales del Grupo 0, que corresponden a aquellos materiales con Gravedad Específica mayor a 0.9654 a 15.5 ºC, o de la Tabla 4 para los materiales con Gravedad Específica comprendida entre el rango de 0.8495 y 0.9653. (la tabla se selecciona en función de la gravedad específica del asfalto a 15,5ºC

Por otra parte la Gravedad Específica del agua es: Gw 15,5ºC = 0,9988 g/cm 3 (valor constante) Gw 25ºC = 0,9970 g/cm 3 (valor constante)

Nota: Las tablas 3 ó 4 pueden ser obtenidas en muchas publicaciones referentes a ligantes asfálticos, entre ellas los “Apuntes de Pavimentos, Volumen 2. Octubre de 2005. Universidades Santa María y Católica Andrés Bello”. Autor: Gustavo Corredor M. (f) Mezclado, compactación y pesado de las briquetas Se procede a continuación con el mezclado y compactación de las briquetas. Haremos el análisis para el juego de las tres (3) briquetas preparadas con el 5% del cemento asfáltico (% expresado como parte de la mezcla total). Estas briquetas en el diseño que se esta ejecutando en este ejemplo se han identificado con los números 7, 8 y 9, del total de las quince (15) briquetas que conforman el total de las briquetas preparadas. (Cada una de las restantes 12 briquetas serán pesadas en la misma forma en que se muestra para las briquetas 7, 8 y 9).

Los pesos de estas briquetas al aire, sumergida y al aire después de sumergida y superficialmente seca, son las siguientes: (Nota: se indica en la tabla la identificación que se dará a cada columna de datos en la planilla que será empleada mas adelante)

5-18

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

a

b

Muestra Nº

c

d

e

Porcentaje de Peso en aire Peso en agua Peso en aire asfalto (g) (g) (g) SSS

7 8 9

5.00 5.00 5.00

1,207.8 1,207.8 1,207.0

717.0 719.0 717.0

1,218.3 1,218.6 1,218.4

Una vez que las briquetas han sido pesadas, se procede a determinar su volumen y su densidad, o peso unitario: El volumen de cada briqueta se calcula por la siguiente expresión: Volumen (cm3) = peso en aire (g) — peso sumergido (g)

Y el peso unitario mediante la fórmula: Peso unitario = densidad = Gmb  = (peso aire / volumen)

Para las briquetas 7, 8 y 9 se obtendrán en consecuencia, los valores que se señalan a continuación, y se procede a obtener el promedio aritmético de los tres pesos unitarios individuales, tal como se muestra: a

b

c

d

e

Porcentaje de Peso en aire Peso en agua Peso en aire Muestra Nº asfalto (g) (g) (g) SSS 7 8 9 Promedio

5.00 5.00 5.00 5.00

1,207.8 1,207.8 1,207.0

717.0 719.0 717.0

1,218.3 1,218.6 1,218.4

f

g

Volumen (cm3)

Peso unitario (g/cm3)

e-d

c/f

501.3 499.6 501.4

 

2.409 2.418 2.407 2.411

El “peso unitario promedio” de las briquetas se expresa como “Gmb ” y será empleado mas adelante en la composición volumétrica de la mezcla; así, para la mezcla con 5% de ligante, este valor es de 2.411 g/cm 3. (g) Determinación, mediante ensayo de laboratorio de la “Densidad máxima de la mezcla sin vacíos — Gmm —“. Tal como fue mencionado en la descripción del método Marshall, se requiere la ejecución de un ensayo adicional, llamado “Ensayo de Rice”, mediante el cual se puede determinar la Gravedad Máxima de la mezcla sin compactar y sin vacíos, y en las fórmulas se denomina “Gmm ”.

5-19

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

El Ensayo de Rice se hace por triplicado y lo recomendado es que se realice en una mezcla que contenga el porcentaje promedio estimado de ligante (en nuestro ejemplo 5%). El resultado de este ensayo se presenta en el siguiente cuadro:

5.00

Porcentaje de asfalto en la muestra: Muestra

1

2

3

Peso frasco Peso frasco + agua Peso frasco + muestra

2,889.0 5,123.0 4,089.0

2,889.0 5,123.0 4,123.1

2,889.0 5,123.0 4,200.9

Peso frasco + muestra + agua (despúes vacío parcial) Peso muestra Volumen de la muestra Valor Rice Muestra Promedio Rice (Gmm)

5,842.0 1,200.0 481.0 2.495

5,861.8 1,234.1 495.3 2.492 2.495

5,909.6 1,311.9 525.3 2.497

(h) Análisis de “Densidad y vacíos” Se procede a continuación al cálculo de los espacios que ocupan, dentro de la briqueta, el aire (Vv), el total del asfalto + el aire, denominado Vacíos en el Agregado Mineral (VAM ) y el que ocupa el asfalto dentro del total (aire + asfalto) o Vacíos llenados (Vll ). Estos espacios se expresan como porcentaje del volumen de la briqueta, y por facilidad de cálculo se empleará una “briqueta virtual” de 100 g de peso. Esta “briqueta virtual” tiene la ventaja adicional que su composición en peso se corresponde con los mismos valores numéricos en porcentajes. Así, la briqueta con 100 g de peso, tendrá 5 g de ligante asfáltico y 95 g de agregados, o lo que es lo mismo: 5% en peso de ligante y 95% en peso de agregados minerales. El peso total de esta briqueta, denominado “Pmm”, es en consecuencia igual a: En donde,

Pmm = 100 = Pb + Ps

Pb  = peso (g), o porcentaje (%) del ligante en la mezcla total, y Ps  = peso (g), o porcentaje (%) del agregado en la mezcla total

El esquema que se presenta en la Figura 11 ilustra la composición volumétrica de una briqueta compactada:

5-20

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

Figura 11: Esquema de composición volumétrica de una briqueta compactada

(h.1) Cálculo de los vacíos totales

Los “Vacíos totales — Vv —”, se calculan por medio de la siguiente expresión: Vv  = 100 * (Gmm  — Gmb ) / Gmm

Así, para la mezcla con 5% de ligante tendremos: Vv = 100 * (2.495 — 2.411) / 2.495 = 3.37%

(h.2) Cálculo de los VAM

Los Vacíos en el Agregado Mineral (VAM), se calculan por la siguiente fórmula: VAM = 100 — (G mb  * Ps ) / Gsb

Por lo tanto, para la mezcla con 5% de ligante se tendrá: VAM = 100 — (2.411 * 95) / 2.613 = 12.34%

5-21

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

(h.3) Cálculo de los Vacíos llenados (V ll)

Los Vacíos llenados con asfalto (Vll), se calculan por la siguiente expresión: Vll = 100 * ((VAM —V v ) / VAM)

Por lo tanto, para la mezcla con 5% de ligante se tendrá: Vll = 100 * ((12.34 —3.37) / 12.34) = 72.69%

La Planilla del “Ensayo Marshall” toma, hasta este momento, la siguiente forma: a

b

Muestra Nº

c

d

e

Porcentaje de Peso en aire Peso en agua Peso en aire asfalto (g) (g) (g) SSS

f

g

Volumen (cm3) e-d

7 8 9 Promedio

5.00 5.00 5.00 5.00

1,207.8 1,207.8 1,207.0

717.0 719.0 717.0

1,218.3 1,218.6 1,218.4

501.3 499.6 501.4

h

Peso específico Peso unitario máximo de la (g/cm3) mezcla (Rice) c/f

i

j

k

Vacíos totales (%)

