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DISEÑO DE MEZCLAS ASFALTICAS DE METODO MARSHALL ING. VASGAS MANRIQUE FERNANDO ALBERTO CATEDRA : TECNOLOGIA DE ASFALTO

INTEGRANTES: EGOAVIL GASPAR FREDDY FERNANDEZ ANDIA LUIS JOSE GAMARRA ANTEZANA JESUS MACHACA SOTELO ROANLD SOCUALAYA RIVAS GUILLERMO

CONCRETO ASFÁLTICO El CONCRETO ASFÁLTICO es una mezcla íntima, elaborada en caliente, de agregados pétreos, mineral y un cemento asfáltico, de manera que la superficie de todas y cada una de las partículas minerales quede recubierta de manera homogénea por una película de ligante.

Se elaboran en una planta que calienta el material pétreo a una temperatura de 140 ó 150 ºC y el cemento asfáltico a una temperatura de 110 a 130 ºC. Después que el material pétreo esté caliente y seco se mezclan sus componentes de acuerdo a una composición granulométrica aprobada, incorporándole a continuación el cemento asfáltico en una cantidad previamente definida.

Diseño de Mezclas Asfálticas EL OBJETIVO DE LOS DISEÑOS DE MEZCLA es la producción de mezcla de asfalto caliente qué funcione bien tanto estructural como funcionalmente (en operación). Desde el punto de vista de vista del funcionamiento la mezcla debe ser durable y ser capaz de resistir a las fallas del pavimento tales como: deformación permanente, fatiga por carga, fatiga térmica, fractura por baja temperatura, humedad y el daño inducido. Desde el punto de vista de la construcción la mezcla debe ser capaz de ser colocada y compactada bajo una energía adecuada La superficie de rodadura debe proporcionar suficiente resistencia al deslizamiento por motivos de seguridad

En una mezcla asfáltica en caliente, el asfalto y el agregado son combinados en proporciones exactas: Las proporciones relativas de estos materiales determinan las propiedades físicas de la mezcla y, eventualmente, el desempeño de la misma como pavimento terminado.  El diseño de mezcla se realiza en base a consideraciones sobre las propiedades volumétricas de las mezclas de asfalto.  Los materiales, agregados y asfaltos son seleccionados en base a las propiedades de ensayos empíricos y/o mecanisticos.  Estas propiedades son consideradas para asegurar que la mezcla sea resistente contra el agrietamiento térmico, agrietamiento por fatiga y el ahuellamiento.

CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DE MEZCLAS Son cuatro características de la mezcla, y la influencia que estas puedan tener en el comportamiento de la mezcla. Las cuatro características son:

a) DENSIDAD DE LA MEZCLA Está definida como su peso unitario (el peso de un volumen específico de la mezcla). La densidad es una característica muy importante debido a que es esencial tener una alta densidad en el pavimento terminado para obtener un rendimiento duradero.

a) b) c) d)

Densidad de la mezcla Vacíos de aire, o simplemente vacíos. Vacíos en el agregado mineral. Contenido de asfalto.

b) VACÍOS DE AIRE, O SIMPLEMENTE VACÍOS. Son espacios pequeños de aire presentes entre los agregados revestidos en la mezcla final compactada. La durabilidad de un pavimento asfáltico esta en función del contenido de vacíos

La razón de esto es que entre menor sea la cantidad de vacíos, menor va a ser la permeabilidad de la mezcla. El porcentaje permitido de vacíos está entre 3 y 4%. Un contenido demasiado alto de vacíos proporciona pasajes, por los cuales puede entrar el agua y el aire, y causar deterioro

Requerimientos para el diseño de la mezcla – MANUAL DE CARRETERAS

c) VACÍOS EN EL AGREGADO MINERAL El vacíos en el agregado mineral o VMA son los espacios de aire que existen entre las partículas de agregado en una mezcla compactada, incluyendo los espacios que están llenos de asfalto. Cuando mayor sea el VMA más espacio habrá disponible para las películas de asfalto. Estos valores se basan en el hecho de que cuanto más gruesa sea la película de asfalto que cubre las partículas de agregado, más durables será la mezcla. Requerimientos para Vacíos En El Agregado Mineral VMA – MANUAL DE CARRETERAS

d) CONTENIDO DE ASFALTO. La proporción de asfalto en la mezcla es importante y debe ser determinada exactamente en el laboratorio y luego controlada con precisión en la obra.

