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ANEXO G

ENSAYOS EN ASFALTO Y MEZCLAS ASFÁLTICAS

Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G

G1 Ensayo de Penetración

(Documento Referencial: ASTM D-5, MTC E304-1999) G1.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de penetración es un método empírico usado para medir la consistencia del cemento asfáltico. Por lo general la penetración se mide a 25ºC que es el promedio de las temperaturas de servicio del pavimento. Esta norma considera los cementos asfálticos con penetraciones menores de 350 dmm. Materiales con penetraciones entre 350 y 500 requieren de aparatos especiales. G1.2 DEFINICIÓN El ensayo de penetración consiste en colocar una muestra de asfalto en un recipiente estándar a una temperatura de 25ºC, controlado por un baño de agua. La muestra es penetrada por una aguja de 100 gr. por 5 segundos. La profundidad de penetración se mide en décimas de milímetro (dmm) que son las unidades de penetración. Por ejemplo, si la aguja penetra 8 mm, la penetración del asfalto es 80. El ensayo de penetración se puede realizar a otras temperaturas como 0, 4 y 46ºC. Para estas corridas la carga de la aguja y el tiempo de penetración varía. Por ejemplo, a 4ºC el cemento asfáltico es rígido, la penetración con una aguja de 100 gr por 5 s es inferior que si el ensayo se realizase a 25ºC. A esta temperatura se emplea una aguja de 200 gr de peso y 60 segundos de penetración. G1.3 EQUIPOS Equipo de Penetración Será un equipo que permita que el vástago de la aguja se mueva verticalmente sin fricción y que sea capaz de medir la profundidad de penetración con una aproximación de 0.1 mm. El peso del vástago será 47.5 ± 0.05g. El peso total de la aguja con el fijador será de 50 ± 0.05g. Además se deberá contar con pesos adicionales de 50 ± 0.05g y 100 ± 0.05g, para cargas totales de 100 g y 200 g, como se requieran en las condiciones del ensayo. El apoyo de la muestra, en el equipo de penetración, deberá ser una superficie plana, la aguja deberá formar aproximadamente 90º con esta superficie. Aguja de Penetración

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 343


La aguja debe ser de acero inoxidable de aproximadamente 50 mm (2 pulg.) de longitud y de 1.00 a 1.02 mm (0.0394 a 0.0402 pulg.) de diámetro. La aguja deberá estar montada rígidamente sobre un zuncho de bronce o de acero inoxidable, la longitud expuesta deberá estar entre los límites de 40 a 45 mm (1.57 y 1.77 pulg.). El peso del ensamblado aguja y zuncho deberá ser de 2.50 ± 0.05g. Contenedor de Muestras El contenedor de muestra será de vidrio o metal, de forma cilíndrica y de fondo plano. Sus dimensiones serán de 55 mm de diámetro y 35 mm de altura interna para penetraciones debajo de 200 y 70 mm de diámetro y 45 mm de altura interna para penetraciones entre 200 y 350. Baño de Agua Para la inmersión de la muestra se deberá contar con un baño de agua de por lo menos 10 l., que permita mantener la temperatura de ensayo. El baño deberá contar con una placa soporte perforada colocada a una distancia no menor de 50 mm desde el fondo y no mas de 100 mm debajo del nivel superior del líquido en el baño. Si el ensayo se va realizar en el mismo baño de agua, se deberá disponer de una plataforma resistente para soportar el equipo de penetración. Cápsula de Transferencia Deberá tener una capacidad de 350 ml y altura suficiente de agua para cubrir todo el recipiente. Deberá estar provisto con algunos medios para obtener un apoyo firme y prevenir el balanceo del recipiente. Un soporte de tres pies de contacto para el recipiente de la muestra es un medio conveniente para asegurarlo. Medidor de tiempo Para penetrómetros operados manualmente se puede emplear un reloj eléctrico, un cronómetro u otro instrumento con aproximación a 0.1 s. en un intervalo de 60 s. Si el ensayo se realizara con penetrómetros automáticos, el dispositivo deberá estar calibrado para proporcionar el tiempo de ensayo con exactitud de ±0.1 s. La precisión de todos los instrumentos de medición deberán ser verificados antes del inicio del ensayo. Termómetros Se deberá contar con termómetros que permitan controlar la temperatura en el baño. Estos termómetros serán de mercurio con varilla de vidrio y con error máximo de 0.1ºC. G1.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Se deberá tomar una muestra de aproximadamente 400 a 500 gr. La muestra deberá ser

representativa del total y no deberá estar contaminada.



2. Calentar la muestra hasta que se haga lo suficientemente fluida para vaciarla, removerla periódicamente de tal manera que no existan sobrecalentamientos. En ningún caso la temperatura de calentamiento será mayor de 100ºC por encima del punto de ablandamiento. El tiempo total de calentamiento no excederá los 30 min, evitándose la formación de burbujas.

3. Vaciar el asfalto al contenedor de muestras, que también ha sido calentado a temperatura semejante a la del asfalto. La profundidad será tal que cuando alcance la temperatura de prueba, sea por lo menos 10 mm mayor que la profundidad a la cual se espera que la aguja penetre. Se prepararán dos moldes para cada material a ser evaluado.

4. Las muestras se deben dejar enfriar a temperatura ambiente. Los contenedores deberán ser cubiertos con vasos de vidrio invertidos para evitar que sean contaminados por polvo. Se dejarán por un período de 1 a 1.5 horas para contenedores pequeños y de 1.5 a 2 horas para los mas grandes. Luego de este tiempo se sumergen los moldes en el baño de agua a la temperatura de ensayo. Permitir que el recipiente pequeño (3 oz.) permanezca de 1 a 1.5 h. y el más grande (6 oz.) de 1.5 a 2 h.

G1.5 CONDICIONES DE ENSAYO Las condiciones de ensayo serán las indiciadas en la tabla siguiente:

Temperatura ºC (ºF)

Carga g

Tiempo s

0 (32) 200 60 4 (39.2) 200 60 25 (77) 100 5 46.1 (115) 50 5

Las condiciones de ensayo deberán indicarse. G1.6 ENSAYO 1. Limpiar la aguja de penetración con algún solvente adecuado. Insertar la aguja al

penetrómetro, colocar un peso de 50 g sobre la aguja, a menos que se indique lo contrario, haciendo la carga total movible de 100 ± 0.1 g. Si las pruebas son hechas con el penetrómetro en el baño, colocar el recipiente de muestra directamente sobre el soporte sumergido del penetrómetro. Mantener el recipiente de muestra completamente cubierto con el agua en el baño. Si las pruebas son hechas con el penetrómetro fuera del baño, colocar el contenedor en la cápsula de transferencia, cubrir el recipiente completamente con agua del baño a temperatura constante y colocar la cápsula de transferencia sobre el soporte del penetrómetro.

2. Bajar el agua hasta que haga contacto con la superficie de la muestra. Anotar la lectura en el dial del penetrómetro o poner en cero el indicador.



3. Permita que la aguja baje por el período de tiempo especificado. Finalmente se lee y anota la distancia que haya penetrado la aguja en la muestra, esta lectura se expresa en décimas de milímetro.

4. Se realizan tres penetraciones en la muestra. Las penetraciones se realizan a distancias no menores de 10 mm entre sí y de la pared del recipiente.

5. Si se emplea la cápsula de transferencia, retornar la muestra y la cápsula al baño de temperatura constante entre determinaciones.

6. Usar una aguja limpia para cada determinación 7. Cuando las penetraciones mediadas sean más profundas de 200, se usarán al menos tres

agujas, dejándolas en la muestra hasta que las tres determinaciones se hayan completado. G1.7 REPORTE Reportar el promedio de las tres penetraciones redondeado a la unidad mas cercana. Las lecturas de penetración no deben diferir en:

Penetración 0 a 49 50 a 149 150 a 249 >249 Máxima diferencia entre La mas alta y baja de las lecturas

2 4 6 8

Si las diferencias son mayores a las indicadas en el cuadro, el ensayo deberá volver a realizarse.



G2 Ensayo de Adherencia Asfalto-Agregado grueso

(Documento de Referencia: ASTM D-1664) G2.1 FUNDAMENTO Todos los agregados son porosos, y algunos lo son más que otros. La porosidad se determina sumergiendo los agregados en un baño y determinando la cantidad de líquido que absorbe. La capacidad de un agregado para absorber agua (o asfalto) es un factor importante que debe ser cuantificado en el diseño de mezclas asfálticas. Si un agregado es altamente absorbente, entonces continuará absorbiendo asfalto después del mezclado inicial, disminuyendo la cantidad de asfalto para ligar las demás partículas de agregado. Por ello, un agregado más poroso requiere cantidades mayores de asfalto de las que requiere un agregado con menos porosidad. Los agregados altamente porosos y absorbentes normalmente no son usados, a menos que posean características que los hagan deseables. Algunos ejemplos de dichos materiales son la escoria de alto horno y ciertos agregados sintéticos. Estos materiales son altamente porosos, pero también son livianos en peso y poseen alta resistencia al desgaste. El concepto de adherencia en el diseño de mezclas asfálticas está relacionado a la afinidad del agregado por el asfalto, es la tendencia del agregado a aceptar y retener una capa de asfalto. Las calizas y las dolomitas tienen alta afinidad con el asfalto; sin embargo, también son hidrofóbicas (repelen el agua) porque resisten los esfuerzos del agua por separar el asfalto de sus superficies. Los agregados hidrofílicos (que atraen el agua) tienen, por otro lado, poca afinidad por el asfalto. Por consiguiente, tienden a separarse de las películas de asfalto cuando son expuestas al agua. Los agregados silíceos (cuarcita y algunos granitos) son ejemplos de agregados susceptibles al desprendimiento y deben ser usados con precaución. Como se ha explicado el concepto de adherencia no está necesariamente ligado al concepto de porosidad. Los agregados usados en construcción de carreteras se obtiene del abastecimiento de rocas naturales locales. Las rocas naturales son clasificadas geológicamente en tres grupos dependiendo de su origen: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Otro tipo de agregados usados en mezclas asfálticas en caliente son los agregados livianos, producto de arcillas calentadas a temperaturas muy altas, y escorias de altos hornos. Estos dos agregados proporcionan buena resistencia al patinaje cuando se usan en mezclas asfálticas en caliente.



En la siguiente tabla se resumen propiedades deseables de rocas para agregados utilizados en Mezclas Asfálticas en Caliente.

Tipo de Roca Dureza/Tenacidad Resistencia al desprendimiento*

Textura superficial

Forma fracturada

Ígnea: Granito Sienita Diorita Basalto Diabasa

Regular Bueno Bueno Bueno Bueno Bueno

Regular Regular Regular Bueno Bueno Bueno

Regular Regular Regular Bueno Bueno Bueno

Regular Regular Bueno Bueno Bueno Bueno Gabro

Sedimentaria: Caliza, dolomia Arenisca Chert

Pobre

Regular Bueno Pobre

Bueno Bueno

Regular Pobre

Bueno Bueno Pobre

Regular

Regular Bueno Bueno

Regular Lutita Metamórfica: Gneis Esquisto Pizarra Cuarcita Mármol

Regular Regular Bueno Bueno Pobre

*Agregados hidrofílicos tienden a separar más fácilmente las películas de asfalto. Serpentina** Bueno

Regular Regular Regular Regular Bueno

Regular

Bueno Bueno

Regular Bueno

Regular Regular

Bueno

Regular Regular Bueno

Regular Regular

** Es un mineral que se forma por alteración de las rocas ultrabásicas Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt Technology1996

G2.2 OBJETIVO Este método describe los procedimientos de revestimiento e inmersión estática para determinar la capacidad de retención de una película bituminosa sobre una superficie de agregado en presencia del agua. Este método es aplicable para cementos asfálticos y RC. Donde se desee evitar el desprendimiento, se puede agregar algún aditivo. G2.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Tamices. De 3/8”, 1/4” y bandeja 2. Recipiente. De porcelana 3. Recipiente. De vidrio de 500 ml de capacidad 4. Horno. Capaz de mantener temperaturas de 60º-149º ± 1.1ºC 5. Baño maría para asfalto. con controlador automático 6. Balanza. De 200 ± 0.1 gr de precisión



7. Espátula acerada. De 1” de ancho y 4” de longitud 8. Bitúmen. Que debe ser del mismo tipo de que se va usar en obra. Si se propone algún

aditivo químico, éste debe adicionarse al Bitúmen en la cantidad especificada, y antes de mezclar enteramente el especímen.

9. Agua destilada. Con pH entre 6 y 7 G2.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Tamizar el agregado grueso por las mallas 3/8” y 1/4”. 2. Se lava la muestra retenida en la malla ¼” con agua destilada para eliminar los finos y se

lleva a secar en horno a la temperatura 110ºC hasta que mantenga un peso constante. G2.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Calentar el agregado y bitúmen a la temperatura de mezcla, Tabla No. G2.1 2. Pesar 100 ± 1gr. del agregado y verterlo en un recipiente de porcelana. Para el Caso 3 (ver

Tabla No. G2.2) incorporar a los agregados 2 ml de agua destilada, mezclar hasta que las partículas estén completamente humedecidas. Pesar el recipiente con el agregado.

3. Incorporar en el recipiente de porcelana, que aún se encuentra en la balanza, la cantidad de material bituminoso, especificado en la Tabla No. G2.1 ó en la nota.

4. Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el agregado quede totalmente revestido con el material bituminoso.

5. La mezcla se vierte en un recipiente de vidrio de 500 ml de capacidad y se lleva al horno por espacio de 2 hr. a la temperatura indicada en la Tabla No. G2.1, para ser curado.

6. Transcurrido el tiempo se retira el recipiente del horno, se remezcla con la espátula mientras la mezcla enfría a temperatura ambiente.

7. Incorporar aproximadamente 400 ml de agua destilada a 25ºC.

Tabla No. G2.1: Temperatura para Mezcla del Material Bituminoso (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664)

Material Temperatura (ºC)

Asfalto Líquido, grados 30 y 70 T. ambiente Asfalto Líquido 250 (RC-250) 35±3 Asfalto Líquido grado 800 52±3 Asfalto Líquido grado 3000 68±3 Alquitrán grados RT-1, RT-2, RT-3 60±3 Alquitrán grados RTCB-5, RTCB-6 60±3 Alquitrán grados RT-4, RT-5, RT-6 71±3 Alquitrán grados RT-7, RT-8, RT-9 93±3 Cementos Asfálticos PEN: 40-50, 60-70, 85-100 142±3

Si el material bituminoso no se encuentra en la tabla, la temperatura de mezclado es la Temperatura Ambiente.



Tabla No. G2.2 Cantidad de Material Bituminoso a incorporar

(Ensayo de Adherencia ASTM D-1664)

Caso Condición del agregado

Material bituminoso

Tiempo de mezcla

Tº de curado

Tiempo de curado

Tiempo de inmersión en

agua Asfaltos Líquidos 1

5.5 ± 0.2 gr. 2.0 min. 60ºC 2 hr. 16-18 hr. Emulsiones asfálticas 2

8.0 ± 0.2 gr. 5.0 min. 135ºC 2 hr. 16-18 hr. Cemento Asfáltico

3

Agregado seco

5.5 ± 0.2 gr. 2.0-3.0 min. - No requiere 16-18 hr.