VAM (%)

Vll (%)

 

2.409 2.418 2.407 2.411

2.495

3.37

12.34

72.69

El proceso de “Análisis de Densidad y Vacíos” que ha sido detallado para las briquetas 7, 8 y 9, se repite para cada una de las otras doce (12) briquetas. La “Planilla” de laboratorio toma la forma que se muestra en el siguiente cuadro: siguiente:

5-22

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

a

b

Muestra Nº

c

Porcentaje de asfalto

Peso en aire (g)

d

e

Peso en agua (g)

Peso en aire (g) SSS

f

g

Volumen (cm3) e-d

Peso específico Peso unitario máximo de la (g/cm3) mezcla (Rice)

4.00

1,205.0

705.0

1,215.3

510.3

2.361

2 3

4.00 4.00

1,210.0 1,205.9

715.0 710.4

1,220.1 1,216.6

505.1 506.2

2.396 2.382

4.00

2.380

4

4.50

1,207.6

717.6

1,218.0

500.4

2.413

5

4.50

1,211.6

719.6

1,222.2

502.6

2.411

6

4.50

1,205.8

712.8

1,216.1

503.3

2.396

4.50

Promedio 7 8 9

5.00 5.00 5.00

2.407 1,207.8 1,207.8 1,207.0

717.0 719.0 717.0

1,218.3 1,218.6 1,218.4

501.3 499.6 501.4

5.00

Promedio

2.411

5.50

1,204.9

712.0

1,215.7

503.7

2.392

11 12

5.50 5.50

1,206.0 1,203.8

714.0 713.0

1,217.3 1,215.3

503.3 502.3

2.396 2.397

5.50

k

Vacíos totales (%)

VAM (%)

Vll (%)

2.533

6.04

12.55

51.9

2.513

4.22

12.02

64.90

3.37

12.34

72.69

2.476

3.27

13.38

75.60

2.458

2.77

14.02

80.20

  2.495

2.395

13

6.00

1,204.1

710.0

1,215.0

505.0

2.384

14 15

6.00 6.00

1,204.3 1,203.8

711.9 712.0

1,216.1 1,214.0

504.2 502.0

2.389 2.398

6.00

j

2.409 2.418 2.407

10

Promedio

i

c/f  

1

Promedio

Promedio

h

2.390

 

Es necesario comentar lo siguiente, en cuanto al valor de Gmm para cada uno de los “puntos de asfalto”: •

•

Los valores de Gmm pueden ser obtenidos de ensayos de laboratorio, tal como fue realizado para el “punto de asfalto” del 5%, ya que los valores de Gmm  son requeridos para el cálculo de los valores de Vv, VAM y Vll. Este ensayo consume bastante tiempo y su realización para cada “punto de asfalto” haría que el Ensayo Marshall fuese largo. Los valores de Gmm se pueden calcular, para los otros “puntos de asfalto”, distintos al del “promedio estimado”, tomando como premisa el hecho de que se puede calcular el valor de la “Gravedad Específica Efectiva — Gse —“, por medio de la fórmula que se indica mas adelante, y partir de la realidad que esta gravedad específica es constante —como también lo son Gsb  y Gsa —. La fórmula para determinar Gse es: Gse = ( Pmm − Pb) /{( Pmm / Gmm) − ( Pb / Gb)}

5-23

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

Debe acotarse que para poder calcular Gse debe haberse ejecutado, por lo menos, un “Ensayo de Rice”, que, en nuestro ejemplo lo fue para el “punto de asfalto” del 5%. En nuestro ejemplo el valor de Gse será, en consecuencia, el siguiente: Gse = (100 − 5) /{(100 / 2.495) − (5 / 1.028)} = 2.697

Conocido el valor de Gse, se puede calcular el valor de Gmm para cualquier otro “punto de asfalto”, a partir de la siguiente ecuación: Gmm =  Pmm /{( Ps / Gse) + ( Pb / Gb)}

Aplicando esta ecuación, para el “punto de 4.5% de asfalto ”, por ejemplo, el valor de Gmm sería: Gmm = 100 /{(95.5 / 2.697) + ( 4.5 / 1.028)} = 2.513

debemos recordar que en esta fórmula, para el 4.5% de ligante se tiene que: Ps = 100—Pb = 100—4.5= 95.5

Una vez calculado Gmm para el 4.5% de asfalto, se pueden calcular los valores de Vv, VAM y Vll, empleando las mismas ecuaciones que fueron empleadas para el cálculo de estos vacíos para el “punto de asfalto” del 5%. Se procede después a calcular el Gmm para los otros “puntos de asfalto”, y aplicando estas ecuaciones se calculan los vacíos para todo el diseño de la mezcla, resultando en los valores que se han indicado en la “Planilla Marshall” que se ha presentado en la página anterior. (h.4) Otras fórmulas volumétricas

Ocasionalmente se requiere determinar el porcentaje de asfalto absorbido (Pba), lo que se realiza aplicando la siguiente fórmula: Pba = 100 *{ (Gse — Gsb) / (Gsb * Gs e) }

Nota: Este valor de Pba se expresa como porcentaje en peso de agregados

A partir de este valor se puede, adicionalmente, determinar el porcentaje de asfalto efectivo (Pbe), a partir de la siguiente ecuación: Pbe = Pb — { (Pba * Ps) /100}

5-24

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

(i) Rotura de las briquetas y medición en laboratorio de la “Estabilidad y el Flujo Marshall” Tal como ha sido descrito anteriormente, una vez concluido el “Análisis de Densidad y Vacíos”, se colocan las briquetas en un “Baño de temperatura constante”, a 60ºC, por un periodo comprendido entre 30 y 40 minutos, al final del cual las briquetas se rompen en la “Mordaza Marshall”. Tomemos en nuestro ejemplo las briquetas 7, 8 y 9, y los valores obtenidos en el ensayo sean: a

b

l

o

Muestra Nº

Porcentaje de asfalto

Estabilidad leída (lbs)

Flujo (0,01 pulg)

7 8

5.00 5.00

3,200 2,970

11 11

9

5.00

3,080

12

Recordemos ahora que la “Estabilidad leída” debe ser corregida hasta hacerla igual a la que hubiese resultado de una briqueta de un volumen igual al normalizado en el Ensayo Marshall, para lo cual se emplean los “Factores de Corrección” de la Tabla I (Página 5-12), en función del volumen de cada briqueta. Al multiplicar la “Estabilidad leída” por el correspondiente “factor de corrección” se obtiene la “Estabilidad corregida”, y se promedian las estabilidades corregidas de las tres briquetas del mismo “punto de asfalto” para así obtener la “Estabilidad corregida promedio”. Para las briquetas 7, 8 y 9 los “factores de corrección”, de acuerdo a la Tabla I, serán de 1.04, en función del volumen de cada una de ellas, y el cual había sido ya calculado en la columna (f) en la “Planilla Marshall”. (Nota: los valores de los factores de corrección podrán ser, como en el caso de las briquetas 7, 8 y 9, todos iguales —en este caso 1.04—, o todos diferentes, o dos iguales y el tercero distinto).