Depende, en gran parte, de las características del agregado tales como la granulometría y la capacidad de absorción.  La capacidad de absorción (habilidad para absorber asfalto) del agregado usado en la mezcla es importante para determinar el contenido óptimo de asfalto.  Entre mas finos contenga la graduación de la mezcla, mayor será el área superficial total, y, mayor será la cantidad de asfalto requerida para cubrir, uniformemente, todas las partículas.  Por otro lado las mezclas mas gruesas (agregados más grandes) exigen menos asfalto debido a que poseen menos área superficial total.

Diseño de Mezclas Asfálticas MÉTODO MARSHALL El concepto del método Marshall fue desarrollado por el Ing. Bruce Marshall, ex-Ingeniero de Bitúmenes del Departamento de Carreteras del Estado de Mississipi. El Ensaño Marshall, surgió de una investigación iniciada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos en 1943. Varios métodos para el diseño y control de mezclas asfálticas fueron comparados y evaluados para desarrollar un método simple. Dicho cuerpo de ingenieros decidió adoptar el método Marshall, y desarrollarlo y adaptarlo para diseño y control de mezclas de pavimento bituminoso en el campo, debido en parte a que el método utilizaba equipo portátil.

Y se desarrollo el procedimiento del Ensayo Marshall, y posteriormente desarrolló criterios de diseño de mezclas.

El propósito del método Marshall es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en caliente, y establece densidades y contenidos óptimos de vacío que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento.

El método Marshall, sólo se aplica a mezclas asfálticas (en caliente) de pavimentación que usan cemento asfáltico clasificado con viscosidad o penetración y que contienen agregados con tamaños máximos de 25.0 mm o menos. Aunque fue usado en mezclas para un tamaño de agregado máximo de 1 pulgada, el procedimiento ha sido modificado para usar agregados de mayor tamaño hasta 1.5 pulgadas. El método puede ser usado para el diseño en laboratorio, como para el control de campo de mezclas asfálticas (en caliente) de pavimentación. Es un proceso de ensayos empleados para establecer las proporciones de los diferentes componentes de la mezcla y el posterior control de producción y de construcción de la misma.

MÉTODO MARSHALL • El ensayo se realiza de acuerdo con el procedimiento descrito en el manual MS2 del Instituto del Asfalto y fue normalizado por la ASTM D-1559, y es aplicable a mezclas con agregado de tamaño máximo no mayor de 25mm. • Emplea probetas de 4 pulgadas de diámetro y 2.5 pulgadas de altura, compactadas a alta temperatura, con diferentes proporciones de asfalto, las cuales son ensayadas a 60°C mediante deformación lateral hasta alcanzar la falla. • Una serie de probetas, cada una con la misma combinación de agregados pero con diferentes tipos de asfaltos, es preparada usando un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas asfálticas de agregado • La carga de falla de las probetas se denomina estabilidad y la deformación máxima se llama flujo

OBJETIVO DEL MÉTODO MARSHALL Determinar el contenido óptimo de asfalto para una mezcla específica de agregados; así como también proporcionar información sobre las características físicas y mecánicas de mezcla asfáltica en caliente, de tal manera que sea posible establecer si cumple en lo referente al establecimiento de densidades y contenidos óptimos de vacío durante la construcción de la capa del pavimento.

DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO MARSHALL 1. Chequeo y preparación de agregados: • Determinar la gradación de los agregados propuestos, de acuerdo a los métodos de ensayo C-117 y C-136 de la ASTM. • Determinar el peso específico Bulk y el aparente de los agregados, de acuerdo a los métodos de ensayo C-127 y C-128 de la ASTM. • Seleccionar la dosificación de agregados que cumpla con la curva de densidad máxima para el tamaño máximo de partículas, además que cumpla el requisito del porcentaje mínimo de vacíos en el agregado mineral. • Calcular los pesos específicos Bulk y aparente de la combinación de agregados elegida.

2. Chequeo y preparación de la muestra de asfalto: • El método Marshall usa muestras de prueba normalizadas (briquetas) de 2 y ½” de espesor por 4” de diámetro (64 x 102 mm). • Se selecciona el agregado que cumpla con las especificaciones requeridas. El tipo y grado del asfalto, de acuerdo al tipo de agregado y las condiciones climáticas.

• Para determinar el contenido óptimo de asfalto se preparan y compactan una serie de muestras de prueba (briquetas), con distintos porcentajes de asfalto cuyo rango de variación no debe ser mayor a 0,5%. • Como mínimo se debe incluir dos porcentajes por encima y dos por debajo del óptimo de contenido de asfalto estimado. • En la práctica se observa que el contenido óptimo de asfalto se encuentra alrededor del 6%, con referencia al peso de los agregados pétreos. Mayores porcentajes deben conducir a una verificación cuidadosa del diseño de la mezcla. • Para verificar la idoneidad de los datos se deben hacer tres muestras (briquetas) por cada contenido de asfalto.

MÉTODO MARSHALL En el método Marshall se elaboran tres tipos de pruebas para conocer tanto sus características volumétricas como mecánicas. Los pasos para efectuar el diseño de mezclas con el método Marshall son los siguientes:

A. Determinación de la gravedad específica. B. Prueba de estabilidad y flujo. C. Análisis de densidad y vacíos

MÉTODO MARSHALL A. DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA 1. Evaluación de los agregados: propiedades específicas, absorción y granulometría adicionalmente a todos los ensayos de calidad que sean necesarios ENSAYOS PREVIOS a. GRANULOMETRIA DE LOS AGREGADOS (NTP 400.012 I.) OBJETIVOS - Determinar la granulometría de los agregados fino y grueso clasificándolos de acuerdo a su tamaño en los diversos tamices. b. PESO ESPECÍFICO Y ABSORCION DE AGREGADO FINO Y AGREGADO GRUESO (NTP 400.022 ASTM C-127, C-128) OBJETIVO - Determinar el peso específico y la absorción de los agregados fino y agregado grueso a partir del humedecimiento de los agregados en un tiempo determinado.  MTC E 205 - GRAVEDAD ESPECIFICA Y ABSORCION DE AGREGADOS FINOS  MTC E 206- PESO ESPECIFICO Y ABSORCION DE AGREGADOS GRUESOS

a) GRAVEDAD ESPECIFICA: La gravedad específica de un agregado es útil para determinar la relación peso-volumen del agregado compactado y así calcular el contenido de vacíos de la mezclas asfálticas en caliente compactado.

Para ilustrar los conceptos listados utilizaremos el esquema pesovolumen de la partícula de agregado Donde:  Vs Volumen del agregado seco incluyendo los vacíos impermeables  Vpp Volumen de poros permeables al agua  Vap Volumen de poros que absorbieron asfalto  Vpp-Vap Volumen de poros permeables al agua menos los poros que absorbieron asfalto  Ws Peso de agregado secado al horno

Además, existen tres diferentes gravedades específicas relacionadas al diseño del mezclas asfálticas en caliente que definen el volumen de las partículas de agregados: • Gravedad Específica Seca Aparente Gravedad • Específica Seca Bulk (Base Seca) y Saturada Superficialmente Seca Bulk • Gravedad Específica Efectiva

MTC E 205 - GRAVEDAD ESPECIFICA Y ABSORCION DE AGREGADOS FINOS y GRUESOS

2. Evaluación del cemento asfáltico, ya que debe ser el adecuado para la ubicación geográfica donde se coloca en la mezcla. El cemento asfáltico a emplear en las mezclas asfálticas elaboradas en caliente será clasificado por viscosidad absoluta y por penetración. Su empleo será según las características climáticas de la región, tal como lo indica la Tabla.

PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS DE MEZCLAS COMPACTADAS Las propiedades volumétricas de las mezclas compactadas proporcionan algún indicativo del probable comportamiento del pavimento en servicio, estas propiedades volumétricas son vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto (VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe).

REPRESENTACIÓN DE VOLÚMENES EN ESPECÍMENES DE MEZCLAS COMPACTADAS

Donde: • Vma = Volumen de vacíos en el agregado mineral • Vmb = Volumen bulk de la mezcla compactada • Vmm = Volumen de la mezcla suelta • Vfa = Volumen de vacíos llenos con asfalto Va = Volumen de vacíos de aire • Vb = Volumen de asfalto • Vba = Volumen de asfalto absorbido • Vsb = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica bulk) • Vse = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica efectiva)

DEFINICIONES 1. Vacíos en el Agregado Mineral (VMA) Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo y los vacíos atrapados entre los agregados recubiertos, se expresa como un porcentaje del volumen total de la muestra. 2. Asfalto efectivo (Pbe) Es el contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto que se pierde por absorción dentro de la partícula de agregado. 3. Vacíos de aire (Va) Es el volumen de aire atrapado, entre las partículas de agregado recubierto por asfalto, luego de la compactación. 4. Vacíos llenos con asfalto (VFA) Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo ó el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, ocupado por asfalto.

ANÁLISIS DE MEZCLAS COMPACTADAS GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK DE MEZCLAS ASFÁLTICAS COMPACTADAS, Parte importante del diseño de mezclas es la determinación de la gravedad específica bulk de la mezcla asfáltica compactada. Este método es útil para calcular el porcentaje de vacíos de aire en el diseño Marshall.

GRAVEDAD ESPECÍFICA TEÓRICA MÁXIMA,

Donde: • • • • • •

Gmm: Gravedad específica teórica máxima Pmm: Peso total de la mezcla Ps: Peso del agregado Pb Peso del asfalto Gse Gravedad especifica efectiva del agregado impregnado con asfalto Gb Gravedad especifica del asfalto

PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DE MEZCLAS COMPACTADAS

1. Gravedad específica bulk de la combinación de agregados: Cuando la muestra se ensaya en fracciones separadas (por ejemplo, grueso y fino), el valor de la gravedad específica promedio se calcula con la siguiente ecuación:

2. Gravedad Específica Efectiva del Agregado, Gse éste ensayo se realiza sobre mezclas sueltas, de esa manera se eliminan los vacíos de aire.

3. Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto (Gmm):

4. Porcentaje de Asfalto Absorbido, (Pb):

Aunque la gravedad específica teórica máxima se puede determinar para cada contenido de asfalto empleando la norma, la precisión del ensayo es mejor cuando la mezcla es cerrada. Además, es más conveniente realizar el ensayo por duplicado o triplicado.

5. Porcentaje de Asfalto Efectivo, Pbe Es el contenido total de asfalto menos la cantidad de asfalto que absorbió el agregado. Esta es la capa de asfalto que recubre exteriormente el agregado y es el contenido de asfalto que gobierna el comportamiento de la mezcla asfáltica.

6. Porcentaje VMA en Mezcla Compactada Como ya se indicó el volumen de vacíos en el agregado mineral VMA es un factor importante para el diseño de mezclas.

7. Porcentaje de Vacíos de Aire en la Mezcla Compactada, (Va): En mucha bibliografía se identifica al porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada como VTM.