Asfaltos Líquidos 4 Agregado húmedo 5.5 ± 0.2 gr. 5.0 min. 60ºC 2 hr. 16-18 hr.

8. El frasco se lleva al baño maría que contiene agua a 25º C, hasta una altura que alcance

las ¾ partes de la altura del vaso de vidrio. Es importante indicar que la temperatura debe mantenerse constante.

9. El frasco se tendrá en el baño maría por un período de 16 a 18 horas. 10. Retirar la muestra y sin agitar o alterar el agregado revestido, quitar alguna película que

flota en la superficie del agua. Determinar por observación el porcentaje del área total visible del agregado que queda revestido sobre o debajo del 95%, algunas áreas o aristas traslúcidas o parduzcas se consideran como totalmente revestidas.

11. En el informe se mencionará si el porcentaje de área revestida es mayor o menor a 95%, consignándose como (+ 95) ó (– 95), respectivamente.

G2.6 NOTA DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Para el caso de agregados secos revestidos con cemento asfáltico PEN 40-50, 60-70 y 85-100 y alquitranes: RT-10, RT-11 y RT-12. El procedimiento es similar salvo en los siguientes ítems: 1. En el ítem 1:

Si la mezcla es agregado seco y asfalto: Calentar por separado el agregado y asfalto en horno a temperatura constante de 135-149ºC por espacio de una hora. Si la mezcla es agregado seco y alquitrán: Calentar por separado el agregado en horno a temperatura constante de 79-107ºC y el alquitrán a temperatura constante de 93-121ºC.



2. En el ítem 3:

Colocar el recipiente de mezcla sobre una malla de asbesto o material aislante para retardar el enfriamiento, incorporar al agregado 5.5± 0.2 gr. de bitumen calentado. Mezclar por 2.0 min. y dejar que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente.

3. En el ítem 5: No requiere de curado

4. Todos los demás pasos son similares. G2.7 OBSERVACIONES AL ENSAYO Los resultados del ensayos son subjetivos, esto limita el alcance que tiene a porcentajes mayores al 95%. No se intentará conocer, por éste método, el porcentaje de asfalto retenido por el agregado por debajo del 95%.

G2.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM D 1664-80, Test Coating and Stripping of Bitúmen-Aggregate Mixtures. MTC E517-1999, Cubrimiento de los Agregados con Materiales Asfálticos (incluye emulsiones) en presencia del agua (Stripping) Mezclas Abiertas y/o T.S.



Foto No. G2.1: Calentar el bitúmen a la temperatura de mezcla

Foto No. G2.2: Incorpore en el recipiente con el agregado, la cantidad de material bituminoso especificado



Foto No. G2.3: Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el

agregado quede totalmente revestido con el material bituminoso

Foto No. G2.4: Determinar por observación el porcentaje del área total visible del

agregado que queda revestido sobre o debajo del 95%



G3 Adherencia de los Ligantes Bituminosos a los Aridos Finos

Procedimiento Riedel Weber G3.1 FUNDAMENTO La arena que forma parte de una mezcla asfáltica debe tener propiedades químicas adecuadas que permitan la elaboración de una mezcla uniforme, que cumpla con todos los requisitos de durabilidad; una de ellas es medir la adhesividad de los ligantes bituminosos respecto de una arena, natural o de machaqueo, cuando la mezcla árido-ligante se somete a la acción de soluciones de carbonato de sodio a concentraciones crecientes. G3.2 OBJETIVO El ensayo de Riedel Weber tiene por finalidad determinar el grado de adhesividad del agregado fino con el asfalto. Se describirán los métodos de ensayo en el siguiente orden: Norma Francesa D.E.E. MA8-1938, Norma Española NLT-355/74, Norma Chilena No. LNV10-86 y Norma MTC 220-1999 en forma paralela y se hará hincapié en caso los procedimientos sean diferente. El ensayo emplea material que pasa las siguientes mallas:

Norma Pasa el tamiz Retiene en el tamiz Francesa D.E.E. MA8-1938 Nº30 Nº80 Española NLT-355/74 Nº30 Nº70 Chilena No. LNV10-86 Nº30 Nº100 MTC 220-1999 Nº30 Nº70

Este material se mezcla con asfalto y se ensaya con carbonato de sodio a diferentes concentraciones molares. Todas las normas pueden aplicarse a todos los ligantes bituminosos, betunes de penetración, betunes fluidificados, alquitranes y emulsiones bituminosas. G3.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Tamices. De abertura cuadrada correspondiente a la norma de ensayo y bandeja. La norma

española emplea dos tamices de abertura cuadrada que estén de acuerdo con las normas UNE 7.050 (ASTM D:E11-70) de los siguientes tamaños: Tamiz 0.63 UNE (ASTM Nº30) y Tamiz 0.20 UNE (ASTM Nº70)

2. Estufa. Que alcance y mantenga temperaturas de 145 ±5ºC



3. Cápsula. De porcelana de 300 ml de capacidad 4. Balanza. De 1 kg de capacidad, sensibilidad de 0.1 gr. 5. Balanza. De 200 gr. de capacidad, sensibilidad de 0.01 gr. 6. Tubos de ensayo. De 1.3 cm de diámetro y 15 cm de altura1, resistentes al calor (pirex) 7. Soporte para tubos de ensayo 8. Fiola. de 500 ml de capacidad resistente al calor (pirex) 9. Vaso de pirex. De 400 ml de capacidad 10. Espátula 11. Mechero 12. Cronómetro. De 10 minutos 13. Chisguete de agua G3.4 PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN El carbonato sódico puro (Na2CO3) anhidro y agua, H2O, destilada forman la solución de carbonato de sodio. Para preparar la disolución a diferentes concentraciones, se debe disolver el peso de Carbonato de Sodio indicado en la Tabla No. G3.1, según la concentración que se desee obtener, hasta completar un litro de agua destilada.

Tabla No. G3.1 Peso de Na2CO3 por litro de disolución

CONCENTRACIÓN DE

DISOLUCIONES MOLARES CO3Na2

Gr/lt GRADO

H2O destilada 0 M/256 0.414 1 M/128 0.828 2 m/64 1.656 3 m/32 3.313 4 m/16 6.625 5 m/8 13.250 6 m/4 26.500 7 m/2 53.000 8 m/1 106.000 9

Nota.- Preferentemente las disoluciones se prepararán de nuevo para cada ensayo o tandas de ensayo a realizar, y no se utilizarán aquellas que lleven elaboradas más de 4 días2.

G3.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Extraer una muestra representativa por cuarteo. 1 La norma española emplea tubos de ensayo de 2.0 cm de diámetro y 20.0 cm de altura 2 Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber) MTC E220-1999



2. En el caso de la Norma Española y del MTC, si la muestra de árido recibido en el laboratorio proceda de piedra de cantera o de gravera, se procede a su cuarteo y posterior machaqueo hasta obtener una arena; si la muestra de árido recibida es una arena natural o arena de machaqueo se separa por sucesivos cuarteos el material necesario para el ensayo.

3. Tamizar aproximadamente 200 gr de agregado fino por las requeridas según norma de ensayo. Norma Francesa, se tamiza el material por las mallas Nº30 y Nº80, usando la porción retenida en el tamiz inferior. Norma Española y MTC, la fracción del material obtenida por cuarteo se lava para eliminar totalmente el polvo que pueda contener, seguidamente se seca en estufa a la temperatura de 145±5ºC durante 1 hora. Norma Chilena, la muestra se tamiza por vía húmeda por la malla Nº200, se seca a 110±5ºC y se deja enfriar a temperatura ambiente, luego se procede a tamizar por las mallas Nº30 y Nº100.

4. Si el ligante a emplear es: cemento asfáltico de penetración, fluidificado o fluxado, o alquitrán, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 29 volúmenes de ligante (la relación correspondiente de masas se calcula a partir de las densidades respectivas). Además, las normas Española, MTC y Chilena incorporan como ligante a la emulsión bituminosa de la siguiente manera: Norma Española y MTC, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 95 volúmenes de ligante al 50%. Norma Chilena, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 29 volúmenes de emulsión.

5. En la cápsula de porcelana precalentada a la temperatura de mezcla, se incorpora con una espátula caliente el árido con el ligante, debiendo lograr una mezcla homogénea y revestimiento total de las partículas. La temperatura de mezcla será de acuerdo a la Tabla No. G3.2.

6. Dejar enfriar a temperatura ambiente aproximadamente por 1 hora. Para el caso de mezcla con emulsión las normas consideran: Norma Española y MTC, luego del período de enfriamiento, se decanta el líquido en exceso que acompaña la muestra y se deja reposar durante 24 horas. Norma Chilena, Una hora después de efectuada la mezcla se cura en horno durante 24 horas a la temperatura de 35±3ºC.

7. Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla, pesadas en una balanza con precisión de 0.01gr.

8. En 10 tubos de ensayo se introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas de 0 a 9. En el tubo marcado con “0”, se incorpora 2.0 ml de agua destilada para la norma Francesa, y 6 ml en el caso de las normas Española y MTC, marcar en el tubo la superficie libre que alcanza el agua. Colocarlo sobre el mechero con ayuda de una pinza.

9. En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el cronómetro, retirar el tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el nivel inicial. Agitar vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento del asfalto en el agregado fino.



10. Si no se observa desprendimiento alguno, se repiten los pasos 9 y 10 con el tubo 1, incorporando el volumen (según punto 9) de carbonato de sodio a la concentración m/256; así sucesivamente hasta que se observe algún desprendimiento entre el ligante y la arena, para el caso de la norma Francesa. En las normas Española, MTC y Chilena se continúa con el ensayo hasta que se produzca el desplazamiento total, si el desprendimiento es parcial continuar con mayores concentraciones molares.

11. Se asignará el índice de adhesividad correspondiente a la concentración empleada, según la Tabla No.G3.1. Si no hay desprendimiento se asignará el grado 10.

Tabla No. G3.2

Temperatura de mezcla según norma de ensayo

Norma Francesa D.E.E. MA8-1938

Española NLT-355/74

MTC220-1999 (orientativo)

Chilena No. LNV10-86

Mezcla con: Temperatura ºC Betún 150ºC 140 – 175 110±5ºC Betún fluidificado 70ºC 25 – 110 Betún fluxado 50 – 110 Alquitrán

Según el asfalto a utilizar

70ºC 70 – 110 Emulsión bituminosa

Ambiente Ambiente 20±3ºC

G3.6 EVALUACIÓN 1. Norma Francesa: Como Indice de Adhesividad se le asignará al número correspondiente a

la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún desprendimiento. 2. Norma Española y MTC definen los siguientes términos:

Desplazamiento total, cuando prácticamente todos los granos de la arena aparecen limpios, pudiendo comprobarse porque los granos están sueltos o porque al hacer rodar entre los dedos el tubo de ensayo, los granos de arena siguen libremente la rotación imprimida al tubo ( para ello se puede utilizar como referencia a un tubo de ensayo sin ligante, conteniendo de 5 a 6 ml de agua para comparar su aspecto o movimiento al rodar el tubo de ensayo entre los dedos. Desplazamiento parcial, cuando los granos de la arena aparecen semi-limpios manteniendo una liga o cohesión entre ellos, en este caso los granos de arena envueltos por el ligante permanecen aglomerados en el fondo del tubo de ensayo.

Para apreciar la adherencia entre el árido-ligante después del ensayo, no se considera el ligante que aparezca en la superficie del tubo de ensayo, solo debe tenerse en cuenta el aspecto que ofrezca la masa de mezcla que queda en el fondo del tubo.



G3.7 INFORME Norma Francesa En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún desplazamiento del ligante bituminoso en la superficie del árido, de acuerdo con la Tabla No. G3.1. Normas Española, MTC y Chilena • En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número

correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce un desplazamiento total del ligante bituminoso de la superficie del árido, de acuerdo con la Tabla No. G3.1.

• Si con alguna concentración inferior a la que produjo el desplazamiento total, se observó desplazamiento parcial, se expresará la adhesividad con dos números: el correspondiente a la concentración menor con la que se produce algún desplazamiento y el que produce el desplazamiento total.

• Si se produjese desplazamiento total del ligante con solamente agua destilada, se asignará el Indice 0 de Adhesividad.

• Si la solución molar de carbonato de sodio M/1 no produce desplazamiento del ligante bituminoso, el indice de adhesividad de la mezcla es 10.

G3.8 Observaciones 1.- La evaluación se hará observando el desprendimiento que se produce por efecto de la

ebullición de la solución. El grado de adhesividad se determina en función de la concentración de la solución para la cual se produce el desprendimiento.

2.- La arena que será usada como agregado para mezclas asfálticas deberá tener un Índice de Adhesividad mayor de 4. Para el caso que tenga índice de adhesividad menor, se podrá ensayar con aditivos mejoradores de adherencia.

G3.9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Comission Technigur Rile M 17 BM “Bitumes et Materiaux Bitumineux” Norma Española NLT-355/74 Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los Áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber). MTC E220-1999 Adhesividad a los Áridos Finos de los Ligantes Bituminosos (Procedimiento Riedel-Weber), Norma NLT-355/74. Ing. Pablo Del Águila



Foto No. G3.1: Calentar el ligante que será mezclado con el árido

Foto No. G3.2: Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla. En 10 tubos de ensayo se introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas de 0 a 9. Colocarlo

sobre el mechero con ayuda de una pinza.



Foto No. G3.3: En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el cronómetro, retirar el tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el

nivel inicial. Agitar vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento del asfalto en el agregado fino.




G4 Destilación de Asfaltos Líquidos

(Documento de Referencia: ASTM D-402)

G4.1 FINALIDAD

El ensayo de destilación se emplea para determinar las proporciones relativas de cemento asfáltico y disolventes presentes en el asfalto líquido. Durante el proceso de ensayo se podrá medir las cantidades de disolvente que destilan a diversas temperaturas, dando un indicativo de las características de evaporación del mismo. Estas, a su vez, indican la velocidad a que el material curará después de su aplicación.

G4.2 OBJETIVO

El proceso de ensayo consiste en la destilación de una muestra de 200 cm3 de asfalto líquido en un matraz de 500 cm3, elevando la temperatura y midiendo los volúmenes de disolvente que se recepcionan en una probeta, a temperaturas especificadas. El material que quede en el matraz será el residuo de destilación.

G4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Matraz. De 500 cm3 mostrado en la Fig. No. G4.1. 2. Condensador recto de vidrio. De 200 a 300 mm de largo 3. Alargadera. De 1 mm de espesor de pared y borde reforzado, con ángulo de 105º y 18

mm de diámetro en su extremo superior y 5 mm en el inferior 4. Pantalla metálica. De hierro galvanizado forrado interiormente con amianto de 3 mm de

grosor y provisto de ventanas rectangulares cubiertas de mica transparente. 5. Mechero de gas graduable 6. Chimenea de hierro 7. Probetas. De 100 cm3 de capacidad 8. Termómetro de destilación. ASTM E-1, de -2ºC a 400º C de 1ºC de error máximo 9. Balanza. De 5 kg. de capacidad y 1.0 gramo de aproximación 10. Sujetadores En la Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación.