Los valores de flujo se promedian directamente, sin aplicarles ningún factor de corrección, ya que, por ser la deformación aplicada en el sentido del diámetro de la briqueta, y haber sido todas las briquetas formadas dentro de un molde estandarizado (que corresponde al diámetro del molde metálico en el cual se formaron las briquetas), todas las briquetas tendrán el mismo diámetro. Para las briquetas 7, 8 y 9, los resultados promedio del ensayo dinámico serán para la “Estabilidad promedio” y el “Flujo promedio”, en consecuencia los siguientes:

5-25

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

a

b

Muestra Nº

l

Porcentaje de asfalto

Estabilidad leída (lbs)

m

n

o

Factor de corrección

Estabilidad corregida (lbs)

Flujo (0,01 pulg)

l*m

Promedio

7 8

5.00 5.00

3,200 2,970

1.04 1.04

3,328 3,089

11 11

9

5.00

3,080

1.04

3,203

12

5.00

11.3

Se repite el proceso descrito anteriormente para cada una de las restantes 12 briquetas, y se tiene ahora totalmente calculada la información que se vacía en la “Planilla Marshall”, y la cual se muestra en la siguiente página. 7. Representación g ráfica de los resultados de los ensayos y del análisis de densidad y vacíos 7.1 Peso unitario (Gmb) –vs- % de ligante

El primer gráfico que debe ser preparado, es el de "Peso Unitario de Briqueta", o "Densidad Real de Briqueta", o "Peso Específico de la Briqueta Compactada (Gmb)", contra los diversos contenidos de asfalto empleados en el proceso de diseño de laboratorio. Luego de graficados los puntos correspondientes a cada valor de Gmb, para cada % de C.A, deben unirse para obtener una curva con una rama ascendente hasta un valor máximo, a partir del cual comienza a descender. Esta curva podrá unir perfectamente a cada uno de los puntos, o ser la "curva de mejor ajuste", tal como se observa en el gráfico de peso unitario-vs-% ligante.

5-26

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

USM-UCAB Pavimento s OBRA:

Pesos Específicos

Ejemplo Marshall

% en peso

Material

Aparente

 Asfalto

Masivo (Bulk)

FECHA:

1.028

Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente por el Método Marshall

43

Polvillo

2.701

2.592

Peso específico efectivo

Resultados del Ensayo Marshall

14

Arrocillo

2.723

2.622

Peso específico aparente

18

Arena

2.733

2.668

% absorción de asfalto

25

Piedra picada

2.715

2.605

2.713

2.613

Diseño Marshall para Mezcla Tipo

M-19

Muestra Nº

Peso en agua (g)

Peso en aire (g) SSS

Volumen (cm3)

específico Peso unitario máximo de la (g/cm3) mezcla (Rice)

Vacíos totales (%)

VAM (%)

Vll (%)

Estabilidad leída (lbs)

2.613 2.697

 

2.713 1.442 —

Factor de corrección

 

Estabilidad corregida (lbs)

Flujo (0,01 pulg)

1

4.00

1,205.0

705.0

1,215.3

510.3

2.361

2,640

1.00

2,640

7

2

4.00

1,210.0

715.0

1,220.1

505.1

2.396

2,860

1.04

2,974

7

3

4.00

1,205.9

710.4

1,216.6

506.2

2.382

2,596

1.04

2,700

9

2,771

7.7

8

4.00

Promedio

2.380

2.533

6.04

12.55

51.9

4

4.50

1,207.6

717.6

1,218.0

500.4

2.413

3,255

1.04

3,385

5

4.50

1,211.6

719.6

1,222.2

502.6

2.411

3,060

1.04

3,182

9

6

4.50

1,205.8

712.8

1,216.1

503.3

2.396

3,280

1.04

3,411

10

3,326

9.0

4.50

Promedio

2.407

2.513

4.22

12.02

64.90

7

5.00

1,207.8

717.0

1,218.3

501.3

2.409

3,200

1.04

3,328

11

8

5.00

1,207.8

719.0

1,218.6

499.6

2.418

2,970

1.04

3,089

11

9

5.00

1,207.0

717.0

1,218.4

501.4

2.407

3,080

1.04

3,203

12

3,207

11.3

5.00

Promedio

2.411

  2.495

3.37

12.34

72.69

10

5.50

1,204.9

712.0

1,215.7

503.7

2.392

2,310

1.04

2,402

14

11

5.50

1,206.0

714.0

1,217.3

503.3

2.396

2,580

1.04

2,683

14

12

5.50

1,203.8

713.0

1,215.3

502.3

2.397

2,540

1.04

2,642

12

2,576

13.3

5.50

Promedio

Promedio

Peso en aire (g)

 

Peso específico parafina 100.00

Porcentaje de asfalto

Enero-05

 

Peso específico masivo (bulk)

2.395

2.476

3.27

13.38

75.60

13

6.00

1,204.1

710.0

1,215.0

505.0

2.384

2,030

1.04

2,111

13

14

6.00

1,204.3

711.9

1,216.1

504.2

2.389

1,800

1.04

1,872

15

15

6.00

1,203.8

712.0

1,214.0

502.0

2.398

2,030

1.04

2,111

15

2,031

14.3

6.00

2.390

2.458

2.77

14.02

80.20

5-27

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

El uso de “Programas de Excel” en las computadoras personales, facilita el trazado de la curva de mejor ajuste, la cual es una curva polinómica de segundo grado. 2.420    ) 2.410    3   m    /   g 2.400    k    (   o    i   r 2.390   a    t    i   n    U 2.380   o   s   e    P 2.370

2.360 4.0

4.5

5.0 % C.A.

5.5

6.0

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

El uso de “Programas de Excel” en las computadoras personales, facilita el trazado de la curva de mejor ajuste, la cual es una curva polinómica de segundo grado. 2.420    ) 2.410    3   m    /   g 2.400    k    (   o    i   r 2.390   a    t    i   n    U 2.380   o   s   e    P 2.370

2.360 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

% C.A.

La tendencia de esta curva se explica en función de que, para una misma energía de compactación, a medida que se incrementa el porcentaje de asfalto, las partículas de agregado son mejor lubricadas y consiguen un “mejor acomodo”, con la correspondiente consecuencia de que el peso unitario va aumentando. Esto continúa sucediendo hasta que la cantidad de ligante añadido (que tiene una menor gravedad específica que la de los agregados, comienza a ocupar mas espacio, a costa del espacio que antes ocupaban los agregados que son, en consecuencia desplazados por el asfalto, y la resultante del peso unitario comienza a disminuir. El punto máximo del peso unitario normalmente se encuentra un poco hacia el lado de mas asfalto que en la curva de estabilidad. 7.2 Estabilidad Marshall –vs- % de ligante