8. Vacíos Llenos con Asfalto, VFA VFA es simplemente el porcentaje de VMA llenado con cemento asfáltico.

PREPARACION PARA EFECTUAR LOS PROCEDIMIENTOS MARSHALL: (pruebas de estabilidad y flujos) NORMAS: AASHTO T-245, ASTM D-1559

A. Selección de las muestras de material: Consiste en reunir muestra del asfalto y del agregado que van a ser usados en la mezcla de pavimentación. B. Preparación del agregado: Secar el agregado, determinar su peso específico, y efectuar un análisis granulométrico por lavado. C. Preparación de las muestras o probetas de ensayo: Haciendo que cada una contenga una ligera cantidad diferente de asfalto.

Ensayo Marshall Existen tres procedimientos en el método del ensayo Marshall, estos son: a) Determinación del peso específico total, b) Medición de la estabilidad y la fluencia Marshall, y c) Análisis de la densidad y el contenido de vacíos.

NORMAS: • MTC E 503 ANALISIS MECANICO DE LOS AGREGADOS EXTRAIDOS DE MEZCLASASFALTICAS • MTC E 504 RESISTENCIA DE MEZCLAS BITUMINOSAS EMPLEANDO EL APARATO MARSHALL • MTC E 505 PORCENTAJE DE VACIOS DE AIRE EN MEZCLAS ASFALTICAS COMPACTADAS DENSAS Y ABIERTAS

• El asfalto y el agregado se calientan y mezclan completamente hasta que todas las partículas de agregado estén revestidas, esto simula los procesos de calentamiento y mezclado que ocurren en la planta. • Las mezclas asfálticas calientes se colocan en los moldes precalentados Marshall como preparación para la compactación, en donde se usa el martillo Marshall. • Las briquetas son compactadas mediante golpes del martillo Marshall. El número de golpes del martillo(35,50 ó 75) depende de la cantidad de tránsito para la cual la mezcla está siendo diseñada. Ambas caras de cada briqueta reciben el mismo número de golpes. Después de completar la compactación las probetas son enfriadas y extraídas de los moldes.

MATERIALES: • 1. Molde de Compactación. • 2. Martillo de compactación con base plana circular de apisonado de 98.4 mm (3 7/8”) de diámetro, equipado con un pisón de 4.54 kg (10 lb.) de peso • 3. Pedestal de compactación • 4. Extractor de Muestras de Asfaltos. • 5. Soporte para molde o portamolde. • 6. Mordaza. • 7. Medidor de deformación. • 8. Prensa • 9. Medidor de Estabilidad. 10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg. • 11. Horno. • 12. Baño. El baño para agua, de 150 mm (6”) de profundidad mínima

1.- pesamos la arena, grava, filler y cemento asfaltico, previamente se tuvo q determinar los porcentajes de todos los componente (grava, arena, filler, cemento asfaltico), este se repite para cada porcentaje de cemento asfaltico que en nuestro caso empezó de 5.5% 2.-Procedemos a mezclar todos los componentes hasta obtener una mezcla homogénea, primero se coloca el agregados fino y grueso en una bandeja está a la vez se coloca en una cocina para simular lo ocurrido en obra luego se echa el filler, estos componentes se mezclan de tal forma que todas estén revestidas. Paralelamente se va preparando el cemento asfaltico, cuando los componentes hayan alcanzado una temperatura de 140°C 3.- Las mezclas asfálticas calientes se colocan en los moldes precalentados Marshall, como preparación para la compactación, en donde se usa el martillo Marshall de compactación, el cual también es calentado para que no enfríe la superficie de la mezcla al golpearla. Las briquetas son compactadas mediante golpes del martillo Marshall de compactación. El número de golpes del martillo (35, 50 o 75) depende de la cantidad de tránsito para la cual la mezcla esta siendo