25 + 1.2 mm13

5 +

5 m

m

105

+ 3

mm

102 + 2.0 mm

1.0 a 1.5 mm de pared

220 + 5.0 mm

diámetro interno 10 + 0.5 mm

75 + 3°

Figura G4.1: Matraz de 500 cm3 de capacidad



Cotas en mm

No menos de 25.4

Probeta

Papel secante

Alargadera

Tapón de corcho

Protector Ventana de micaMatraz

6.5

Chimenea

Mechero

Soporte

Dos mallasmetálicas

Termómetro

600 a 700

475± 2.575± 5

Tapón de corcho

Camisa

Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación


G4.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO 1. Armar el equipo de destilación según la Figura No. G4.2, teniendo el cuidado de que

todas las conexiones del equipo de destilación queden herméticamente cerradas para evitar fuga de vapores, que el termómetro quede fijado en posición vertical y alineado con el eje del matraz.

2. Agitar la muestra que será ensayada para conseguir homogeneidad, calentarla si fuera necesario. Si la muestra contiene más del 2% de agua, deshidrátese el material antes de la destilación para que no produzca espuma1.

3. Pesar el matraz lavado, secado al horno y frío con el protector. 4. Incorporar al matraz el peso equivalente a 200 cm3 de la muestra, con aproximación a

0.5 gr., calculado según su peso específico. 5. Montar el matraz, colocar el termómetro y hacer circular el agua para que condense el

vapor. 6. Prender el mechero y regularlo de tal manera que, luego de iniciado el proceso de

ebullición, la primera gota caiga en la probeta entre los 5 y 15 minutos. 7. La velocidad de destilación debe ser controlada durante todo el ensayo, debiendo

cumplir las siguientes especificaciones2:

Temperatura (ºC)

Desde Hasta

Velocidad de Destilación (gotas/min)

0 225 50 a 70 226 260 50 a 70 261 315 20 a 70 316 360 10 minutos

8. Si la muestra produce espuma se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan

pronto como sea posible. Si el exceso de espuma persiste, se puede controlar la destilación aplicando la llama cerca del borde del matraz, en vez de hacerlo hacia el centro.

9. Cuando la lectura en el termómetro sea de 360ºC se saca y apaga el mechero, al terminar el goteo se hace la lectura.

10. Las lecturas de volumen en la probeta son a las siguientes temperaturas: 225ºC, 260ºC, 315ºC y 360ºC, con aproximación de 0.5 cm3. Anotar, si lo hubiera, el volumen de agua destilada.

11. El residuo se deja enfriar en un lugar sin corrientes de aire, luego se agita y se vierte en los moldes apropiados para los ensayos que requiera.

1 Destilación de Asfaltos líquidos MTC E313-1999 2 “Si la muestra produce espuma, se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan pronto como sea posible”.......”Si el exceso de espuma persiste, aplicar la llama . MTC E313-1999



G4.5 CÁLCULOS 1. Residuo

El porcentaje de residuo con respecto a la muestra original es de:

( ) 100inicialVolumen

queda que Volumen%R ×=

( ) 100200

VD200%R ×−

= (1)

Donde:

R Residuo asfáltico (%) VD Volumen destilado a 360ºC

2. Porcentaje total destilado

El porcentaje destilado a 360ºC es:

( ) 100inicialVolumen

destilado Volumen%VD ×=

( ) 100200

destilado Volumen%VD ×= (2)

3. Porcentaje de las fracciones destiladas

El porcentaje de las fracciones destiladas es con respecto al 100% destilado:

( ) 100C360ºadestiladoVolumen

CTº a destilado parcial Volumen%VPD CTº ×= (3)

Donde:

VPDTºC Volumen destilado a la temperatura TºC

G4.6 OBSERVACIONES 1. Mediante éste proceso de destilación se obtiene el disolvente y asfalto que el refinador

empleó en la fabricación del cut back.



2. Los ensayos sobre el residuo asfáltico no son necesariamente característicos del asfalto básico empleado originalmente para la obtención del producto, ni del residuo que pueda quedar al cabo de un tiempo dado después de la aplicación3

3. Se deben corregir las temperaturas de destilación si la altura del laboratorio se encuentra a partir de 150 m.s.n.m., según la siguiente tabla:

Tabla No. G4.1: Corrección de temperatura por altitud

Destilación de Asfalto Líquido ASTM D-402

Altitud

m.s.n.m. Temperaturas de lectura a diferentes altitudes

(ºC) -305 192 227 263 318 362 -152 191 226 261 317 361

0 190 225 260 316 360 152 189 224 259 315 359 305 189 224 258 314 358 457 188 223 258 313 357 610 187 222 257 312 356 762 186 221 256 312 355 914 186 220 255 311 354 1067 185 220 254 310 353 1219 184 219 254 309 352 1372 184 218 253 309 351 1524 183 218 252 307 350 1676 182 217 251 306 349 1829 182 216 250 305 349 1981 181 215 250 305 348 2134 180 215 249 304 347 2286 180 214 248 303 346 2438 179 213 248 302 345

G4.7 EJEMPLOS Ejemplo 1 Se ensayó una muestra de RC-250 con 0.958 gr/cm3 de peso específico. 1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr. 2. Cálculo del peso de la muestra:

Si , entonces: 3gr/cm 958.0Pe =inicialVolumen

muestra de PesoPe =

3 Destilación de Asfaltos Líquidos MTC E313-1999



Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando:

gr 6.191muestra de Peso

200958.0muestra de PesoVolumenPemuestra dePeso

=×=

×=

3. Peso de (A)+Peso de muestra = 621.6 gr. 4. Durante el ensayo las lecturas fueron:

Temperatura (ºC)

Volumen destilado (ml)

225 20.2 260 29.8 315 36.6 360 41.0

5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la

ecuación(1)

( )

( ) %5.79%R

100200

41200%R

=

×−

=

6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación (2)

( )

( ) %5.20%VD

10020041%VD

=

×=

7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la

ecuación (3)

Temperatura (ºC)

Fracciones destiladas (%)

225 20.2/41*100=49.3 260 29.8/41*100=72.7 315 36.6/41*100=89.3

Ejemplo 2 Se ensayó una muestra de MC con 0.923 gr/cm3 de Peso Específico 1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr.



2. Cálculo del peso de la muestra: Si , entonces: 3gr/cm 923.0Pe =

inicialVolumenmuestra de PesoPe =

Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando:

gr 6.184muestra de Peso200923.0muestra de Peso

VolumenPemuestrade Peso

=×=

×=

3. Peso de (A)+Peso de muestra = 614.6 gr. 4. Durante el ensayo las lecturas fueron:

Temperatura (ºC)

Volumen destilado (ml)

225 30.5

260 44.2

315 56.1

360 70.5

5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la

ecuación1

( )

( ) %8.64%R

100200

5.70200%R

=

×−

=

6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación 2

( )

( ) %2.35%VD

10020070.5%VD

=

×=

7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la

ecuación (3)

Temperatura (ºC)

Fracciones destiladas (%)

225 30.5/70.5*100=43.3



260 44.2/70.5*100=62.7 315 56.1/70.5*100=79.6

G4.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Carreteras, Calles y Aeropistas. Ing. Raúl Valle Rodas Destilación de Asfaltos Líquidos. ASTM D 402 Destilación de Asfaltos Líquidos. MTC E313-1999



G5 Diseño Granulométrico para Mezclas Asfálticas

G5.1 INTRODUCCIÓN Las mezclas asfálticas pueden denominarse densas, open-graded o gap-graded. Estas denominaciones dependen de la granulometría de la mezcla. Todo diseño de mezclas asfálticas parte del diseño de los agregados. Los agregados pueden proceder de diferentes canteras, la calidad de los materiales deberá ser evaluado en el laboratorio para verificar si cumple con las especificaciones técnicas. En esta guía se evaluará la granulometría de los agregados y su combinación para cumplir con las especificaciones de la mezcla. Si el lector desea revisar información respecto de los diferentes tipos de mezcla podrá remitirse al Capítulo 9 de este libro. G5.2 COMBINACIÓN DE AGREGADOS Son diferentes los métodos que se puedan emplear para la combinación de agregados, entre ellos está la dosificación de los agregados por peso y por métodos gráficos. El método gráfico no se describirá en esta parte del texto porque ya está descrito en el Capítulo 3, cuando se combinan los agregados para materiales de préstamos como son las bases, sub bases y afirmados. 1. Dosificación de los agregados por peso La fórmula básica es:

etc.Cc BbAaP ++= Donde:

P Porcentaje promedio de las especificaciones en un tamiz A, B, C, etc Porcentaje de material que pasa un tamiz para la granulometría A, B, C, etc a, b, c, etc Proporción de agregados A, B, C, etc. usado en la combinación. La suma es

1

Combinación de dos agregados BbAaP +=

Sabiendo que a+b=1, a=1-b; y reemplazando en la ecuación, se tiene:



BABPay

A-BA-Pb

−−

== ........(1)

Ejemplo 1 Determinar la dosificación de los dos agregados mostrados en la siguiente tabla, para que cumplan con la granulometría especificada.

Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 Agregado A 100 90 59 16 3,2 1,1 0 0 0 Agregado B 100 100 100 96 82 51 36 21 9,2 Especificaciones 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10

Solución Elija el tamiz que en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia de los agregados A y B, para el problema es el tamiz Nº8. Usando los porcentajes del tamiz Nº8 y reemplazando en la ecuación (1), se obtienen las proporciones:

50.02.3822.35.42b

A-BA-Pb

=−−

=

=

0.50a 1ba =⇒=+

Combinar los agregados en las proporciones encontradas para a y b.

Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº2000,50*A 50 45 29,5 8 1,6 0,55 0 0 0 0,50*B 50 50 50 48 41 25,5 18 10,5 4,6 Total 100 95 79,5 56 42,6 26,05 18 10,5 4,6 Promedio deseado 100 90 80 60 42,5 23,5 18 12 7

El porcentaje en el tamiz Nº200 está en el límite inferior, razón por la que debemos incrementar la proporción del agregado B a 0.55 y volver a calcular los valores combinados.

Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200



0,45*A 45,0 40,5 26,6 7,2 1,4 0,5 0 0 0 0,55*B 55,0 55,0 55,0 52,8 45,1 28,1 19,8 11,6 5,1 Total 100 95,5 81,6 60,0 46,5 28,5 19,8 11,6 5,1 Especificaciones 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 Se observa que el tamiz Nº30 está cerca del límite superior, debiendo reducir la proporción de B a 0.52 ó 0.53. Combinación de tres agregados Ejemplo 2 Asumiendo que se debe incorporar filler en la combinación, C, combinar los agregados presentados en la tabla.

Porcentaje que pasa

Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200Agregado A 100 90 59 16 3,2 1,1 0 0 0 Agregado B 100 100 100 96 82 51 36 21 9,2 Agregado C 100 100 100 100 100 100 98 93 82 Especificaciones 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10

Solución De la observación, el tamiz en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia entre los agregados A y B, es el Nº8. El agregado A tendrá que incrementarse en porcentaje en la Nº8. Calcular la proporción aproximada del agregado A, empleando la siguiente ecuación:

50.0a822.3825.42a

BABPa

=−−

=

−−

=

Se examina el porcentaje que pasa en el tamiz Nº200 cuyos valores se sustituyen en la ecuación principal.

82c9.2b0.507CcBbAaP++=

++=

y

0.50cb 0.50-1cb

=+=+



reemplazando y despejando, se obtiene: 0.47b 03.0c =⇒=

la dosificación resultante es: 50% del agregado A más 47% del agregado B y 3% del agregado C. G5.3 EJEMPLO DE DISEÑO GRANULOMÉTRICO DE MEZCLAS CONVENCIONALES Se tienen los siguientes materiales de cantera:

Tamiz % acumulado que pasa Pulg. mm Grava Arena Filler Espec. TMN ¾” 3” 75.0 2” 50.0 1 ½” 37.5 1” 25.0 100 100 ¾” 19.0 97.54 100 90-100 3/8” 9.5 3.62 96.79 56-80 Nº4 4.75 0.81 60.12 35-65 Nº8 2.375 0.81 38.93 23-49 Nº20 0.85 0.81 23.32 Nº40 0.425 0.81 14.95 Nº50 0.300 0.81 10.89 5-19 Nº100 0.150 0.81 4.52 Nº200 0.075 0.81 1.75 100 2-8 Cu 1.45 20.32 Cc 0.93 1.37 SUCS GP SW Cemento

La especificación corresponde a una mezcla de gradación densa de tamaño máximo nominal de ¾”. En la tabla 9.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515, del capítulo 9 de este libro podrá encontrar las especificaciones para diferentes tamaños máximos nominales.

Determinar el porcentaje de participación de cada granulometría de tal manera que cumpla con las especificaciones técnicas.



Dosificando por peso se obtiene que con 30% de grava, 65% de arena y 5% de filler se cumple con las especificaciones para TMN ¾”. En la siguiente tabla se muestran los porcentajes para cada uno de ellos:

Tamiz % acumulado que pasa Pulg. mm 30% grava 65% arena 5% filler

Σ Espec. TMN ¾”

3” 75.0 2” 50.0 1 ½” 37.5 1” 25.0 30 65 5 100 100 ¾” 19.0 29.26 65 5 99.26 90-100 3/8” 9.5 1.06 62.91 5 68.97 56-80 Nº4 4.75 0.24 37.87 5 43.11 35-65 Nº8 2.375 0.24 25.30 5 30.55 23-49 Nº20 0.85 0.24 15.16 5 20.40 Nº40 0.425 0.24 9.71 5 14.95 Nº50 0.300 0.24 7.08 5 12.32 5-19 Nº100 0.150 0.24 2.94 5 8.18 Nº200 0.075 0.24 1.14 5 6.38 2-8

Gráficamente se tendrá:

Rango para Mezcla Convencional de TMN 3/4"

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110100 ABERTURA (mm)

Rango superior

Rango inferior



G6 Estabilidad y Flujo Marshall

(Documento de Referencia: ASTM D-1559)

Procedimiento de Análisis y Compactación de Muestras G6.1 APLICACIÓN El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente, preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el diámetro del molde Marshall será de 101.6 mm (4 pulg.). Cuando el tamaño de la partícula excede los 2.5 cm (1 pulg.) se emplean moldes de 152.4 mm (6 pulg.), este procedimiento no es aplicable a ese tipo de muestras. G6.2 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de

extensión cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura aproximada de 76.2 mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser intercambiables. Ver Figura No. G6.1

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 total, cuya altura de caída es de 457.2 mm (18“). Ver Figura No. G6.2.

3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm de altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8 mm de lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El conjunto se deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la platina de acero quede horizontal.

4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de disco con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor.

5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal.

6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2”) de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en una base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía. Ver Figura No.G6.3 y G6.4.

7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de milímetro. Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza el ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. Ver Figura No.G6.4.



8. Prensa. Para llevar a la falla a la muestra, será mecánica con una velocidad uniforme de 50.8 mm/min.

9. Medidor de Estabilidad. La resistencia de la probeta en el ensayo se medirá con un anillo dinamométrico acoplado a la prensa, de 20 kN (2039 kgf) de capacidad, con una sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N (10 kgf) hasta 20 kN (2 039 kgf). Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm.

10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg. 11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC

(5 ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y muestra.

12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado termostáticamente para mantener la temperatura a 60º ± 1 ºC (140º ± 1.8 ºF), deberá tener un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las probetas por lo menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque.