El segundo gráfico corresponde a la propiedad de la “Estabilidad Marshall contra el porcentaje de asfalto. La curva presenta una rama ascendente, conocida como "rama seca", que crece a medida que se aumenta el % de C.A; se llega a un punto de máximo valor y luego comienza a descender la estabilidad con incrementos del C.A. por encima del correspondiente al de mayor estabilidad, esta rama se conoce como "rama rica en asfalto". Esta curva, que está íntimamente relacionada con la de densidad, tiene tal forma convexa hacia arriba, debido a que, a bajos contenidos de asfalto y ante un esfuerzo dado de compactación, para una granulometría establecida, el total de la resistencia proviene prácticamente exclusivamente del contacto grano a grano de las partículas de agregado, sin ningún aporte de la cohesión. A medida que se incrementa el porcentaje de ligante, el aporte de la cohesión se va haciendo mayor, y se va sumando al aporte de la fricción interna del agregado. Por otra parte, el ligante va 5-28

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

lubricando mejor las partículas del agregado, que consiguen mejor acomodo (empaquetamiento) y su contacto grano a grano se hace mayor, y aumenta la fricción interna entre partículas. Esto sucede hasta un punto en el cual, ante un exceso de asfalto se comienza a perder el contacto grano a grano, y la estabilidad comienza a ser aportada especialmente por la cohesión del ligante y la fracción fina de los agregados. A medida que sigue aumentando el porcentaje de asfalto, se sigue perdiendo aporte de fricción, el de cohesión tiende a estabilizarse, y la estabilidad resultante continúa descendiendo. 3,500

   )   s    b    l    (    d   a    d    i    l    i    b   a    t   s    E

3,000

2,500

2,000

1,500 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

Normalmente, para este gráfico, el punto de máxima estabilidad se encuentra en un contenido de ligante algo menor que el de máximo peso unitario. 7.3 Flujo Marshall –vs- % de ligante

El flujo aumenta con valores mayores de ligante, lo cual es una consecuencia lógica de que mezclas más ricas, al tener mayor cantidad de asfalto, son más flexibles y deformables que mezclas mas secas. 16    ) 14   g    l   u   p 12    1    0  ,    0    ( 10   o    j   u    l    F 8

6 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

5-29

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

7.4 Vacíos totales (Vv) –vs- % de ligante

A medida que aumenta el contenido de asfalto, para una misma granulometría y esfuerzo de compactación, se van llenando los espacios que ocupa el aire entre los agregados, y en consecuencia su porcentaje respecto al volumen de la briqueta, se va haciendo menor. 7.0

6.0

5.0

  v    V    %

4.0

3.0

2.0 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

Es muy importante el que la curva de “mejor ajuste” en la curva de vacíos no presente una tendencia a incrementarse a medida que se aumenta el contenido de ligante. Esto puede suceder cuando se emplea una curva polinómica de segundo grado. En este caso debe cambiarse el tipo de la curva de mejor ajuste, ya sea a una línea recta o a una potencial. La hoja de “Excel” es una excelente herramienta para evaluar cuál será la mejor curva de tendencia, o de mejor ajuste, a ser finalmente seleccionada. 7.5 Vacíos en el agregado mineral (VAM)–vs- % de ligante

Las mezclas de agregado sin ligante logran, al menos teóricamente, su mejor grado de densidad ante un esfuerzo de compactación determinado. A medida que se incrementa el % de C.A., éste cubre las partículas y hace que ellas comiencen a separarse, perdiéndose el contacto grano a grano, y por lo tanto los espacios no ocupados por los agregados, que es el VAM, comienza a crecer. A mayores valores de C.A., sin embargo, éste comienza a actuar como agente lubricante, las partículas vuelven a buscar un mejor grado de acomodo, y los espacios entre los granos, nuevamente el VAM, tienden a disminuir., ya que el espacio que ocupa el aire disminuye a una mayor rata que el incremento que aporta el ligante en la formación del VAM.

5-30

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

15.0

14.0    M    A 13.0    V    %

12.0

11.0 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

Esta disminución del VAM continúa hasta que los vacíos se llenan a su grado máximo con el asfalto; pero a partir de este punto, cada vez que aumenta la cantidad de asfalto dentro de la briqueta, también aumentan los VAM, que no son otra cosa que la suma de los espacios ocupados por el aire + los espacios que ocupa el ligante, y como el espacio ocupado por el aire ha llegado a prácticamente su valor mínimo, cualquier incremento de la cantidad de ligante comienza a aumentar la resultante de la suma de espacio de aire + espacio de asfalto. 7.6 Vacíos llenados (V ll)–vs- % de ligante

La ultima curva en dibujarse corresponde a la que muestra la relación entre contenido de ligante y aquélla parte del VAM que son llenados por el asfalto. 85

75

    l     l     V 65     % 55

45 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

Por definición de vacíos llenados, es fácil visualizar como a medida que se aumenta el contenido de ligante, se aumenta la proporción de los vacíos en el agregado mineral (VAM), que son llenados por asfalto. 5-31

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

En la siguiente página se muestra el conjunto de las propiedades Marshall, y que conforman las características que deben ser evaluadas para la selección del contenido de asfalto que será definido como “porcentaje óptimo de asfalto”, de acuerdo al procedimiento que se describirá mas adelante. 8. Determinación del cont enido ópt imo de asfalto

El Método Marshall establece para la determinación del mejor contenido posible de cemento asfáltico, o porcentaje óptimo, de acuerdo al procedimiento actualizado   recomendado por el Instituto del Asfalto Americano (IDA), y el cual ha sido adoptado en la mayoría de los países, entre ellos Venezuela, el procedimiento siguiente: 8.1 Se entra en la curva de Vacíos totales –vs- contenido de ligante con el 4%

de Vv y se traza una perpendicular al eje de las ordenadas, hasta cortar la curva de mejor ajuste de los Vv. En el punto de corte con esta curva se traza una perpendicular al eje de las abcisas; el punto de intersección en este eje corresponde al “óptimo probable de asfalto”. Se denomina “probable”, pues tienen que ser comparadas las otras propiedades contra la exigencia de la norma que se esté aplicando en el diseño. En el siguiente gráfico se muestra este procedimiento. En este ejemplo de diseño, para el 4% de Vv  se obtiene un correspondiente % de asfalto del 4.7%. El 4% de vacíos totales se selecciona como criterio de entrada, por ser el punto medio de las especificaciones del contenido de aire (rango entre un 3% y un 5%); este rango, por otra parte ha sido fijado en función de los criterios siguientes: Cuando el porcentaje de vacíos totales es muy bajo —cercano al 1%—, el pavimento presenta una tendencia a la exudación. Ya que el error en la determinación del porcentaje de vacíos totales, debido a la precisión propia del método de ensayo se ha estimado como de un 1%, el valor mínimo de Vv debe ser del 3%, con el fín de proporcionar un margen de seguridad contra tal exudación. Sin embargo, cuando por razones económicas y/o prácticas no pueda cumplirse con el mínimo del 3%, puede aceptarse hasta un mínimo absoluto del 2%.

5-32

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

USM-UCAB

CURVAS DE DISEÑO MARSHALL

7

2.420 2.410

6

2.400 5

2.390 2.380

4

2.370 3 2.360 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

% C.A.

2 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

3,500

15

3,000

14

2,500

13

2,000

12

1,500

11 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

5.5

6.0

%C.A.

%C.A.

85

16 14

75

12 65 10 55

8 6

45 4.0

4.5

5.0

%C.A.

5.5

6.0

4.0

4.5

5.0

%C.A.