4.- Luego extraemos las briquetas de los moldes, y dejamos enfriarlas. Al día siguiente (ejemplo), procedemos a determinar el peso específico de los especímenes compactados, para luego determinar su gravedad específica DETERMINACION DE LOS PESOS ESPECIFICOS DE LOS ESPECIMENES COMPACTADOS 5.-Bañamos con parafina las muestras hasta que no quede vacíos en el espécimen

6.- Pesamos la muestra al aire de todos los especímenes, y luego pesamos las mismas muestras sumergidas

7.- colocamos en baño maría a todas la muestra por un lapso de media hora

DETERMINACION DE LA ESTABILIDAD- FLUJO 8.-Ahora procedemos a determinar la estabilidad y el flujo de nuestros especímenes, para lo cual colocamos el espécimen en la probeta Marshall, y seguidamente lo colocamos en el equipo compactador, para luego iniciar el ensayo, anotando el flujo y la estabilidad SE OBTIENE: 1. DETERMINACION DEL PESO ESPECIFICO TOTAL. 2. MEDICION DE LA ESTABILIDAD Y FLUENCIA MARSHALL. 3. ANALISIS DE LA DENSIDAD Y EL CONTENIDO DE VACIOS DE LA PROBETA. DONDE: • El valor de estabilidad Marshall es una medida de la carga bajo la cual una probeta cede o falla totalmente. • La fluencia Marshall, medida en centésimas de pulgada, representa la deformación de la briqueta, aquellas que tienen valores altos de fluencia son consideradas demasiado plásticas, y tienen tendencia a deformarse fácilmente bajo las cargas de tránsito.

DATOS DE ENSAYO MARSHALL

Graficando los resultados: • Se trazan los resultados en gráficas para entender las características particulares de cada probeta usada en la serie. • • Mediante el estudio de las gráficas se puede determinar cuál probeta de la serie cumple mejor los criterios establecidos para el pavimento terminado. • • Las proporciones de asfalto y agregado se convierten en las proporciones usadas en la mezcla final.

GRAFICOS DE LOS RESULTADOS MARSHALL • • Porcentaje de vacíos • • Porcentaje de vacíos en el agregado mineral • • Porcentaje de vacíos llenos de asfalto • • Pesos unitarios • • Valores de estabilidad Marshall • • Valores de fluencia Marshall

CONTENIDO ÓPTIMO DE ASFALTO

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ÓPTIMO DE ASFALTO El contenido óptimo de asfalto se determina a partir de los datos obtenidos anteriormente, considerando los resultados de las curvas correspondientes a estabilidad, Peso Unitario y Porcentaje de Vacíos, en las cuales se determina el contenido de asfalto para conseguir: a. Estabilidad máxima. b. Peso unitario máximo. c. El valor medio del porcentaje de vacíos según la tabla. El contenido óptimo de asfalto será el promedio numérico de los contenidos de asfalto indicados anteriormente.

SEGÚN EL MANUAL DE CARRETERAS DEL MTC: Recomendaciones para mezclas asfálticas en climas fríos con altitud mayor de 3.000 msnm y cambios muy marcados entre las máximas y mínimas temperaturas Para casos de pavimentos bituminosos ubicados en zonas con altitud mayor de 3.000 m.s.n.m. en que generalmente existen climas severos con alta pluviosidad y gradientes térmicas diarias altas, situación climática muy frecuente en el país, es preciso tener en cuenta entre otras las siguientes recomendaciones:  Se deberá proporcionar una mezcla rica en cemento asfáltico, que debe ser superior a 6%, sin embargo, ello dependerá de las condiciones propias de obra y la calidad de los agregados.  El diseño de la mezcla deberá ser indicado en el Proyecto  Se recomienda el uso de cal hidratada, como material aglomerante, espesante de mezcla y de adhesividad y estabilidad.  En caso de requerirse aditivos mejoradores de adhesividad del par agregado-bitumen, será indicado en el Proyecto y este deberá cumplir la especificación correspondiente.