13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el asfalto y agregado.

14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”), 9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 μm (Nº 50) y 75 μm (Nº 200).

15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las temperaturas del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la temperatura del baño de agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a 158ºF + 0.4ºF).

16. Balanza. Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr. Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr.

17. Parafina 18. Pirex de 500 cm3 19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente 20. Crayolas para identificar las probetas 21. Bandejas taradas 22. Espátulas Las fotos de la G6.1 a la G6.4 muestran el equipo básico que se necesita para el ensayo Marshall.



Figura No. G6.1 Conjunto de molde, placa base y collar.

COTAS EN m m

3.2

120.6

101.2

6.4

PLACA deBASE

MOLDE deCOMPACTACION

COLLAR39.8

87.3

4.8

114.3

104.8

109.1

108.7

114.3

101.60 ± 0.136.

4 7.1

Ø 108.7

Ø 109.1

Detalle A Detalle A

Detalle A



Figura No. G6.2: Martillo de compactación Marshall

Ø 44.9

Ø 98.4

PASADOR ROSCADO

PARTES ROSCADO57.1

15.8

(2d)BASE

Ø 34.1

9.544.4

15.9

57.1

46.9

15.9

CASQUILLO(2d)

12.7

GUIAS DE MUELLE(2e)

12.7

15.93.73.6

196.

3VARILLA DE GUIA

(2b)

816

36.112.7

15.9

TUERCA BIEN APRETADA Y REMACHADA

(2f)

PROTECTOR DE DEDOS

75.9

10.0

75.9

5.0

44.4

(2c)

PISONPeso 605 g.

12.7

114.3 190.5

304.8

44.4

17.5

Ø 75.9

Ø 63.5

Peso 605 g.MANGO

(2g)

19

63.5

9.5

50.8

739.

7



Figura No. G6.3: Mordaza Marshall

76.4

PLANTA

20

4

45°

11.513

7.31.

3

9.5 63.3

50.86

28.7

6

11

20

27

50.8

63.3

6481

10

8.2



Figura No. G6.4: Dispositivo de ensayo de la probeta y mordazas

G6.3 PROCEDIMIENTOS PREVIOS

4

12

15

650

5 5

1

Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla: Paso A: Evaluación de agregados A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los sulfatos, equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y chatas y alargadas.



A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción. A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la combinación de agregados. Paso B: Evaluación del cemento asfáltico B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear, según el tipo y ubicación geográfica del proyecto, verificar que las propiedades especificadas sean aceptables. B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y del filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta de Viscosidad). B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad.

1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de viscosidad de 170±20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s).

2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280±30 centistokes

Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC, separarlos por tamizado en las mallas sugeridas:

1” a ¾” ¾” a 3/8” 3/8” a Nº4 Nº4 a Nº8 Pasa Nº8

Fijada la composición en tanto por ciento de cada árido para obtener la granulometría total de la mezcla que se desea, se calcula el peso necesario de cada uno de ellos para realizar el amasado de 18 especimenes, aproximadamente 1150 gr. en cada uno, un total de 22 kg y un galón de cemento asfáltico. C.2 Pese los agregados para cada especímen por separado y caliéntelos a la temperatura de mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3.



Foto No. G6.1: Máquina de estabilidad Marshall con anillo de carga



Foto No.G6.2: Este conjunto muestra la placa de base plana, molde y collar de extensión del molde de compactación, Martillo de compactación y

Pedestal de compactación.



Foto No.G6.3: Para extraer la probeta compactada del molde se requiere el extractor de muestras de asfaltos.

Foto No.G6.4: Martillo de compactación



Foto No.G6.5: Mordaza para rotura de especimenes Marshall C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y verifique la altura requerida del especímen Marshall: 63.5 ± 5.1 mm (2.5 ± 0.20 pulg.). Si el especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula:

gr 1150hhQ1

×=

Donde: Q Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr. h Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg. h1 Altura del especímen de prueba, mm (pulg)

C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar 18 especimenes; tres especimenes compactados por cada porcentaje de contenido de asfalto, los incrementos porcentuales de asfalto son de 0.5% con por lo menos dos contenidos antes y después del Optimo Contenido de Asfalto. A tres mezclas cerca al óptimo contenido de asfalto se les mide la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica (TMD). Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe agitar frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos. C.5 De acuerdo a las especificaciones se determina el número de golpes por cara para la compactación Marshall.



C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada.

asfáltico cemento Peso árido Pesoasfáltico cemento Pesoasfáltico Cemento %

+=

C.7 Mezclar el cemento asfáltico y agregados hasta que éstos estén totalmente cubiertos. La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente. Cuando la mezcla requiera filler, éste se agregará luego que los agregados estén cubiertos por el ligante. C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura de compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva muestra. C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de agua a una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar el material del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente mas alto que los bordes. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo precalentado dentro del molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la altura de caída del martillo es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde durante la compactación. C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo junto con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados. C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el extractor de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo, aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el collar del espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana, dejarlo de pie para que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con códigos alfanuméricos usando Crayolas. C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen.

Pesar el especímen al aire. Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada superficialmente seca (SSD) en el agua.



Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el aire. Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será:

subSSD

Dmb W W

WG−

=

Donde:

Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WSSD Peso del especímen en su condición SSD en el aire Wsub Peso del especímen sumergido

Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá en cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio

Peso Específico Bulk ± 1%

Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales, pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos encontrar en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La fórmula empleada será:

subD

Dmb W W

WG−

=

Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire Wsub Peso del especímen sumergido

El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico bulk viene dado por la fórmula:

p

DpDppsubpD

Dmb WW

-W - W

WG

γ

−=



Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WpD Peso del especímen parafinado en al aire Wppsub Peso del especímen parafinado en el agua γp Peso específico de la parafina

Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en un recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los puntos mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el aire a la temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua3. C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados. Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades específicas Rice. En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y aparente de los componentes de la mezcla:

Cfiller %

Bfino %

Agrueso %

asfaltoGasfalto %

100G

sa

mm+++

=

Siendo:

2GG

A sasb += , para el agregado grueso

2GG

B sasb += , para el agregado fino

2GG

C sasb += , para el filler

3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC E506-1999



Donde: Gsb Gravedad específica bulk Gsa Gravedad específica aparente

Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes pasos: D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de la mezcla, VTM.

100GG-1VTM

mm

mb ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue:

wmb3 G)(g/cm Densidad δ×=

D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido de asfalto por peso de mezcla total (Pb)

( ) 100G

P1G-1VMAsb

bmb ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando el VTM y VMA como sigue:

100VMA

VTM-VMAVFA ×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo E.1 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados por un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada para que todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser ensayados. E.2 Se limpian perfectamente las superficies interiores de las mordazas de rotura y se engrasan las barras guía con una película de aceite de manera que la mordaza superior se



deslice libremente. Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez, quitarles el exceso de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la mordaza Marshall. E.3 Colocar el medidor de flujo sobre la barra guía marcada y compruebe la lectura inicial. Aplicar la carga a una velocidad de deformación de 2 pulg/min (50.8 mm/minuto) hasta que ocurra la falla, es decir, cuando se alcanza la máxima carga y luego disminuye según se lea en el dial respectivo. El punto de rotura se define como la carga máxima obtenida y se registra como el valor de estabilidad Marshall, expresado en Newtons (lbf). Mientras se está determinando la estabilidad se mantiene firmemente el medidor de deformación en su posición sobre la barra guía; libérese cuando comience a decrecer la carga y anote la lectura. Este será el valor del “flujo” para la muestra expresado en centésimas de pulgada. Por ejemplo si la muestra se deformó 3.8 mm(0.15”) el valor de flujo será de 15. Este valor expresa la disminución de diámetro que sufre la probeta entre la carga cero y el instante de la rotura.flujo en 0.01 pulgadas (0.25 mm). El ensayo se realiza en un minuto contados desde que se saca el especímen del baño. E.4 Repita los pasos E.2 y E.3 hasta que todos los especimenes sean ensayados.

1. El tiempo total transcurrido entre sacar el especímen del baño y aplicar la carga es de 60 segundos como máximo.

2. El tiempo total en el agua de baño para cada juego de tres especimenes es entre 30 a 40 minutos.

Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo F.1 Tabule los resultados de ensayo, corrija los valores de estabilidad para cada especímen (ASTM D1559), y calcule el promedio de cada tres juegos de especimenes. F.2 Grafique:

1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso) 2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall 3. Contenido de asfalto Vs. Flujo 4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM 5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA

F.3 Revise la tendencia de cada gráfico:

1. La estabilidad versus el contenido de asfalto puede tener dos tendencias: 1.1 La estabilidad crece a medida que el contenido de asfalto aumenta,

alcanza un pico y luego decrecer. 1.2 La estabilidad decrece a medida que el contenido de asfalto aumenta y no

presenta un pico. Esta curva es común en mezclas asfálticas en caliente recicladas.

2. El flujo crece con el incremento del contenido de asfalto.



3. La densidad crece con el incremento de asfalto, alcanzo un pico, y luego decrece. La densidad pico usualmente ocurre a un contenido de asfalto mayor que la estabilidad pico.

4. El porcentaje de vacíos de aire decrecerá con el crecimiento del contenido de asfalto.

5. El porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA, decrece con el crecimiento del contenido de cemento asfáltico, alcanza un mínimo, y luego crece.

6. El porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA, crece con el incremento de asfalto.

Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14

1. El contenido de asfalto corresponderá al contenido de vacíos especificado (por lo general 4%). Este es el óptimo contenido de asfalto.

2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: 2.1 Estabilidad Marshall 2.2 Flujo 2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA

3. Compare cada uno de estos valores con las especificaciones, si se verifican todos los valores, el óptimo contenido de asfalto será el elegido. Si alguno de estos valores estuviera fuera del rango la mezcla deberá ser rediseñada.

Método 2.- Método del Instituto del Asfalto en MS-2

1. Determine: (a) contenido de asfalto en la estabilidad máxima (b) contenido de asfalto en la densidad máxima (c) contenido de asfalto en el punto medio del rango de volúmenes de aire especificado (4% típicamente)

2. Promediar los tres contenidos de asfaltos seleccionados 3. Para el promedio del contenido de asfalto, vea la curva ploteada y determine las

siguientes propiedades: 3.1. Estabilidad Marshall 3.2. Flujo 3.3. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 3.4. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA

4. Comparar los valores del paso 3 con los criterios de aceptación del siguiente cuadro:



Criterio de Diseño Marshall para Superficies y Bases

Tráfico Ligero Medio Pesado Diseño de Mezclas

Método Marshall Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Compactación Nº golpes/cara 35 50 75

Estabilidad, lb(N) 750 (333) 1200 (5333) 1800 (8000) Flujo

0.01 Pulg (0.25 mm) 8 18 8 16 8 14

Vacíos de aire, % 3 5 3 5 3 5 Vacíos en el

agregado mineral Ver el gráfico siguiente Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May 1984

Relaciones entre Vacíos en el Agregado Mineral y Tamaño Máximo con el criterio de carga sobrepuesta

Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Types, The Asphalt Institute, MS-2, May 1984

1Standard Specifications for Wire Cloth Sieves for Testing Purposes, ASTM Designation EII (AASHTO Designation M92). 2Para agregados chancados el tamaño máximo nominal es mayor que el tamaño del tamiz indicado en las especificaciones sobre el cual el material está retenido. 3Para mezclas con 1% de tolerancia sólo serán permitidas cuando la experiencia indique que se comportarán adecuadamente y cuando todos los demás criterios se hayan verificado.



G.2 Encontrar el criterio de falla para alguna propiedad requerida es un trabajo especial para determinar la mezcla que será empleada en la construcción. Si el criterio VMA no puede hallarse, la gradación del agregado debe modificarse y volver a diseñar la mezcla. G6.4 OBSERVACIONES 1. Este método está limitado al proyecto y control de mezclas asfálticas elaboradas en planta estacionaria, en caliente, empleando cemento asfáltico. 2. Con el ensayo Marshall se determina la estabilidad y el flujo de mezclas asfálticas cilíndricas, ensayadas a 60º C. 3. El valor de estabilidad se determina midiendo la carga necesaria para producir la falla del espécimen, aplicada en sentido normal al eje. 4. La deformación vertical producida en el espécimen por dicha carga será el valor del flujo. El valor de estabilidad expresa la resistencia estructural de la mezcla compactada, y está afectado principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo de agregado. 5. El valor de flujo representa la deformación requerida para producir la fractura. Este valor es una indicación de la tendencia de la mezcla para alcanzar una condición plástica, y consecuentemente de la resistencia que ofrecerá la carpeta asfáltica a deformarse bajo la acción de las cargas impuestas por los vehículos. G6.5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS • Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por

Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998 • Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using

Marshall Apparatus. ASTM D1559-89 • Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999 • Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute,

MS-2, May 1984 • Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and

Education Foundation 1996



G6.6 EJEMPLOS Ejemplo 1: Diseño de Mezclas Agregados Tamizar los agregados

Combinar 4 tipos de agregados para que cumplan con las especificaciones:

Porcentaje que pasa Tamiz Nº 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº16 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200

Agregado Número 1 100 89 3 1 1 1 1 1 0.1 Agregado Número 2 100 100 58 10 8 5 4 3 2.2 Agregado Número 3 100 100 99 81 71 46 26 15 10.0 Agregado Número 4 100 100 100 99 94 86 68 18 2.5

Especificaciones 100 95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39 8-25 2-8

Determinar el porcentaje de cada agregado a ser usado para que cumpla con las especificaciones. El cálculo se muestra en la siguiente tabla:

Tamaño del tamiz Porcentaje 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº16 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200

Combinación 1 Nº 1

(25%) 25 22 1 0 0 0 0 0 0,0

Nº 2 (25%) 25 25 15 3 2 1 1 1 0,6

Nº 3 (25%) 25 25 25 20 18 12 7 4 2,5

Nº 4 (25%) 25 25 25 25 24 22 17 5 0,6

Total 100 97 65 48 44 35 25 9 3,7 Especif. 100 95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39 8-25 2-8

Combinación 2 Nº 1

(25%) 25 22 1 0 0 0 0 0 0,0

Nº 2 (15%) 15 15 9 2 1 1 1 0 0,3

Nº 3 (35%) 35 35 35 28 25 16 9 5 3,5

Nº 4 (25%) 25 25 25 25 24 22 17 5 0,6

Total 100 97 69 55 50 39 27 10 4,5 Especif. 100 95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39 8-25 2-8



La combinación de agregados se determina por cualquiera de los métodos conocidos, resultando 25% del agregado Nº1; 15% del agregado Nº2; 35% del agregado Nº3; y 25% del agregado Nº4.

La gravedad específica bulk de la combinación de agregados (Gsb) es 2.620 La gravedad específica del cemento asfáltico se calculo y es 1.030 Aproximadamente 20 especimenes de agregados fueron preparados usando las

proporciones calculadas La combinación de agregados fueron calculados a la temperatura especificada en ASTM

D1559 para el método Marshall. El peso total de cada especímen será suficiente para preparar especimenes con 4” de diámetro y 2 ½” de altura.