5-33

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

El porcentaje máximo de Vv debe ser del 5%, ya que cuando se excede este valor el agua y el aire pueden acceder rápidamente hacia la mezcla, y se acelera el proceso de oxidación que, tal como fue visto ya anteriormente, produce el fenómeno de transformación de las resinas en asfaltenos, perdiéndose gran parte de la ductilidad y adherencia del ligante, es decir un envejecimiento prematuro de la mezcla asfáltica. Por otra parte, debe recordarse que, tal como fue comentado en el Capítulo referente a las propiedades de la mezcla asfáltica, se deberá proveer un porcentaje adicional de compactación en el campo, que la mayoría de las normas fijan en un 4%, por lo cual, al 45 de vacíos en el diseño se le sumará otro 4% de vacíos en campo, con lo cual se llega a un 8% de vacíos iniciales en el momento de finalizar la compactación en obra, y este 8% ha sido un valor limitante por comportamiento de la mezcla ante la fatiga, la durabilidad, la impermeabilidad, etc. 8.2 Verificación de otras propiedades

Ahora, con este 4.7% de cemento asfáltico se entra en cada una de las otras propiedades, se levanta una vertical al eje de las abcisas en el 4.7% de asfalto y se corta la curva de la propiedad que se está evaluando, desde el punto de intersección con la curva de ajuste de la propiedad se traza una perpendicular al eje de las ordenadas y en el punto de intersección se lee el valor correspondiente a la propiedad que se está evaluando. En el ejemplo que nos ocupa, para el 4.7% de cemento asfáltico, se leen los siguientes valores en cada una de las otra cinco (5) propiedades: Propiedad Marshall Peso unitario Estabilidad Flujo Vacíos en el agregado mineral (VAM) Vacíos llenados con asfalto

Unidad de medición g/cm3 Lbs 0.01 pulgada % %

Valor obtenido en el diseño 2.408 3.200 10.2 12.2 67

El procedimiento que anteriormente se había venido empleando era el siguiente: a. En la curva de Estabilidad -vs- % C.A., se selecciona el porcentaje de cemento asfáltico correspondiente al máximo valor de estabilidad b. En la curva de Densidad -vs- % C.A., se selecciona el porcentaje de cemento asfáltico correspondiente al máximo valor de densidad c.  En la curva de Vacíos totales -vs- % C.A., se selecciona el porcentaje de cemento asfáltico correspondiente al punto medio de las especificaciones aplicables en cuanto al contenido de vacíos totales que deberá tener la mezcla d.   Se promedian aritméticamente los tres valores anteriores, y ese valor promedio se corresponde con el "porcentaje óptimo probable". 5-34

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

e. Para este "porcentaje óptimo probable", se leen, al igual que en el procedimiento actualizado, los correspondientes valores para cada una de las seis propiedades evaluadas en el diseño Marshall.

Como puede entenderse, el criterio de selección del porcentaje de asfalto no es ni único ni obligatorio, aún cuando la tendencia actual es a emplear el procedimiento descrito primeramente y el cual es recomendado por el Instituto Americano del Asfalto, por estar relacionado posteriormente con los criterios de compactación de la mezcla en obra. 9. Verificación de lo s c riterios establecidos en las especificaciones para el porcentaje óptimo de cemento asfáltico 9.1 comparación con Norma aplicable

Cada uno de los valores leídos de las curvas para el "porcentaje óptimo probable", tal como ha sido señalado, deberá ser comparado y verificado si cumple o no, cada uno de los criterios establecidos en las especificaciones que hayan sido seleccionadas para ser aplicadas en el diseño. Aplicaremos en nuestro ejemplo la Norma INVEAS, que, tal como fue descrito en el Capítulo 4, es la indicada en las Tablas 7 & 8, recordando que nuestro diseño es para una condición de “tránsito alto” y para una mezcla de “tamaño nominal 19 (M19”. Tabla 7 Propiedades Marshall exigidas para el diseño de mezclas en Laboratorio

TRÁNSITO Propiedades Marshall ALTO MEDIO BAJO Nº de golpes por cara 75 75 50 % vacíos totales (1) 3-5 3-5 3-5 % vacíos llenados 65-75 65-75 65-78 Estabilidad Marshall (mínima) lbs 2.200 1.800 1.600 Flujo (pulg/100) 8-14 8-14 8-16 Vacíos del agregado valor según Tabla 8, en función del tamaño nominal mineral (VAM) máximo del agregado y el % de vacíos (1) calculados en base a la densidad máxima teórica determinada según el ensayo de Rice (Método ASTM D-2041)

5-35

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

Tabla 8: Valores Mínimos de Vacíos en el Agregado Mineral (VAM), en función del Tamaño Nominal Máximo del Agregado y del % de vacíos totales de la mezcla

Contenido de vacíos totales en la mezcla (%) amaño nominal máximo (mm) 25.4 19.1 12.5 9.5

3.0

4.0

5.0

11 12 13 14

12 13 14 15

13 14 15 16

Nota: interpolar linealmente en caso de que el porcentaje de vacíos totales se encuentre entre los valores enteros indicados

Para el 4.7% de “ porcentaje óptimo pr obable”, se prepara la siguiente tabla, en la cual se registran los valores de cada propiedad y el criterio correspondiente: Unidad de Propiedad Marshall medición Peso unitario Estabilidad Flujo Vacíos totales Vacíos en el agregado mineral (VAM) Vacíos llenados con asfalto

g/cm3 Lbs 0.01 pulgada % % %

2.408 3.200 10.2 4

Criterio Norma INVEAS Ninguno >= 2200 8—14 3—5

Condición De diseño OK OK OK OK

12.2

>= 13

NO CUMPLE

67

65—75

OK

Valor obtenido en el diseño

9.2 alternativa de selección

Si el porcentaje de asfalto seleccionado para el 4% de Vv (4.7% en este ejemplo), hubiese satisfecho todos los requisitos de la norma, pasaría a ser calificado como “porcentaje óptimo de diseño”, y aceptado para la elaboración de la mezcla en obra. Cuando una o mas de las propiedades no satisface la norma aplicable, como en este ejemplo, la primera alternativa consiste en “moverse” dentro del rango de contenidos de ligante, hasta tratar de conseguir un valor que satisfaga todos y cada uno de los criterios de la norma. Si seleccionamos ahora, como alternativa, un porcentaje de asfalto del 5.2%, se preparara una tabla similar a la anterior, pero para las propiedades leídas para este 5.2%, con el siguiente resultado:

5-36

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

Verificación del cumplimiento de la norma para el 5.2% de cemento asfáltico, valor considerado como nuevo “ óptimo probable” : Unidad de Propiedad Marshall medición Peso unitario Estabilidad Flujo Vacíos totales Vacíos en el agregado mineral (VAM) Vacíos llenados con asfalto

g/cm3 Lbs 0.01 pulgada % % %

2.409 3.000 12 3.0

Criterio Norma INVEAS Ninguno >= 2200 8—14 3—5

Condición De diseño OK OK OK OK

12.7

>= 12

OK

75

65—75

OK

Valor obtenido en el diseño

Como se observa en la tabla anterior, con un 5.2% de cemento asfáltico se satisfacen todos y cada uno de los criterios establecidos en la Norma INVEAS, por lo cual el 5.2% pasa ser el “porcentaje óptimo de diseño”. Como se observa en el cuadro anterior, el criterio de “mínimo VMA” ha variado, como consecuencia de que el % de Vv se ha modificado de un 4% anterior a un 3% actual. Evaluación y ajus te del diseño d e mezclas asfálticas en caliente

Pudiera darse el caso de que no se encontrase un porcentaje de asfalto que cumpliese todas las exigencias de la norma, debe procederse a un “rediseño”, para lo cual debe evaluarse la(s) propiedad(es) que no se puedan cumplir y tomar las acciones correctivas convenientes, para lo cual puede servir de guía los comentarios siguientes: A menudo, en el proceso de diseño de una mezcla determinada, es necesario hacer varias pruebas hasta encontrar una que cumpla con todos los criterios del método de diseño utilizado. Cada prueba de diseño servirá, además, como guía para evaluar y ajustar las pruebas posteriores. Para un diseño de mezcla preliminar, o exploratorio, es aconsejable comenzar con una mezcla de agregados cuya granulometría se aproxime a la media de las especificaciones. Las pruebas de mezclas iniciales en el proceso de establecimiento de la "Fórmula de Trabajo", por el contrario, deben resultar en la granulometría producto de la mejor combinación con los materiales que se están produciendo en la picadora o procesadora de los agregados, aún cuando se exige que tal combinación también debe caer dentro de los límites de las especificaciones seleccionadas.

5-37

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

En algunos casos, la combinación de los agregados que haya sido establecida puede conducir a una mezcla cuyos porcentajes de cemento asfáltico no cumple con las especificaciones de la mezcla en sí. Cuando tal cosa sucede, será necesario rediseñar la mezcla, partiendo desde el establecimiento de una nueva proporción de los agregados disponibles. Para muchos materiales de ingeniería, a menudo se considera la estabilidad como su calidad más sobresaliente; este no es necesariamente verdad en el caso de mezclas asfálticas en caliente. Frecuentemente se obtienen estabilidades extremadamente altas, a expensas de una reducción en la durabilidad de la mezcla. Debe recordarse que, en la evaluación y ajuste del diseño de mezclas, la granulometría del agregado y el contenido de asfalto deben ser el resultado de un balance favorable entre estabilidad y durabilidad, y con una mezcla que pueda ser trabajada en forma fácil y económica. A continuación se indican ciertas condiciones generalmente encontradas en el diseño de mezclas en caliente, así como las medidas correctivas que pueden, en la mayoría de los casos, conducir a una nueva mezcla que sí cumpla con todas las condiciones óptimas de diseño. • Mezcla con vacíos bajo s y estabili dad baja Los vacíos pueden ser aumentados en varias formas, aún cuando la más convencional es mediante el incremento de la fracción fina, o de la fracción gruesa de la combinación de agregados. Para ello es muy útil el empleo de las curvas granulométricas. Cuando, en un gráfico semilogarítmico, se dibujan las curvas de máxima densidad, éstas resultan de forma cóncava hacia arriba. Las mezclas preparadas con agregados que tengan tales granulometrías son de trabajabilidad adecuada, es decir de mezclado, extendido y compactado fácil. Su contenido de vacíos es, por lo contrario, normalmente muy bajo, y se hará necesario una recombinación granulométrica que se aleje de la curva de máxima densidad. Para este ajuste es más práctico el empleo de la curva BPR, que tienen la ventaja de que las granulometrías de máxima densidad resultan en una linea recta, que se obtiene uniendo el punto de "cero por ciento pasante" (origen en el punto izquierdo del gráfico), con el tamaño nominal máximo, o tamiz con un retenido cercano al 5% para la mezcla en estudio. Para obtener una curva granulométrica que no sea de máxima densidad, debe simplemente observarse que la curva resultante de tal combinación se aleje de la recta de máxima densidad, recordando sin embargo que la granulometría en estudio debe caer dentro de los límites de las especificaciones. Las mezclas que, dibujadas en un papel semi-log, resultan convexas hacia arriba, tienen un buen valor de VAM, es decir también valores altos de vacíos 5-38

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

totales; sin embargo tienen una capacidad reducida de trabajo, son díficiles de compactar, y su estabilidad es generalmente muy baja. Otra manera de aumentar el porcentaje de vacíos es mediante la reducción del contenido de asfalto en la mezcla. Esto es recomendable sólo en los casos en que el contenido original de asfalto sea mayor que lo normal, y que no sea requerido para reemplazar el asfalto absorbido por el agregado. Debe recordarse, sin embargo, que una disminución del contenido de asfalto reduce el espesor de la película de ligante sobre cada partícula de agregado, lo cual significa una reducción de la durabilidad de la mezcla. Si la disminución del porcentaje de asfalto es muy grande, puede obtenerse una mezcla con tendencia a la fragilidad. Generalmente, además, al aumentar el contenido de partículas de agregados que hayan sido producidos por trituración (incremento en el valor del porcentaje de caras cortadas), es posible aumentar la estabilidad e incrementar el valor de los vacíos. En ciertos casos, puede ser necesario el recurrir al cambio de uno, o más de los agregados, si no se obtienen los resultados esperados al tomar las acciones que se han indicado anteriormente. Puede ser necesario, como último recurso, el que se cambie la especificación de la combinación, o aún de la mezcla. Esta medida debe siempre realizarse bajo el análisis del tipo de tráfico y de las condiciones ambientales imperantes. • Mezcla con vacíos bajos y estabilidad satisfactoria Un bajo contenido de vacíos puede resultar en mezclas inestables, o que tiendan al fenómeno de exudación, después que el pavimento ha sido expuesto al tráfico por un tiempo determinado (normalmente un año y medio a dos años), a causa de la reorientación de las partículas por efecto de la compactación adicional bajo el paso de los vehículos. Las soluciones a esta condición de mezcla son iguales a las dadas en el caso anterior. • Mezcla con vacíos satisfactorios y estabilidad baja Esta condición de mezcla asfáltica es generalmente la consecuencia de un agregado de pobre calidad. La solución es generalmente la de incrementar el porcentaje de caras producidas por fractura, o de modificar el tipo de ligante hacia uno de mayor viscosidad. • Mezcla con vacíos altos y estabilidad satisfactoria Los altos contenidos de vacíos están siempre asociados con una disminución en la durabilidad de la mezcla. En este caso, el exceso de vacíos no ocupados por asfalto o los agregados, permiten la fácil circulación del agua y del aire 5-39

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

dentro de la mezcla; se produce en mayor grado el fenómeno de la oxidación de las resinas hacia asfaltenos, y la mezcla tiende a envejecer prematuramente. De ser este el caso de la mezcla, las soluciones consistirán en incrementar el contenido de asfalto, aumentar el contenido de polvillo mineral, o una recombinación de los agregados para acercar la granulometría resultante a la curva de máxima densidad. • Mezcla con vacíos altos y estabilidad baja Este caso requiere de la aplicación de las medidas correctivas indicadas en el Aparte anterior para reducir el contenido de vacíos. Si esos ajustes no mejoran simultáneamente la estabilidad, debe recurrirse en segundo lugar a incrementar las caras fracturadas, a recombinar los agregados, o a su sustitución por otros de mejor calidad, tal como ha sido señalado anteriormente. Sensibili dad de las mezclas asfálticas al efecto del agua 1. Alcance