Diseño de mezclas Marshall

Las muestras calientes de agregados se mezclan con una cantidad de cemento asfáltico por encima y debajo del óptimo contenido de asfalto

Los especimenes se compactan con 75 golpes en cada lado con el martillo Marshall Se preparan tres muestras para cada porcentaje de cemento asfáltico. Se preparan un

total de 18 especimenes Luego de compactar las muestras se extraen los moldes y se dejan enfriar. Las

muestras se pesan secadas al aire (WD), dejar empapar por tres minutos en agua y pesarlas sumergidas en agua (Wsub), retirarlas del agua, secarlas y pesar en el aire (WSSD)

La gravedad especifica bulks de la muestra Gmb se determina por:

subSSD

Dmb W W

WG−

=

El volumen de la muestra en ml es igual a WSSD-Wsub cuando el peso está en gramos. La densidad bulk (γ) de la muestra en pcf es:

wmbG δ×=γ Los siguientes cálculos se hacen para la muestra 1 de 5.0% de contenido de asfalto

253.2650.7 1169.0

1167.8Gmb =−

=

La densidad del especímen es: 3gr/cm 253.21253.2 =×=γ

Los vacíos totales de la mezcla (VTM) se determinaron para cada muestra comparando el promedio de la densidad bulk para cada contenido de asfalto de la densidad teórica máxima (TMD). El método más común para determinar el TMD es el método Rice especificado en ASTM D2041. El VTM se determinó con la siguiente ecuación:



100GG-1VTM

mm

mb ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= , ó

100TMD

especimen del bulk densidad-1VTM ×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Para este problema, el promedio de tres muestras para el contenido de asfalto de 5.0% tuvo una densidad bulk de 2.252 gr/cm3 y el TMD para esta muestra fue determinada en 2.454 gr/cm3. La VTM es entonces:

%2.8100454.2252.2-1VTM =×⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

Los vacíos del agregado mineral (VMA) se determinan por las siguientes ecuaciones para el contenido de asfalto del 5%:

( ) ( ) %3.18100620.2

05.01252.2-1100G

P1G-1VMA

sb

bmb =×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

Los vacíos llenos con asfalto (VFA) ser determinaron:

%2.5510018.3

8.2-18.3100VMA

VTM-VMAVFA =×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=×⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

Luego que las muestras fueron pesadas en el aire y agua y todos los cálculos hechos, las muestras fueron ensayadas en la prensa. La carga de falla se expresa en libras y el flujo se determina para 0.01 pulgadas (0.25 mm) para el primer pico de carga. La medida de estabilidad es la actual carga medida, y la estabilidad corregida incluye una corrección por volumen de especímen. Para este diseño todos los volúmenes estuvieron en el rango requerido (ASTM D1559), sin necesitar corrección. Luego de llenar todos los datos, graficar las relaciones para las diferentes relaciones de propiedades y contenidos de asfalto. Las propiedades comúnmente graficadas son: peso unitario, estabilidad Marshall, flujo, vacíos en la mezcla total, vacíos llenos con cemento asfáltico, y vacíos en el agregado mineral. Ahora se selecciona el óptimo contenido de asfalto para las especificaciones del proyecto. Para este diseño de mezcla las especificaciones se muestran en el siguiente cuadro:



Propiedades de ensayo Especificaciones del proyecto Estabilidad Marshall lbs (N) 1500 (6667) min Flujo 0.01” (0.25 mm) 8 – 16 Vacios totales en la mezcla (%) 3 – 5 Vacios llenos de asfalto (%) 70 – 80

Evaluaremos el contenido de asfalto de acuerdo a los dos métodos planteados en el paso G:

Método 1 Un procedimiento usado es el recomendado por la NAPA. De las gráficas que se mostrarán, se considera el óptimo contenido de asfalto para la media del porcentaje de vacíos de la mezcla total de las especificaciones (4%). Este contenido de asfalto se usa para determinar los valores de estabilidad Marshall, VMA, flujo y porcentaje de vacíos llenos. Cada uno de estos valores se compara con los valores especificados; si todos están en el rango se acepta el contenido de asfalto como el óptimo al 4% de vacíos, en caso contrario. Si algunos de estos valores están fuera del rango de especificaciones, la mezcla tiene que ser rediseñada. En el ejemplo, para 4% de vacíos se tiene 6.9% de contenido de asfalto, con este valor se comparan los datos obtenidos de cada gráfico.

Propiedades de ensayo Especificaciones

del proyecto Resultado Condición

Estabilidad Marshall lbs (N) 1500 (6667) min 2750 lbs (12222 N) Aceptado Flujo 0.01” (0.25 mm) 8 – 16 14 Aceptado VMA (%) No se requiere 18.6 ------ Vacíos llenos de asfalto (%) 70 – 80 79 Aceptado

Método 2 El segundo método usado considera como óptimo contenido de asfalto al que proporciona la máxima estabilidad Marshall, máximo peso unitario, y 4% de vacíos en el total de la mezcla (media de las especificaciones). Por lo tanto, para los datos encontrados los siguientes contenidos de asfalto son seleccionados:

Propiedades Contenido de asfalto seleccionado

Pico de la curva de estabilidad 6.5 Pico de la curva de peso unitario 6.8 4% Volumen total de mezcla 6.9

Promedio 6.7




Los tres contenidos de asfalto se promedian para determinar el óptimo contenido de asfalto. Las propiedades de la mezcla deben ser evaluadas para asegurar que las especificaciones requeridas se encuentran en 6.7% del contenido de asfalto.

Propiedades Especificaciones del proyecto Resultado Condición

Estabilidad Marshall lbs (N) 1500 (6667) min 2775 lbs (12333 N) Aceptado Flujo 0.01” (0.25 mm) 8 – 16 13.6 Aceptado VTM (%) 3 - 5 4.2 Aceptado

De acuerdo con los resultados anteriores el óptimo contenido de asfalto seleccionado es de 6.7%. Una dificultad con este segundo método para diferentes contenidos de asfalto es que no todas las muestras tienen los gráficos como los del ejemplo. De hecho, algunas mezclas que contienen 75-100% de partículas fracturadas no muestran picos en la curva de densidad, haciendo imposible aplicar ésta metodología.



Ejemplo Nº1

1A 1B 1C 2A 2B 2C 3A 3B 3C 4A 4B 4C 5A 5B 5C 6A

1 % C.A. EN PESO DE LA MEZCLA 5.00 5.00 5.00 5.50 5.50 5.50 6.00 6.00 6.00 6.50 6.50 6.50 7.00 7.00 7.00 7.50

2 PESO ESPECIFICO BULK DE LA COMBINACION DE AGREGADOS

3 PESO DE LA BRIQUETA AL AIRE (gr) WD 1167.80 1164.90 1165.10 1166.40 1179.00 1169.40 1170.40 1181.10 1187.30 1174.20 1185.30 1182.30 1177.50 1183.40 1192.80 1181.90

4PESO DE LA BRIQUETA EN EL AIRE (gr)condición Saturada Superficialmente Seca WSSD 1169.00 1166.20 1167.00 1167.50 1180.60 1171.00 1171.00 1181.90 1189.00 1174.70 1186.00 1182.90 1177.90 1183.60 1193.30 1182.30

5PESO DE LA BRIQUETA EN EL AGUA (gr)condición Saturada Superficialmente Seca Wsub 650.70 647.00 651.00 652.40 661.40 650.90 656.70 664.70 670.90 661.60 667.70 667.70 663.00 665.40 675.70 663.30

6 VOLUMEN DE LA BRIQUETA (gr) 518.30 519.20 516.00 515.10 519.20 520.10 514.30 517.20 518.10 513.10 518.30 515.20 514.90 518.20 517.60 519.00

7 PESO ESPECIFICO BULK DE LA BRIQUETA gr/cm3 Gmb 2.253 2.244 2.258 2.264 2.271 2.248 2.276 2.284 2.292 2.288 2.287 2.295 2.287 2.284 2.304 2.277

8 PESO ESPECIFICO TEORICA MAXIMA, RICE 2.454 2.454 2.454 2.444 2.444 2.444 2.425 2.425 2.425 2.402 2.402 2.402 2.380 2.380 2.380 2.357

9 % VACIOS TOTALES EN LA MEZCLA(VTM) 8.2 8.6 8.0 7.3 7.1 8.0 6.1 5.8 5.5 4.7 4.8 4.5 3.9 4.0 3.2 3.4

10 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.) 18.3 18.6 18.1 18.3 18.1 18.9 18.4 18.1 17.8 18.3 18.4 18.1 18.8 18.9 18.2 19.6

11 % ASFALTO ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA) 55.4 54.1 56.0 59.9 60.9 57.7 66.5 67.8 69.1 74.2 73.9 75.3 79.3 78.7 82.6 82.7

12 ESTABILIDAD SIN CORREGIR 2400 2630 2560 2520 2690 2650 2620 2710 2980 2800 2730 2900 2820 2730 2790 2650

13 ESTABILIDAD CORREGIDA

14 Peso Unitario (gr/cm3)

15 Flujo (0.001 Pulg.) 11.00 11.00 12.00 11 12.00 13 13.00 13 12.00 12 13 14 14 14 15 16

16 Flujo (0.001 Pulg.) promedio

17 % VACIOS TOTALES DE LA MEZCLA (VTM)

18 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.)

19 % ASF. ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA) Prom

2780

11 12 13 13 14

RESULTADOS DE ENSAYO PARA EL DISEÑO DEMEZCLAS POR EL METODO MARSHALL

2.252 2.261 2.284 2.290 2.292

2530 2620 2770

2.620

BRIQUETA N°

55.2 59.5 67.8 74.4 80.2

2810

2.620 2.620 2.620 2.620

18.1 18.3

5.8 4.78.2 7.5

18.4 18.4

3.7

18.7


DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA MÉTODO DE LA NAPA

DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA MÉTODO DE L INSTITUTO DEL ASFALTO

FLUJO VS. % DE ASFALTO

10

11

12

13

14

15

16

17

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

FLU

JO (0

.01"

)

14

6,9

ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO

2400

2450

2500

2550

2600

2650

2700

2750

2800

2850

2900

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

ESTA

BIL

IDA

D (L

b)

2750

6,9

PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO

2.230

2.240

2.250

2.260

2.270

2.280

2.290

2.300

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

PESO

ESP

ECIF

ICO

(gr/c

m3)

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

.0

OLU

MEN

LLE

NO

CO

N A

SFA

LTO

VF

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO

15.0

16.0

17.0

18.0

19.0

20.0

21.0

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

A

VAC

IOS

VTM

(%)

40.04.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8

ASFALTO (%)

V

7918,6

(%)

6,9 6,9

4,0

6,9





2.230

2.240

2.250

2.260

2.270

2.280

2.290

2.300

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

PESO

ESP

ECIF

ICO

(gr/c

m3)


2400

2450

2500

2550

2600

2650

2700

2750

2800

2850

2900

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

ESTA

BIL

IDA

D (L

b)

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

VAC

IOS

VTM

(%)


40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

ASFALTO (%)

6,7

2775

77

6,7

6,7

4,2


10

11

12

13

14

15

16

17

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

ASFALTO (%)

FLU

JO (0

.01"

8.0

)

13,6

6,7


15.0

16.0

17.0

18.0

19.0

20.0

21.0

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

ASFALTO (%)

8.0

6,7

18,5


Ejemplo 2 Diseño de Mezclas Paso A: Evaluación de Agregados A.1 Requisitos de calidad de agregados para Mezclas Asfálticas

Ensayo DatosDurabilidad 8.6% Abrasión 18.6% Partículas Chatas y Alargadas 1.9% Equivalente de arena 68% Adherencia (% retenido) +95 Riedel Weber Grado 4

A.2 Si cumple con el control de calidad realizar la combinación de agregados, que cumpla con las especificaciones técnicas del proyecto. De la combinación se emplearán 45% de agregado grueso y 55% de agregado fino, de una cantera que cumple con las especificaciones. A.3 Calcular la gravedad específica bulk del agregado grueso (ASTM C127); agregado fino (ASTM C128). Calcular la gravedad específica de la combinación de agregados. Datos: Gravedad específica bulk (Gsb): Agregado grueso 2.692 Agregado Fino 2.712 De la combinación de agregados:

703.2

712.255.0

692.245.0

55.045.0G =+

+=

A.4 Calcular la gravedad específica aparente del agregado grueso (ASTM C127); agregado fino (ASTM C128). Calcular la gravedad específica aparente de la combinación de agregados Datos: Gravedad específica aparente (Gsa): Agregado grueso 2.765 Agregado Fino 2.752 De la combinación de agregados:

758.2

752.255.0

765.245.0

55.045.0G =+

+=

Paso B: Evaluación del Cemento Asfáltico B.1 El cemento asfáltico a emplear tiene penetración 60-70, elegido por el tipo y ubicación geográfica del proyecto. Verificar que sus propiedades serán aceptables.



B.2 La gravedad específica del cemento asfáltico (ASTM D70) es 1.000. B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad. Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall C.1 Cálculo del peso de los agregados.

Agregado grueso: 45% x 1150 gr. = 517.5 gr. Nota.- Calcular el peso de cada tamiz de acuerdo al porcentaje retenido del análisis granulométrico. Todos esos pesos deben sumar 517.5 gr.

Agregado fino : 55% x 1150 gr. = 632.5 gr. Nota.- El agregado fino se peso en conjunto.

C.2 Cálculo del peso de asfalto Los especimenes serán ensayados con los siguientes porcentajes de asfalto: 4.0; 4.5; 5.0; 5.5; 6.0 y 6.5. El peso de asfalto para cada uno de los porcentajes en especimenes de 1150 gr., es:


+=

Para 4.0% gr 9.470.96

11504.0 asfáltico cemento Peso =×

=

Para 4.5% gr 2.545.95


=

Para 5.0% gr 50.600.95


=

Para 5.5% gr 90.665.94


=

Para 6.0% gr 40.730.94


=

Para 6.5% gr 9.795.93


=

C.3 Realizar el ensayo de acuerdo a las especificaciones y método. Completar la información solicitada de la Hoja 1: Información Básica C.4 Determine la gravedad específica bulk de cada especimen, una vez enfriadas a la temperatura ambiente, según AASHTO T 166. Los especimenes fueron de textura abierta y permeable. Se empleará el segundo método para determinar Gmb (ver paso C.12 de la Preparación de Especimenes Marshall)



p

DpDppsubpD

Dmb WW

-W - W

WG

γ

−=

Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WpD Peso del especímen parafinado al aire Wppsub Peso del especímen parafinado en agua γp Peso específico de la parafina, 0.85 WpD- Wppsub Volumen del especímen parafinado WpD- WD Peso de la parafina

p

DpD WWγ

− Volumen de la parafina

Ejemplo, especímen Nº1

317.2G

95.5201207.30

10.35-531.301207.30

85.08.8-531.30

1207.30G

85.030.12071216.10-531.30

1207.30G

85.030.12071216.10-684.80 - 1216.10

1207.30G

mb

mb

mb

mb

=

===

−=

−=

C.5 Calcular la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica, según la norma AASHTO T209. Empleando la fórmula se obtendrá para el especímen Nº1, lo siguiente:

Cfiller%

B%fino

A%grueso

asfalto G%asfalto

100G

sa

mm+++

=

Agregado grueso 728.22

765.2692.22

GGA sasb =

+=

+=

Agregado fino 732.22

752.2712.22

GGB sasb =

+=

+=



554.2

2.73252.80

2.72843.20

1.04.0

100Gmm =++

=

Verificaciones Se deberán cumplir todas las consideraciones, ver hoja Nº3 1º Gravedad específica aparente > Gravedad específica efectiva > Gravedad específica bulk

b

b

mm

mix

sse

GP

GP

PG−

=

Para los especimenes 1; 2 y 3, con 4% de cemento asfáltico

730.2

0.14

553.2100

4100Gse =−

−=

758.2Gsa = 703.2Gsb =

703.2730.2758.2GGG sbsesa

>>>>

2º Calcular la gravedad específica teórica máxima con la siguiente ecuación:

554.2G

10024.9100

2.317G

100VTM100

GG

mm

mm

mbmm

=

×−

=

×−

=

3º Calcular los vacíos en el agregado mineral, VMA

( )

70.17VMA703.2

317.252.843.2100VMA

GG%agreg

100VMAsb

mb

=

×+−=

×−=

Paso D: Densidad y Vacío de los Especimenes D.1 Calcular para cada especímen el porcentaje de vacíos del total de la mezcla, VMA



25.9VTM

100553.2

2.317-1VTM

100GG

-1VTMmm

mb

=

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=


317.21317.2

G wmb

=γ×=γδ×=γ

D.3 Calcular el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA

( )

( )

%7.17VMA

100703.2

04.01317.2-1VMA

100G

P1G-1VMAsb

bmb

=

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

D.4 Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto

%8.47VFA

10017.7

9.24-17.7VFA

100VMA

VTM-VMAVFA

=

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Ejecutar el ensayo de acuerdo a lo especificado, ver Hoja Nº4. El factor de estabilidad es el número que corrige la estabilidad en especimenes con alturas diferentes de 2.5”. Este factor se obtiene del siguiente cuadro:



Volumen de la muestra cm3

Altura aproximada de la muestra cm

Factor de corrección

200-213 2.54 5.56 214-225 2.70 5.00 226-237 2.86 4.55 238-250 3.02 4.17 251-264 3.18 3.85 265-276 3.34 3.57 277-289 3.49 3.33 290-301 3.65 3.03 302-316 3.81 2.78 317-328 3.97 2.50 329-340 4.13 2.27 341-353 4.29 2.08 354-367 4.45 1.92 368-379 4.61 1.79 380-392 4.76 1.67 393-405 4.92 1.56 406-420 5.08 1.47 421-431 5.24 1.39 432-443 5.40 1.32 444-456 5.56 1.25 457-470 5.72 1.19 471-482 5.87 1.14 483-495 6.03 1.09 496-508 6.19 1.04 509-522 6.35 1.00 523-535 6.51 0.96 536-546 6.67 0.93 547-559 6.83 0.89 560-573 6.99 0.86 574-585 7.14 0.83 586-598 7.30 0.81 299-610 7.46 0.78 611-625 7.62 0.76

Paso F: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Graficar las curvas:

1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso) 2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall 3. Contenido de asfalto Vs. Flujo 4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM 5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA




Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14

1. Determine el contenido de asfalto correspondiente a la medida especificada del contenido de vacíos (4% típicamente). Este es el óptimo contenido de asfalto.

2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: 2.1 Estabilidad Marshall 2.2 Flujo 2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA

3. Compare cada uno de estos valores de especimenes y si todos tiene el rango especificado, entonces el óptimo contenido de asfalto determinado es satisfactorio. Si algunas de estas propiedades están fuera del rango de especificaciones, la mezcla debe ser rediseñada.

G6.7 Referencias Bibliográficas 1. Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por

Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998 2. Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using

Marshall Apparatus. ASTM D1559-89 3. Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999 4. Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute,

MS-2, May 1984 5. Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and

Education Foundation 1996



Hoja1 : Información Básica

% asfalto en la mezcla 4.00 4.0 4.5 5.0% agregado grueso 45% (100-4,0) 43.2 43.0 42.8

% agregado fino 55% (100-4,0) 52.8 52.5 52.3% filler 0% (100-4,0) 0.0 0.0 0.0

Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 91 % Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb) 4.00 4.00 4.00 4.50 4.50 4.50 5.00 5.00 5.002 % Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps) 43.2 43.2 43.2 43.0 43.0 43.0 42.8 42.8 42.83 % Agregado fino en peso de la mezcla (Ps) 52.8 52.8 52.8 52.5 52.5 52.5 52.3 52.3 52.34 % filler en peso de la mezcla (Ps) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.05 Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.0006 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.6927 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.7128 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0009 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765

10 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.75211 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00012 Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso.

A=(6+9)/2 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.72913 Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino.

B=(7+10)/2 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.73214 Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00015 Altura promedio del especimen (cm) 6.50 6.51 6.48 6.47 6.51 6.50 6.41 6.42 6.3116 Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados

G=2+3+4 2+ 3+4 6 7 8 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703

17 agregadosG=2 + 3 + 4 2 + 3 + 4 9 10 11 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758



Hoja1 : Información Básica

5.5 6.0 6.542.5 42.3 42.152.0 51.7 51.4

0.0 0.0 0.0Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 18

1 % Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb) 5.50 5.50 5.50 6.00 6.00 6.00 6.50 6.50 6.502 % Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps) 42.5 42.5 42.5 42.3 42.3 42.3 42.1 42.1 42.13 % Agregado fino en peso de la mezcla (Ps) 52.0 52.0 52.0 51.7 51.7 51.7 51.4 51.4 51.44 % filler en peso de la mezcla (Ps) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.05 Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.0006 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.6927 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.7128 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0009 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765

10 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.75211 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00012 Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso.

A=(6+9)/2 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.72913 Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino.

B=(7+10)/2 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.73214 Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00015 Altura promedio del especimen (cm) 6.32 6.32 6.31 6.29 6.25 6.29 6.37 6.31 6.3216 Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados

G=2+3+4 2+ 3+4 6 7 8 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703

17 agregadosG=2 + 3 + 4 2 + 3 + 4 9 10 11 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758



Hoja2 : Gravedades Específicas0.85

Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 918 Peso del especímen al aire, gr. WD 1207.3 1209.4 1203.0 1203.7 1204.8 1203.3 1208.5 1208.0 1207.019 Peso en el aire del especímen parafinado, gr. WpD 1216.1 1217.7 1213.2 1211.6 1213.9 1211.2 1218.6 1211.2 1214.820 Peso en el agua del especímen parafinado, gr. Wppsub 684.8 688.5 681.5 688.2 685.4 685.1 700.5 693.1 699.121 Volumen del especímen parafinado, WpD-Wppsub. (19-20) 531.3 529.2 531.7 523.4 528.5 526.1 518.1 518.1 515.722 Peso de la parafina, WpD-WD. (19-18) 8.8 8.3 10.2 7.9 9.1 7.9 10.1 3.2 7.823 Volumen de la parafina (22/ ) 10.35 9.76 12.00 9.29 10.71 9.29 11.88 3.76 9.1824 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23) 520.95 519.44 519.70 514.11 517.79 516.81 506.22 514.34 506.5225 Gravedad específica seca bulk del especímen

2.318 2.328 2.315 2.341 2.327 2.328 2.387 2.349 2.38326 Gravedad específica teórica máxima, Rice

2.554 2.554 2.554 2.533 2.533 2.533 2.513 2.513 2.51327 Porcentaje de vacios del total de la mezcla

9.25 8.83 9.35 7.57 8.15 8.09 5.00 6.54 5.1828 Densidad de cada especimen Marshall 2.318 2.328 2.315 2.341 2.327 2.328 2.387 2.349 2.38329 % de vacíos del agregado mineral, VMA

17.7 17.3 17.8 17.3 17.8 17.7 16.1 17.5 16.230 % de vacios llenos con asfalto

47.7 49.0 47.4 56.2 54.2 54.4 68.9 62.5 68.1

pγ

pγ

( ) 10016

1/100125-1VMA ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −×=

10029

27-29VFA ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2418Gmb =

144

133

122

51

100Gmm+++

=

1002625-1VTM ×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

125G wmb ×=δ×=γ



Hoja2 : Gravedades Específicas

Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 1818 Peso del especímen al aire, gr. WD 1204.1 1207.1 1207.4 1205.6 1204.5 1201.8 1205.5 1202.2 1201.519 Peso en el aire del especímen parafinado, gr. WpD 1211.3 1213.1 1214.0 1211.8 1210.3 1208.1 1211.4 1206.0 1207.520 Peso en el agua del especímen parafinado, gr. Wppsub 699.9 702.0 702.3 704.8 704.1 702.0 703.1 700.4 700.621 Volumen del especímen parafinado, WpD-Wppsub. (19-20) 511.4 511.1 511.7 507.0 506.2 506.1 508.3 505.6 506.922 Peso de la parafina, WpD-WD. (19-18) 7.2 6.0 6.6 6.2 5.8 6.3 5.9 3.8 6.023 Volumen de la parafina (22/ ) 8.47 7.06 7.76 7.29 6.82 7.41 6.94 4.47 7.0624 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23) 502.93 504.04 503.94 499.71 499.38 498.69 501.36 501.13 499.8425 Gravedad específica seca bulk del especímen

2.394 2.395 2.396 2.413 2.412 2.410 2.404 2.399 2.40426 Gravedad específica teórica máxima, Rice

2.493 2.493 2.493 2.474 2.474 2.474 2.454 2.454 2.45427 Porcentaje de vacios del total de la mezcla

3.97 3.94 3.90 2.47 2.49 2.57 2.03 2.26 2.0628 Densidad de cada especimen Marshall 2.394 2.395 2.396 2.413 2.412 2.410 2.404 2.399 2.40429 % de vacíos del agregado mineral, VMA

16.3 16.3 16.2 16.1 16.1 16.2 16.8 17.0 16.830 % de vacios llenos con asfalto

75.6 75.8 76.0 84.7 84.6 84.1 87.9 86.7 87.8

pγ

( ) 10016

1/100125-1VMA ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −×=

10029

27-29VFA ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2418Gmb =

144

133

122

51

100Gmm+++

=

1002625-1VTM ×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

125G wmb ×=δ×=γ



Hoja3 : Verificaciones

Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 931 Gravedad específica efectiva

2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.73032 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados

(Gsa), 17 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.75833 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados

(Gsb),16 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.70334 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK!35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26 2.554 2.554 2.554 2.533 2.533 2.533 2.513 2.513 2.51336 Gravedad específica teórica máxima, Rice

2.554 2.554 2.554 2.533 2.533 2.533 2.513 2.513 2.51337 Si 35=36, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK!38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29 17.7 17.3 17.8 17.3 17.8 17.7 16.1 17.5 16.239 % de vacíos del agregado mineral

17.7 17.3 17.8 17.3 17.8 17.7 16.1 17.5 16.240 Si 38=39, concluye la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK!

51

26100

1-100Gse−

=

10027100

25Gmm ×−

=

( )16

25432-100VMA ×++=



Hoja3 : Verificaciones

Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 1831 Gravedad específica efectiva

2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.73032 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados

(Gsa), 17 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.75833 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados

(Gsb),16 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.70334 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK!35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26 2.493 2.493 2.493 2.474 2.474 2.474 2.454 2.454 2.45436 Gravedad específica teórica máxima, Rice

2.493 2.493 2.493 2.474 2.474 2.474 2.454 2.454 2.45437 Si 35=36, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK!38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29 16.3 16.3 16.2 16.1 16.1 16.2 16.8 17.0 16.839 % de vacíos del agregado mineral

16.3 16.3 16.2 16.1 16.1 16.2 16.8 17.0 16.840 Si 38=39, concluye la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK!

51

26100

1-100Gse−

=

10027100

25Gmm ×−

=

( )16

25432-100VMA ×++=



Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo

Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 9

41 Estabilidad sin corregir 1,745.00 1,844.00 1,690.00 1,745.00 1,755.00 1,775.00 1,895.00 1,895.00 1,906.00

42 Factor de Estabilidad 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.04 1.04 1.04

43 Estabilidad corregida (41x42) 1,745.00 1,844.00 1,690.00 1,745.00 1,755.00 1,775.00 1,970.80 1,970.80 1,982.24

44 Estabilidad corregida promedio

45 Flujo 7.00 6.50 6.50 8.50 8.00 8.00 11.50 12.00 11.50

46 Flujo promedio

47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio

48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM

49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA

50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA

2.320 2.332 2.373

48.05 54.93 66.53

17.59 17.60 16.60

9.14 7.94 5.57

1,974.61

11.676.67 8.17

1,759.67 1,758.33


Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo

Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 18

41 Estabilidad sin corregir 2,106.00 2,097.00 2,097.00 1,996.00 1,996.00 1,996.00 1,745.00 1,696.00 1,698.00

42 Factor de Estabilidad 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04

43 Estabilidad corregida (41x42) 2,190.24 2,180.88 2,180.88 2,075.84 2,075.84 2,075.84 1,814.80 1,763.84 1,765.92

44 Estabilidad corregida promedio

45 Flujo 13.50 12.50 13.00 14.50 15.50 15.50 17.50 17.50 18.00

46 Flujo promedio

47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio

48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM

49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA

50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA

2.412 2.4022.395

75.80

2.51 2.12

84.45 87.47

16.27 16.14 16.90

3.94

2,184.00

13.00 15.17 17.67

2,075.84 1,781.52




DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA

METODO DE LA NAPA


2.230

2.250

2.270

2.290

2.310

2.330

2.350

2.370

2.390

2.410

2.430

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

ASFALTO (%)

PESO

ESP

ECIF

ICO

(gr/c

m3)


1,650.00

1,750.00

1,850.00

1,950.00

2,050.00

2,150.00

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

ASFALTO (%)

ESTA

BIL

IDA

D (L

b)% VACIOS VS. % DE ASFALTO

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

ASFALTO (%)

VAC

IOS

VTM

(%)


40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

ASFALTO (%)

VOLU

MEN

LLE

NO

CO

N A

SFA

LTO

VFA

(%)

5,6

2151

78

5,6

5,6

4,0


6.007.008.009.00

10.0011.0012.0013.0014.0015.0016.0017.0018.00

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

ASFALTO (%)

FLU

JO (0

.01"

)


16.00

16.20

16.40

16.60

16.80

17.00

17.20

17.40

17.60

17.80

18.00

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

ASFALTO (%)

13,6

5,6

5,616,38


G7 Módulos Dinámicos con Ensayo de Compresión Edométrica

G7.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de compresión edométrica consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso a un especimen confinado. La carga se aplica con el pistón de carga del equipo CBR a un disco metálico del diámetro del espécimen. El proceso de preparación de la mezcla es similar al método Marshall ya descrito. El ensayo Marshall y el de compresión edomética son diferentes, con el primero se puede determinar el óptimo contenido de asfalto siguiendo un método aún empírico, el segundo método permite determinar módulos dinámicos, que son parámetros de diseño de pavimentos. G7.2 APLICACIÓN El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente, preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el molde empleado es el Marshall de 101.6 mm (4 pulg.). G7.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de extensión

cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura aproximada de 76.2 mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser intercambiables.

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 total, cuya altura de caída es de 457.2 mm (18“).

3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm de altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8 mm de lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El conjunto se deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la platina de acero quede horizontal.

4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de disco con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor.

5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal.

6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2”) de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en una base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía.