En algunas oportunidades mezclas asfálticas que han sido adecuadamente diseñadas, y para las cuales se han obtenido resultados de laboratorio y campo adecuados, presentan un comportamiento inadecuado bajo las condiciones reales de trabajo. Las razones de tal hecho son todavía oscuras, pero el análisis de las mezclas asfálticas con respecto a su "sensibilidad al agua"   permite reducir el riesgo de un comportamiento insatisfactorio. Estos análisis permiten la posibilidad de que los procedimientos para la determinación del contenido óptimo de asfalto tomen en consideración las mezclas en seco, y bajo la acción del agua. El contenido óptimo de una mezcla en seco, siguiendo el Método Marshall normalizado, por ejemplo, puede resultar en propiedades totalmente diferentes si se diseña bajo condiciones que simulen la acción del agua en la mezcla en campo. Esta última condición puede resultar en la conveniencia de variar el tipo de agregado, o en las modificaciones de las características propias de la mezcla en sí. Algunas mezclas sufrirán una disminución en su estabilidad y contenido de asfalto, y un incremento en el valor del flujo; otras mezclas pueden no ser afectadas por la presencia de agua. Los procedimientos que se señalan a continuación deben ser considerados más como "ensayos de durabilidad", que como métodos de diseño de mezclas. Sin embargo, la consideración de los resultados de estos ensayos de durabilidad puede hacer recomendable algunas modificaciones en el diseño y propiedades de la mezcla, al tomar en cuenta estos resultados y el tráfico esperado y las condiciones ambientales imperantes. 5-40

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

2. Ensayos de dur abilidad

Los ensayos de durabilidad pueden dividirse en dos tipos: (a) sobre los agregados Estos no serán tratados en este capítulo, pero normalmente incluyen Desgaste los Ángeles, desgaste en sulfatos, forma de las partículas y Arena Equivalente, y fueron, por otra parte, ya comentados en el Capítulo referente a las propiedades de los agregados pétreos. (b) sobre las mezclas Una vez que los agregados han sido aprobados, basándose en los resultados de los ensayos que las especificaciones establecen para los ensayos enumerados en el Aparte (a),  se diseña la mezcla siguiendo los pasos nor malizados en el Método Marshall . Los ensayos de durabilidad permiten medir como reaccionan las propiedades de la mezcla ya diseñada cuando la mezcla se somete a la acción del agua. Estos ensayos sobre las mezclas pueden, a su vez, dividirse en: 1. Ensayos cualitativos de denudación

Permiten medir el grado de permanencia de la unión agregado-asfalto, en presencia de agua, en forma simplemente estimativa por observación visual de una mezcla sometida a un proceso de inmersión en agua. Entre los más comunes se encuentran: 1.1 Ensayos estáticos

El agregado se cubre con el cemento asfáltico, y se sumerge en agua a una temperatura determinada. Luego de transcurridas 24 horas, se observa el grado de pérdida de cobertura del asfalto. Este ensayo ha sido normalizado bajo el Método ASTM D 3625, y simula el efecto del agua cuando cae sobre la superficie del pavimento en los meses de verano. 1.2 Ensayo en agua hirviendo

Este ensayo es una variación del ASTM 3625, y consiste en colocar la mezcla asfáltica sin compactar en agua hirviendo, durante un tiempo de10 minutos, después del cual se observa el grado de denudación, o pérdida de cobertura que han tenido el área total de mezcla en observación, y se califica simplemente como mayor o menor del 95% de área cubierta por asfalto después del ensayo. Como se entiende, es muy difícil apreciar la denudación de la fracción fina de la mezcla. 5-41

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

1.3 Ensayos dinámico de denudación simple

Este ensayo persigue simular el efecto del tráfico sobre la superficie del pavimento húmedo. Este ensayo ha sido normalizado por el Estado de California bajo el Número Cal-DOT-T-302, y es similar al ASTM 3625, pero la mezcla de agregado y asfalto se somete a un proceso de agitación, que acelera y hace más marcada la acción del agua sobre la muestra. 2. Ensayos cuantitativos de resistencia

Permiten medir directamente el efecto del agua sobre las propiedades de resistencia de la mezcla. Los más comunes son: (2.1) Ensayo de Resist enci a Retenida (RRR)

Este ensayo, también conocido como de “Inmersión-Compresión” ha sido normalizado por la AASHTO bajo la numeración T-165 y consiste en la preparación de seis (6) briquetas de 102 mm (4 Pulg.) de diámetro por 102 mm (4 pulg.) de altura. Las briquetas se compactan por aplicación de una presión estática de 3.000 psi, durante 2 minutos, hasta alcanzar un contenido de vacíos cercano al 6%. Tres briquetas serán tratadas como “no condicionadas” (PNC) y las tres restantes como condicionadas (PCC). Las briquetas PCC se sumergen en agua a 49ºC durante 4 días ó a 60ºC por un (1) día. Todas las briquetas se rompen a la compresión simple a 25ºC con una velocidad de aplicación de la carga de 5.1 mm/min. El promedio de los tres valores de compresión no confinada de las briquetas PNC se divide entre el promedio de los valores de compresión no confinada de las briquetas PCC. Esta relación se define como “Resistencia retenida—RRR” y la mayoría de las especificaciones establece, para mezclas densas de concreto asfáltico, una relación mínima de 70%. Con este ensayo se presentan dos limitantes (1) carencia de precisión en el ensayo 1  y (2) el ser necesario un equipo de aplicación de carga estática que no está disponible en muchos laboratorios.

1

 National Center for Asphalt Technology (NCAT): “Hot Mix Asphalt Materials, Mix Design and Construction”, University of Auburn, Alabama, Second Edition, 1996. Página 308.

5-42

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente

(2.2) Ensayo de Relación de Tensió n Diametral (RTD)

El segundo ensayo, también conocido como “Lottman Modificado”, ha sido estandarizado por la AASHTO bajo el código T-283, y persigue igualmente medir la relación de resultados de condiciones de resistencia de briquetas condicionados y de briquetas sin condicionar. En este ensayo las briquetas se preparan con el equipo Marshall, con lo cual se elimina la dificultad (2) del ensayo RRR. Se preparan seis briquetas, todas compactadas con el martillo Marshall, hasta que alcancen un contenido de vacíos entre 6 y 8%. Tres de ellas serán rotas sin ningún condicionamiento adicional que el sumergirlas en agua a 25ºC durante una (1) hora antes de su rotura por tensión indirecta. Las otras tres briquetas se saturan entre un 55 y un 80%, y posteriormente se sumergen en agua a 60ºC por 24 horas y una (1) hora a 25ºC antes de su rotura a tensión indirecta en la Mordaza Lottman. La Figura 12 muestra tanto la “Mordaza Lottman”, como el tipo de fractura que se produce en una briqueta cuando se somete a este ensayo de carga por tensión indirecta.