7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de milímetro. Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza el



ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm.

8. Prensa. Para realizar el ensayo cíclico se usará una prensa automática. La carga se aplica de manera cíclica, un ciclo está formado por una carga y una descarga.

9. Dial de Carga. La fuerza aplicada se medirá con un anillo acoplado a la prensa, de 20 kN (2039 kgf) de capacidad, con una sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N (10 kgf) hasta 20 kN (2 039 kgf).

10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg. 11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC (5

ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y muestra.

12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado termostáticamente para mantener la temperatura a 60º ± 1 ºC (140º ± 1.8 ºF), deberá tener un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las probetas por lo menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque.

13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el asfalto y agregado.

14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”), 9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 μm (Nº 50) y 75 μm (Nº 200).

15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las temperaturas del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la temperatura del baño de agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a 158ºF + 0.4ºF).

16. Balanza. Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr. Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr.

17. Parafina 18. Pirex de 500 cm3 19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente 20. Crayolas para identificar las probetas 21. Bandejas taradas 22. Espátulas G7.4 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla: Paso A: Evaluación de agregados A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los sulfatos, equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y chatas y alargadas. A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción.



A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la combinación de agregados. Paso B: Evaluación del cemento asfáltico B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear según las recomendaciones Superpave. B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y del filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta de Viscosidad). B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad.

1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de viscosidad de 170±20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s).

2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280±30 centistokes

Paso C: Preparación de los Especimenes C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC. Calcular el porcentaje de participación de la fracción de gravas, arenas y filler (si lo requiere). Se calcula el peso necesario de cada uno de ellos para realizar el amasado de la mezcla. El peso de la mezcla será aproximadamente de 1150 gr. Se recomienda preparar tres especimenes para cada porcentaje de asfalto a ser evaluado. C.2 Pese los agregados para el especímen por separado y caliéntelos a la temperatura de mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3. C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y verifique la altura requerida del especímen de 63.5 ± 5.1 mm (2.5 ± 0.20 pulg.). Si el especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula:

gr 1150hhQ1

×=

Donde: Q Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr. h Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg. h1 Altura del especímen de prueba, mm (pulg)

C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar tres especimenes para un mismo porcentaje de asfalto. Determinar la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica (TMD).



Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe agitar frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos. C.5 De acuerdo al tipo de mezcla determinar el número de golpes por cara para la compactación. C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada.


+=

C.7 Mezclar el cemento asfáltico, agregados, filler y fibra (para el caso de mezclas SMA) hasta que éstos estén totalmente cubiertos. La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente. C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura de compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva muestra. C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de agua a una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar el material del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente mas alto que los bordes. Al verter la mezcla tener especial cuidado con las del tipo SMA porque tratan de segregarse. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo precalentado dentro del molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la altura de caída del martillo es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde durante la compactación. C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo junto con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados. C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el extractor de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo, aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el collar del espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana, dejarlo de pie para que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con códigos alfanuméricos usando Crayolas.



C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen.

Pesar el especímen al aire. Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada superficialmente seca (SSD) en el agua. Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el aire. Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será:

subSSD

Dmb W W

WG−

=

Donde:

Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WSSD Peso del especímen en su condición SSD en el aire Wsub Peso del especímen sumergido

Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá en cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio

Peso Específico Bulk ± 1%

Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales, pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos encontrar en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La fórmula empleada será:

subD

Dmb W W

WG−

=

Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire Wsub Peso del especímen sumergido

El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el



agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico bulk viene dado por la fórmula:

p

DpDppsubpD

Dmb WW

-W - W

WG

γ

−=

Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WpD Peso del especímen parafinado en al aire Wppsub Peso del especímen parafinado en el agua γp Peso específico de la parafina

Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en un recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los puntos mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el aire a la temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua3. C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados. Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades específicas Rice. En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y aparente de los componentes de la mezcla:

Cfiller %

Bfino %

Agrueso %

asfaltoGasfalto %

100G

sa

mm+++

=

Siendo:

2GG

A sasb += , para el agregado grueso

3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC E506-1999



2GG

B sasb += , para el agregado fino

2GG

C sasb += , para el filler

Donde:

Gsb Gravedad específica bulk Gsa Gravedad específica aparente

Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes pasos: D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de la mezcla, VTM.

100GG-1VTM

mm

mb ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=


wmb3 G)(g/cm Densidad δ×=

D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido de asfalto por peso de mezcla total (Pb)

( ) 100G

P1G-1VMAsb

bmb ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando el VTM y VMA como sigue:

100VMA

VTM-VMAVFA ×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Paso E: Ensayo de Compresión Edométrica E.1 Introducir los especimenes compactados al molde. Se deberá tener cuidado de no quebrar los bordes.



E.2 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados por un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada para que todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser ensayados. E.3 Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez, quitarles el exceso de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la prensa de compresión. E.4 Definir la lectura en el dial de carga que corresponda a una presión de 10 y 5 kg/cm2. Colocar el deformímetro en la guía y en contacto con el borde del molde. E.5 Carga:- Con los diales de carga y deformación en cero se procede a aplicar la carga hasta que alcance 10 kg/cm2. Descarga:- disminuir la presión en el especimen hasta que la presión aplicada sea 0 kg/cm2. Tomar la lectura del deformímetro. E.6 En los siguientes ciclos de carga y descarga aplicar 5 kg/cm2 y tomar las deflexiones correspondientes. E.7 Repetir nuevamente los pasos E.5 y E.6 hasta que el especimen tenga un comportamiento elástico. Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo F.1 Tabule los resultados de ensayo. Se habrán tomado lecturas de presión versus deflexión. Calcule la deformación en cada tramo y grafique presión versus deflexión. La pendiente de la curva en el tramo final será el valor del módulo dinámico de la mezcla.

E*

1

Presión (kg/cm2)

ε(%)

1º ciclo carga-descarga

F.2 Evalúe las relaciones gravimétricas y volumétricas de la mezcla compactada.




Foto G7.1: Agregados y filler que formarán parte de la mezcla asfáltica.

Foto G7.2: Cemento asfáltico que se empleará en la mezcla asfáltica.

Foto G7.3: Las mezclas del tipo SMA requiere de fibras celulosas en su composición. En la foto se muestra su forma suelta.



Foto G7.4: Pesar los agregados y filler entes de llevar al horno.

Foto G7.5: Llevar los recipientes pesados al horno para que sean calentados.

Foto G7.6: Preparar papeles engrasados.



Foto G7.8: Mezclar vigorosamente hasta que el asfalto haya recubierto cada una de las partículas de agregado. La mezcla deberá ser uniforme.

Foto G7.7: Verter la cantidad de asfalto caliente requerida por la mezcla.

Foto G7.9: Colocar un papel engrasado al fondo del molde precalentado.



Foto G7.10: Verter la mezcla evitando la segregación de los agregados.

Foto G7.11: Martillo de compactación Marshall, empleado en la preparación de los especimenes.

Foto G7.12: Compactar la mezcla manteniendo la verticalidad.



Foto G7.13: Extraer la mezcla compactada del molde.

Foto G7.14: Mezcla compactada y enfriando a temperatura ambiente.


G7.4 EJEMPLO Luego del ensayo de compresión confinada para mezcla de granulometría superpave, se obtuvieron los siguientes resultados: Diámetro del área cargada, D : 10 cm Corrección del dial de carga : 10.304 lb Corrección del dial de deformación : 0.01 pulg. Altura inicial del especimen, H : 64.3 mm

Ciclo Carga-

descarga

Lectura del dial de

carga (1)

Lectura de deflexión

(2)

Fuerza (kg)

(3)=(1)x10.304/2.2

Presión (kg/cm2)

(4)=(3)/( πxD2/4)

Deflexión (mm)

(5)=(2)x0.01x2.54

Deformación (%)

ε=ΔH/H 0 0 0 0

180 57.2 843.1 10 1.4529 1º

0 23.2 0 0 0.5893 0.01343* 90 36.1 421.5 5 0.9169 2º 0 22.6 0 0 0.5740 0.00533

90 36.6 421.5 5 0.9296 3º 0 23.3 0 0 0.5918 0.00525

90 37 421.5 5 0.9398 4º 0 23.8 0 0 0.6045 0.00521

90 37.4 421.5 5 0.9500 5º 0 24.4 0 0 0.6198 0.00514

* 100x

3645893045291

... −

=ε

Graficando se obtiene:

Curva Presión versus Asentamiento

Presion vs Asentamiento

0

4

8

12

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6Asentamiento (mm)

Pres

ion

(kg/

cm2)



Comportamiento del módulo E* versus el Nº de ciclos

M odulo Elast ico vs Nº ciclos

700

800

900

1000

0 1 2 3 4N º ciclo s 5

Presion 10 kg/cm2Presion 5 kg/cm2


ANEXO G METODOLOGÍA AASHTO 2002 Y EL ANÁLISIS

DEFORMACIONAL EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS

ASFÁLTICOS

ARTÍCULO PUBLICADO EN EL IX CONGRESO NACIONAL

DEL ASFALTO, LIMA, OCTUBRE 2006

METODOLOGÍA AASHTO 2002 Y EL ANÁLISIS DEFORMACIONAL EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

Ing. Silene MINAYA G.; Ing. Abel ORDOÑEZ H. Universidad Nacional de Ingeniería [email protected] [email protected]

1. RESUMEN La metodología de diseño de pavimentos empírico-mecanístico AASHTO 2002, a diferencia de métodos anteriores de diseño, propone el análisis deformacional como instrumento de diseño de la estructura de pavimentos. El objetivo principal del análisis es el control de las deflexiones y los esfuerzos de tracción, asociados al agrietamiento prematuro de la carpeta asfáltica. La ponencia resume la aplicación del análisis deformacional, las cuales concluyen en la necesidad de: mejorar las condiciones del suelo de fundación de baja capacidad de soporte (CBR menor a 8-10%), incorporar bases estabilizadas en tráfico pesado y/o cimentaciones de baja capacidad de soporte modificando el tipo de diseño convencional que aún prevalece en el país y re-establecer la función de la carpeta asfáltica solamente como superficie de rodadura. El análisis deformacional demuestra la desventaja de utilizar métodos como el AASHTO 1993 y el Método del Instituto del Asfalto, los cuales no consideran adecuadamente la influencia de la estratigrafía del terreno de fundación y proponen la convertibilidad del espesor de la carpeta asfáltica a espesores de bases granulares, sin considerar los módulos elásticos o rigidez de ambos materiales y la variación de la distribución de esfuerzos y deformaciones en la estructura del pavimento 2. INTRODUCCION La aplicación del análisis deformacional en el diseño de pavimentos flexibles tiene el objetivo de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de fundación. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos debido a las cargas móviles está asociada a la duración del pavimento. El análisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de análisis que permite considerar:

a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfáltica través del módulo dinámico. El parámetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad del tránsito, en función de la categoría de la vía (pendiente, geometría, etc.).

b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asfálticas y/o tratadas con cemento. Permite también determinar de manera directa el espesor del material estabilizado necesario para el diseño.

c. La estratigrafía del terreno de fundación, la capa compactada y los estratos del terreno natural, así como la presencia de basamento rocoso.

d. La distribución de los esfuerzos verticales de compresión en la sub-rasante y el terreno de fundación.

e. La distribución de esfuerzos horizontales y esfuerzos de tracción en las capas superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta asfáltica sea sometida a esfuerzos de tracción que genere el agrietamiento prematuro.

444

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

El análisis deformacional se realiza a través de programas de cómputo que permiten la solución del problema elástico como el Kenlayer del Dr. Huang, 1993 de la Universidad de Kentucky, EE.UU. Programas del INPACO de Colombia, implementado en la década pasada, es también conocido en nuestro medio. Una de las preocupaciones existente en nuestro medio, para la aplicación ingenieril del análisis deformacional corresponde a la determinación de los parámetros del modelamiento elástico del pavimento. 3. MODELAMIENTO ELÁSTICO DE LA CARPETA ASFÁLTICA El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltica el módulo resiliente, Mr resultante del ensayo de tracción indirecta. Para mezclas asfálticas densas en caliente, los valores de Mr varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) considerando una temperatura de 20°C, no indicando, el tipo de asfalto y la frecuencia de ensayo asociado a la velocidad. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* determinado de los ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Witzack, el cual considera:

a. El tipo de asfalto (penetración, viscocidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos modificados y envejecidos)

b. La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.) c. Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias. d. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga.

VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL La viscosidad del asfalto original (no envejecido) a 25ºC puede calcularse conociendo la penetración del asfalto, el modelo desarrollado por Mirza y otros (AAPT 1995) de la Universidad de Maryland1 es:

2Pen003890Pen 26012501210 )log(.)log(..log +−=η (1)

El valor de la viscosidad se expresa en poises. Esta ecuación es aplicable a valores de penetración en un rango de 3 a 300 dmm. Sin embargo, cuando no se tenga como dato exacto la penetración del asfalto, su viscosidad puede calcularse con la ecuación propuesta por la Guía de Diseño Empírica-Mecanística AASHTO 2002:

η

RTVTSA log log log +=η (2)

donde la viscosidad η se expresa en centipoises (cP), es la temperatura en Rankine; y A y VTS son parámetros de regresión que están en función de la gradación del ligante. Los parámetros de regresión A y VTS son:

RT

1 Appendix EE-1 de la Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP August 2003.

445

Tabla 1: Parámetros de Regresión A y VTS

PEN A VTS

40-50 10.5254 -3.5047

60-70 10.6508 -3.5537

85-100 11.8232 -3.6210

120-150 11.0897 -3.7252

200-300 11.8107 -4.0068

La Guía AASHTO 2002 indica que se debe tener especial cuidado cuando se usa la ecuación 2 a bajas temperaturas, pues la viscosidad del ligante asfáltico se aproxima a 2.7x1010 Poise, por lo tanto, la viscosidad a bajas temperaturas es igual al menor valor entre el calculado por la ecuación 2 y 2.7x1010 Poise. La Tabla 2 muestra la viscosidad del ligante no envejecido para diferentes temperaturas de pavimentos y penetraciones. Otra alternativa es medir la viscosidad del asfalto a la temperatura de interés, empleando el reómetro de corte dinámico de la metodología Superpave, tal como lo propone AASHTO 2002.

Tabla 2: Viscosidad de Ligante No Envejecido, Mpoise

Viscosidad η del ligante no envejecido, Mpoise TºC

PEN 40-50 PEN 60-70 PEN 85-100 PEN 120-150 PEN 200-300 -10 1,115,628.43 731,029.32 417,758.92 173,811.03 19,295.570 21,249.81 13,933.23 7,967.08 3,339.57 381.226

10 739.15 487.84 281.40 120.22 14.53320 42.136 28.105 16.444 7.214 0.94140 0.435 0.298 0.181 0.085 0.01360 0.014 0.010 0.006 0.003 0.001

MÓDULOS DINÁMICOS El ensayo de tracción indirecta permite determinar el Módulo Resiliente de la carpeta asfáltica cuando trabaja a tracción. Diseñar carpetas asfálticas considerando que la parte inferior trabaje a tracción y la parte superior se encuentre a compresión, generan fisuras prematuras que se reflejarán en la superficie. El nuevo criterio para el diseño de pavimentos diseña la estructura de manera que la carpeta asfáltica se encuentre trabajando toda a compresión. Esto se consigue incorporando capas inferiores estabilizadas o tratadas. Desde este punto de vista el Módulo Resiliente no es representativo del comportamiento de la carpeta, proponiéndose el Módulo Dinámico obtenido de ensayos triaxiales cíclicos. El módulo dinámico varía con la temperatura y la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de compresión cíclica se muestra en la foto 1. El equipo de la Universidad de Arizona, EE.UU. aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que son medidos en la celda de carga, las

446

deformaciones se miden usando un traductor LVDT. El traductor se asegura usando brackets y tacones sobre el especimen. Se acondicionan barras de acero para mantener el alineamiento.

(a) Muestra para ensayo triaxial cíclico

(b) Prensa cíclica, Universidad de Arizona, EE.UU.

Foto 1: Ensayo Triaxial Cíclico, Universidad de Arizona. Ref. [1]

El comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada del material, la deformación máxima se alcanzará en un instante posterior, cuando la carga que se haya aplicado se encuentre en el instante de la descarga. El módulo dinámico E* es la relación entre el esfuerzo y la respuesta deformacional.

o

oE∈

=∗ σ (3)

La ecuación de Witczak incorpora las propiedades del ligante, agregados, y características volumétricas de la mezcla. Esta ecuación está sustentada en 1430 muestras ensayadas sobre 149 tipos de mezclas asfálticas convencionales, realizados durante 30 años. La ecuación es:

( ) a42

200200 V0580970p0028410p0017670p02923207500633E ×−×−×−×+= .....log *

( )( )

( ) ( )( )η−−−+

+−+−+

+×−

log..log............

. 3935320f31335106033130e134p00547002

38p000017038p00395804p002108719773

aVeffVbeffVb

8022080

Donde: E* Módulo dinámico de mezclas asfálticas, psi η Viscosidad del ligante en 106 poise (a cualquier temperatura y envejecimiento) f Frecuencia de carga en Hz. Va % de vacíos de aire en la mezcla, por volumen. Vbeff contenido de asfalto efectivo, porcentaje por volumen P34 % retenido acumulado en el tamiz ¾”, por peso total de agregado P38 % retenido acumulado en el tamiz 3/8”, por peso total de agregado P4 % retenido acumulado en el tamiz Nº4, por peso total de agregado

447

P200 % que pasa el tamiz Nº200, por peso total de agregado

La ecuación considera un rango de temperaturas de 0 a 130ºF (-18 a 54ºC). La frecuencia está relacionada con la velocidad del vehículo. La Guía recomienda definir la frecuencia en función de la categoría y velocidad vehicular:

Tabla 3: Recomendaciones de Velocidades y Frecuencias

Categoría VelocidadKPH

Superficie de rodadura(espesor= 1-3”)

1era 95 45-95 2da 70 35-70 Vías urbanas 25 10-25 Intersecciones viales 0.8 0.5-1

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, Tabla 3.3.1, parte 3 capítulo 3 Se aplicó la ecuación de Witczak para una mezcla asfáltica densa convencional que cumpla con las especificaciones de la mezcla de tamaño máximo nominal 3/4” (19 mm), las frecuencias consideradas en el análisis fueron 15, 50 y 70 Hz. correspondiente a 25, 70 y 95 kph y para viscosidad del ligante no envejecido de diferentes penetraciones. Los porcentajes retenidos y pasantes de las mallas son: (P34 : 0%, P38 : 30%, P4 : 50%, P200 : 5%, Vbeff : 15%, Va: 4%). Las figuras 1 a 3 presenta los valores del Módulo Dinámico correspondiente a mezclas asfálticas de diversas penetraciones utilizadas en el país, en función de la temperatura y la velocidad vehicular. Los valores determinados son para asfaltos PEN 60-70, 85-100 y 120-150, asfaltos usados en zonas de temperatura cálida, intermedia (caso Lima) y de bajas temperaturas.

0

5

10

15

20 40 60 80 100Velocidad, Km/h

Mód

ulo

Din

ámic

o E*

(x10

5) p

si

20ºC 30ºc40ºC 50ºC

Asfalto PEN 60-70

Figura 1: Módulo Dinámico según Velocidad y

Temperatura para Asfalto PEN 60-70

448

0

5

10

15

20

25

20 40 60 80 100

Velocidad, Km/h

Mód

ulo

Din

ámic

o E*

(x10

5) p

si


Asfalto PEN 85-100

Figura 2: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 85-100

0

5

10

15

20

25

30

20 40 60 80 100

Velocidad, Km/h

Mód

ulo

Din

ámic

o E*

(x10

5) p

si


Asfalto PEN 120-150

Figura 3: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 120-150

Por ejemplo si se desea calcular el Módulo Dinámico para carpeta asfáltica convencional de TMN 19 mm, para las temperaturas de pavimento y frecuencias mostradas en la tabla se tienen los siguientes módulos:

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Tabla 4: Módulo Dinámico E* en psi

Tipo de mezclas Asfalto PEN 60-70 Sugerido en zonas cálidas2

Asfalto PEN 120-150 Sugerido en zonas frías2

velocidad de diseño 70 kph 70 kph frecuencia 50 Hz 50 Hz Temperatura de pavimento 40ºC 5ºC E*, psi 410,000 2´200,000

A altas temperaturas la mezcla asfáltica puede ser susceptible a deformaciones permanentes mientras que los valores bajos indican susceptibilidad a agrietarse por bajas temperaturas. En el primer caso se debe poner especial cuidado en la elección del ligante y la granulometría de la mezcla, el ligante debe mantener su rigidez a altas temperaturas y la granulometría del agregado deberá ser uniforme tipo Stone Mastic Asphalt, donde predomine el contacto piedra-piedra. Para el segundo caso la elección del ligante será lo más importante considerando asfaltos que mantengan su rigidez a bajas temperaturas. Para el caso de Lima donde el asfalto empleado puede ser asfalto PEN 85-100, a temperatura de pavimento de 20ºC y velocidad de diseño de 70 kph, frecuencia 50 Hz., el E* será 1´180,000 psi. Una carpeta asfáltica sometida a las condiciones de Lima, correspondiente a un diseño de pavimento convencional, tiene valores altos de rigidez, que lo puede llevar al agrietamiento al concentrar esfuerzos de tracción. 4. ANÁLISIS DEFORMACIONAL La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento. La deflexión admisible puede ser calculada con alguna de las siguientes ecuaciones empíricas3: Instituto del Asfalto: 2383.064.25 −= NDadm

CONREVIAL: ( ) 25.0/15.1 NDadm = Criterio de California, CA de 5”: 165.0237.6 −= NDadm

N es el número de ejes equivalentes usado en el diseño. Aplicando las ecuaciones a 0.8x106 ejes equivalentes se tiene: 101, 109 y 66 (1/100 mm) de deformación admisible, respectivamente. La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que

2 Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras, EG-2000. Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú. 3 Chang, C, Torres, R. “Aplicación de Ensayos no destructivos para el Control de Calidad de Pavimentos Flexibles”. Instituto de la Construcción y Gerencia, 2005.

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luego se reflejarán en la superficie. La figura 5 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos. El parámetro elástico que modela el comportamiento de la carpeta asfáltica que trabajan a tracción es el Módulo Resiliente obtenido del ensayo de tracción indirecta. Para los materiales granulares y fundación natural, el Módulo Resiliente obtenido de ensayos triaxial cíclico es el parámetro de diseño. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. A continuación se evaluará el comportamiento deformacional de la estructura del pavimento y el aporte de cada capa en la reducción de estas deformaciones. Se empleará el programa elástico multicapas Kenlayer del Dr. Huang de la Universidad de Kentucky.

Carpeta

Base granular

(+)

(-) σv

σH

Sub base granular

Suelo compactado

Fundación

Figura 5: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos

PRIMER CASO: ESTRUCTURAS TIPICAS Se modelará una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub base granulares, suelo compactado y fundación. Las condiciones de análisis son las mismas, sólo se variará el espesor de la carpeta asfáltica, ésta será de 2, 4 y 6 pulg. Las dimensiones y parámetros de diseño se muestran en la figura 6. La figura 7 muestra la variación de los esfuerzos verticales o de compresión en estructuras típicas. El mayor porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y base granular. Al nivel de fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de esfuerzos, esto indica que incrementando el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las deformaciones en la fundación.

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Figura 6: Análisis Deformacional de Estructura Típica.

Figura 7: Esfuerzos Verticales o de Compresión Estructura Típica

La deformación a nivel de fundación es del orden de 3.75% y deflexiones dinámicas de 0.83, 0.65 y 0.54 mm. para carpetas asfálticas de 2, 4 y 6 pulg, respectivamente. Las deflexiones dinámicas y estáticas están en una relación de 1 a 10, esto quiere decir que la deflexión en la superficie es de 8.3, 6.5 y 5.4 mm medidos con viga Benkelman, valores muy superiores a los admisibles para 0.8x106 ejes equivalentes, que está en el orden de 1 mm.. La figura 8 demuestra que el tercio superior de la carpeta asfáltica está trabajando a compresión mientras que los dos tercios restantes a tracción. En conclusión, incrementar el espesor de la

CAPA DE PAVIMENTO CARACTERÍSTICAS

CARPETA ASFALTICA

2, 4 y 6” Mr=450,000 psi ν=0.35 (ref. 2)

BASE GRANULAR, CBR=100%

Mr= 30,000 psi ν=0.35 (ref. 2)

SUB BASE GRANULAR CBR=40%

Mr= 17,500 psi ν=0.35 (ref. 2)

SUELO COMPACTADO CBR=20%

Mr= 12,000 psi ν=0.45 (ref. 2)

FUNDACION CBR=4%

Mr=6,000 psi ν=0.45 (ref. 2)

TIPO DE EJE SIMPLE STANDARD RADIO DE CONTACTO 4.52 PULG PRESION DE CONTACTO 5 kg/cm2

Variable 20 cm 25 cm 15 cm

Fundación

Suelo compactado

Sub base granular

Carpeta asfáltica

Base granular

6” 2” 4”

Base granular

Sub base granular

Suelo compactado

Fundación

Carpeta

σv

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carpeta no reduce las deformaciones por tracción, la mejor alternativa es minimizar las deformaciones plásticas a nivel de fundación mediante la estabilización.

Carpeta

Base granular

Sub base granular

Suelo compactado

Fundación

εt

6”2” 4

Figura 8: Deformaciones por Tracción en Estructura Típica Es contraproducente, además, convertir espesores de carpeta asfáltica a equivalentes de espesores de base granular como 1:3. La carpeta asfáltica tiene un módulo por lo menos 15 veces mayor al de la base granular y solo se podrá modificar espesores luego de un análisis deformacional. SEGUNDO CASO: ESTRUCTURA SEMIRIGIDA El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 9. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada.

Carpeta

Base Estabilizada

Sub base

Fundación

(+)

(-) σvσH

Figura 9: Distribución de Esfuerzos en Pavimentoscon Base y/o Sub Base Estabilizada.

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Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico. Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [4]. Con la finalidad de demostrar la importancia de considerar bases y sub-bases tratadas y/o estabilizadas en pavimentos sobre terrenos de baja capacidad de soporte, como es el caso del diseño considerado en la Vía Inter-Oceánica Sur – Tramo Inambari-Iñapari, se presenta el análisis deformacional, considerando la colocación de una carpeta asfáltica, figura 10.

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, 4Tabla 2.2.43. 5Tabla 2.2.51

Figura 10: Análisis Deformacional de Estructuras Semi-Rígidas

Para los parámetros de diseño mostrado y haciendo uso del programa Kenlayer se ha obtenido la siguiente distribución de esfuerzos, figura 11.

CAPA DE PAVIMENTO CARACTERÍSTICAS CARPETA ASFALTICA

E*=300,000 psi ν=0.35

BASE:SUELO+CEMENTO

Mr= 700,000 psi4

ν=0.15 SUB BASE:SUELO+CAL

Mr= 60,000 psi ν=0.20

ARCILLA+ARENA

Mr= 24,000 psi5

ν=0.25 FUNDACION CBR=3%

Mr=4,500 psi ν=0.45 (ref. 2)

TIPO DE EJE SIMPLE STANDARD RADIO DE CONTACTO 4.52 PULG PRESION DE CONTACTO 5 kg/cm2

1 “ 20 cm 20 cm 65 cm

Fundación natural de arcilla

arcilla+arena

Sub base : suelo+cal

Base: Suelo+cemento

Carpeta asfáltica

Fundación natural de arcilla

arcilla+arena

Sub base : suelo+cal

Base:Suelo+cemento

Carpeta asfáltica

Deflexión =3mm εv(sub-rasante) = 0.01%

εH (+)=0.006%

σv(fundación)=0.04kg/cm2

σv

σH

Figura 11:Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Semi-Rígidos

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Luego de algunos años la fundación natural habrá perdido la mayor parte de sus deformaciones plásticas e incrementado su módulo, es en ese momento en que se podrá volver a hacer una nueva evaluación y considerar un trabajo de recapeo que permita recuperar la calidad de la superficie de rodadura. Definitivamente el diseño de carreteras sobre fundación arcillosa o limosa es por etapas. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El aporte del análisis deformacional en el diseño de pavimentos asfálticos, cualquiera sea su categoría, es de suma importancia debido a que permite evaluar el criterio de diseño aplicado, el tipo de diseño considerado y la influencia de las condiciones de cimentación. La metodología permite considerar las variables que influyen en la vida del pavimento, como temperatura, velocidad del tránsito, estratigrafía del terreno, la influencia de espesores de capas estabilizadas y/o tratadas, que otros métodos, debido a su limitación no pueden considerar. REFERENCIA 1) Kaloush, K., Witczak, M., Way, G., Zborowski, A., Abojaradeh, M., Sotil, A., “Performance

Evaluation of Arizona Asphalt Rubber Mixtures using advanced Dynamic Material Characterization Tests”, Arizona State University, Arizona Department of Transportation, FNF Construction, Inc, July 2002.

2) Huang, Y. Pavement Analysis and Design, Second Edition, 2004. 3) Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structure. 2002. 4) Marasteanu, M., Clyne, T., « Dynamic Modulus Testing of Asphalt Mixtures”, University of

Minnesota, February 2002. 5) Minaya, S., “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, Tesis de

Maestría, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, 2006. 6) Minaya, S., Ordóñez, A., “Diseño Moderno de Pavimentos”, Universidad Nacional de Ingeniería,

segunda edición, 2006. 7) Minaya, S., Ordóñez, A., “SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas”, Universidad Nacional

de Ingeniería, 2003 8) Ordóñez, A., Minaya, S., “Consideraciones y Aplicaciones en Proyectos de Carreteras en el País de

la Guía de Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos NCHRP 1-37A (AASHTO 2002), ICG 2004 9) Ordóñez, A., Minaya, S., “Módulos Dinámicos de Mezclas Asfálticas SMA y Superpave”, VIII

Congreso Nacional del Asfalto, 2005 10) Vasconcellos, R., “Nuevas Técnicas de Estabilización de Suelos y Reciclado de Pavimento con el

uso de Cemento Portland”, ASOCEM, agosto 2006.

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18_dmp_anexo_g ensayo en asfalto y mezclas asf.pdf

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