Forma rotura

 Figura 12: Briqueta en Mordaza Lottman y  forma de rotura

La relación entre el promedio de la tensión indirecta de las tres briquetas sin condicionar y el promedio de la tensión indirecta de las tres condicionadas se define como la “Relación de Tensión Diametral –RTD”, y la mayoría de las especificaciones establece, para mezclas densas de concreto asfáltico, una valor mínimo de 70 a 80%. En Venezuela, por el contrario, para mezclas densas de concreto asfáltico se exige una relación mínima de 60% 2. El NCAT comenta, por otra parte, 2

 Norma Venezolana del Instituto Venezolano del Asfalto (INVEAS) para mezclas de concreto asfáltico, 2002.

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que:

“…basándose

en una encuesta realizada entre los diversos Departamentos de Carreteras, se considera que el Método AASHTO T- 283 es el mas apropiado para determinar la susceptibilidad de las mezclas al efecto del agua. Se recomienda un valor mínimo de 70%. Este criterio debe aplicarse a mezclas producidas en campo mas que en mezclas de laboratorio. Este método ha sido incluido como criterio de diseño de mezclas por Superpave…” 3. (a) Estabilidad Retenida Marshall (ERM)

En Puerto Rico y algunos otros Estados de los Estados Unidos se emplea el ensayo de Estabilidad Retenida Marshall (ERM) 4. Esta modalidad de ensayo fue quizás, el primer enfoque para evaluar en laboratorio el efecto del agua sobre las mezclas asfálticas. Comenzó midiendo directamente las estabilidades Marshall de mezclas compactadas en laboratorio a 4% de vacíos totales, pero sometidas a un proceso de inmersión en agua a 60ºC durante 24 horas, y se medía su proporción contra estabilidades Marshall en mezclas compactadas al mismo contenido de aire, pero solo sumergidas en agua a 60ºC durante una hora. El método evolucionó a medir la relación entre briquetas compactadas hasta alcanzar un contenido de aire entre el 6 y el 8%, un grupo condicionadas y otro no condicionadas, pero midiendo en ambas la “Estabilidad” con la mordaza Marshall convencional. En un estudio sobre ensayos para medir el efecto del agua sobre las mezclas 5  no se menciona entre los más adecuados para ser aplicado como método de aceptación o rechazo de mezclas. En otras literaturas investigadas no se hace ya más referencia a este procedimiento. En el Segundo Simposio Venezolano del Asfalto (II SIMVEAS), celebrado en la ciudad de Mérida, Venezuela en octubre de 2002, se presentó un Trabajo de Investigación 6, en el cual se incluyó una correlación entre la ERM y la RTD, con el fin de que fuese empleado el criterio de ERM mientras los laboratorios sean dotados de la Mordaza Lottman para poder evaluar la RTD. El resultado de esta correlación, se presenta en la figura de la siguiente página. Esta correlación, que debería ser validada en otras investigaciones en vista de el bajo coeficiente de regresión que fue obtenido, demuestra, sin embargo, que el ensayo de RTD es mucho mas severo que el de ERM, y que para un 80% de ERM, por ejemplo, sólo se alcanzaría un 62% de RTD. 3

 National Center for Asphalt Technology (NCAT): “Hot Mix Asphalt Materials, Mix Design and Construction”, University of Auburn, Alabama, Second Edition, 1996. Página 309. 4  Idem. 5  NCAT: Kiggundu y Roberts: “Stripping in HMA mixtures: State of the Art and Critical Review of Test Methods, 1988. 6  Corredor G.: “La Resistencia Retenida Lottman: ¿Cómo, cuánto y por qué?. II SIMVEAS, Mérida, 2002.

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100    )    %    (   n   a   m    t    t   o    L   a    d    i   n   e    t   e    R   a    i   c   n   e    t   s    i   s   e    R

90

y = 0.5606x + 17.152 R20.2997 =

80 70 60 50 40 30 20 40

50

60

70

80

90

100

Est abilidad Retenida Mars hall (%)

Determinación del Módulo Elástico en mezclas asfálticas

El módulo elástico ([Eca]) se determina mediante el Método de Ensayo ASTM D4123 y sustituye, en las mezclas asfálticas, a los valores de estabilidad Marshall como criterio para la selección de los correspondientes "coeficientes estructurales" que luego participan en el establecimiento de los espesores de diseño. El valor de [Eca] se ha seleccionado para sustituir a la estabilidad por las razones siguientes: a. Indica una propiedad básica de los materiales, la cual puede ser utilizada en los análisis mecanísticos de sistemas multicapas para predecir agrietamientos, rugosidades, ahuellamientos, etc. b. Se ha aceptado mundialmente como un método para la caracterización de las propiedades de los materiales y mezclas, para su uso en el diseño y evaluación de pavimentos. En Venezuela no se cuenta aún con los equipos requeridos para la determinación en laboratorio de los valores de módulo elástico de las mezclas asfálticas. Como los últimos métodos de diseño de pavimentos, y particularmente el AASHTO-1993, requiere del valor de [Eca] para la determinación de los coeficientes estructurales, es necesario apoyarse en algunas ecuaciones de correlación para el establecimiento de estos valores de [Eca].

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1. Ecuación de Correlación Nº 1 Una de las primeras ecuaciones de correlación fue desarrollada por los Ings. Kallas & Sook( 1971), y posteriormente modificada por M. Witczak durante la revisión del Método de Diseño para Pavimentos Flexibles del Instituto del Asfalto (IDA) del año 1981. Esta ecuación se desarrolla a partir de los análisis de regresión sobre 369 valores de [Eca] obtenidos directamente en laboratorio sobre mezclas asfálticas en caliente, y su expresión es la siguiente: log [E ca ]  = 0,553833 + 0,028829 (P200/ƒ0,17033) - 0,03476 Vv + + 0,070377µ(106, 70°F) + 0,000005 T (1,3 + 0,49825 logƒ) Pcam0,5 - 0,00189 T (1,3 + 0,49825 logƒ) (Pcam0,5/ƒ1,1) + (0,931757/ƒ0,02774) en donde: [E ca]  = módulo elástico de la mezcla asfáltica (105 psi) P200  = porcentaje de material pasa el tamiz Nº 200 en la combinación de agregados que conforma la mezcla asfáltica Vv = porcentaje de vacíos totales en la mezcla asfáltica µ(106, 70°F) = viscosidad a 70 °F, en poises, del cemento asfáltico empleado en la mezcla asfáltica ƒ  = frecuencia de carga, en Hz (este valor puede ser 2, 4 ó 6, pero normalmente se toma el valor medio de 4)

T  = temperatura promedio de trabajo de la mezcla asfáltica al ser colocada sobre el pavimento (este valor normalmente se toma como 68 °F, para poder utilizar los gráficos de "a r " del método de diseño de pavimentos de la  AASHTO)

Pcam = porcentaje de asfalto en la mezcla asfáltica, expresado como porcentaje en peso de mezcla total

2. Ecuación de Correlación Nº 2 Durante el período 1976-1980, la Universidad de Maryland en los Estados Unidos, bajo la dirección del mismo Ing. M. Witczak, realizó un amplio trabajo de laboratorio para ajustar la ecuación de Correlación Nº 1, al hacerla extensiva a un mayor número y tipo de mezclas asfálticas en caliente. El estudio mencionado contempló el ensayo de laboratorio de 810 mezclas adicionales, y mediante análisis de regresión se obtuvo la ecuación siguiente:

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