DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE Mediante el ensayo de Marshall
OBJETIVO OBJETIVO GENERAL
El objetivo de este ensayo es obtener el contenido óptimo de asfalto para un determinado tipo de mezcla asfáltica. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Aprender la realización del ensayo.
Calcular la composición volumétrica volumétrica para cada una de las briquetas hechas en el ensayo.
Conocer las consideraciones consideraciones y especificaciones de las normas técnicas donde se indican los intervalos permisibles.
FUNDAMENTOS
El criterio elegido para obtener el contenido óptimo de asfalto de la mezcla, se basó fundamentalmente en su contenido de vacíos, ya que su cantidad, afecta directamente el comportamiento de un pavimento ante las deformaciones plásticas permanentes. El ensayo para determinar valores de estabilidad y deformabilidad de los pavimentos asfálticos ideado por Bruce G. Marshall del Departamento de Caminos del Estado de Mississipi (EEUU). DEFINICIÓN. MEZCLA
ASFÁLTICA
EN
CALIENTE
Las mezclas asfálticas están constituidas de agregados, relleno mineral si es necesario, y el material asfaltico mesclados en caliente en una planta central, colocados sobre una base debidamente preparada o un pavimento existente, de
acuerdo
con
lo
establecido
en
las
especificaciones.
Las mezclas asfálticas en caliente pueden ser producidas por un amplio rango de combinaciones de agregados, cada uno con sus características particulares
adecuadas
al
diseño
especifico.
Se emplean tanto en la construcción de carreteras, como de vías urbanas y aeropuertos, y se utilizan tanto para capas de rodadura como para capas inferiores de los firmes. Existen a su vez subtipos dentro de esta familia de mezclas con diferentes características. Se fabrican con asfaltos aunque en ocasiones se recurre al empleo de asfaltos modificados, las proporciones pueden variar. MÉTODO
DE
MARSHALL
El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado por Bruce Marshall, Ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseño de mezclas. El ensayo fue normalizado como ASTMS
1559.
Una de las virtudes del Método Marshall es la importancia que se asigna a las propiedades densidad/vacíos del material asfaltico. Este análisis garantiza que las importantes proporciones volumétricas de los componentes de la mezcla estén dentro de rangos adecuados para asegurar una mezcla durable. Este ensayo consiste en la fabricación de probetas cilíndricas de 4" de diámetro y 2½" de altura, rompiéndolas posteriormente en la prensa Marshall y determinando su estabilidad y flujo. También se calculan los porcentajes de vacíos de las mezclas fabricadas, se determina previamente las gravedades específicas de los materiales empleados y de las probetas compactadas, antes del
ensayo
de
rotura,
de
acuerdo
con
las
normas
INVIAS.
Este ensayo busca determinar el contenido óptimo de asfalto para una gradación de agregados dada o preparada, para esto se deberá elaborar una serie de probetas con distintos porcentajes de asfalto, de tal manera que al graficar los diferentes valores obtenidos después de ser ensayadas, permitan determinar
ese
valor
"óptimo".
El procedimiento se inicia con la preparación de probetas de ensayo, para lo cual los materiales propuestos deben cumplir con las especificaciones de granulometría y demás, fijadas para el proyecto. Además, se deberá determinar
previamente la gravedad específica bulk de los agregados, así como la gravedad específica del asfalto, y se deberá efectuar un análisis de DensidadVacíos
de
las
probetas
compactadas.
ALGUNOS CRITERIOS DE DISEÑO Y CARACTERIZACION DEL METODO MARSHALL * Determinación Gravedad Especifica: Gravedad especifica neta. Proporción
de la masa al aire de una unidad de volumen de un material permeable (incluyendo vacíos permeables e impermeables del material) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al
de
agua.
* Caracter ización g eoté cn ica d e los agr egad os : Distintos ensayos de
caracterización como ;granulometría, Índices de forma, Adhesividad Riedel Weber,Pulimento acelerado, Superficie Específica, Plasticidad, Desgaste, Peso Específico,
Equivalente
de
arena,
Caras
fracturadas,
Sanidad.
* Caracterización asfalto: Composición química, Penetración, Viscosidad,
Solubilidad Pruebas envejecimiento (RTFOT, TFOT), PAV, Peso específico, Solubilidad, Ductilidad, Punto de ignición, Punto de llama, Índice de Penetración, Fractura FRAAS. RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CLIMAS FRÍOS Y EN ALTURA
Para el diseño de mezclas asfálticas en caliente en zonas de clima frío y en altura (mayor a 3,000 msnm), se tendrá en cuenta las condiciones desfavorables que deben soportar. Para el diseño se dará un especial énfasis a la calidad que deben reunir los agregados desde el punto de vista de su gradación, limpieza, forma, dureza, textura, etc.; y el cemento asfáltico especialmente en lo que se refiere a su consistencia, durabilidad, susceptibilidad térmica, etc. Además de la calidad de los materiales a emplear, se recomienda lo siguiente:
Trabajar con granulometrías continuas, bien graduadas, tratando de lograr vacíos del agregado mineral (V.M.A.) superiores al 15%.
La condición anterior debe permitir incrementar el porcentaje de asfalto a incorporar en la mezcla, tendiendo en lo posible, al límite superior del porcentaje de vacíos llenos con asfalto, recomendados para la mezcla compactada; o sea próximo al 85% y manteniendo además, las respectivas características físico-mecánicas exigidas para la carpeta o para la base asfáltica
Los vacíos residuales de la mezcla compactada deben tender al valor mínimo
especificado, dado que ello contribuye a disminuir la posible alteración del asfalto por oxidación, y a preservar a las mezclas de la acción del agua (agravada por la acción del tránsito) y de los ciclos de variación térmica frío – calor - frío.
El mayor espesor de la película bituminosa que recubrirá a los agregados por el mayor porcentaje de asfalto junto con el empleo de un ligante de consistencia y susceptibilidad térmica adecuada, incrementará la durabilidad del pavimento.
La incorporación de porcentajes máximos de arena de trituración permite el logro de carpetas de rodadura con buena resistencia al deslizamiento y conveniente estabilidad; no obstante, debe realizarse un correcto balance de este valor máximo de arena a los efectos de no afectar la trabajabilidad de la mezcla ni su compactibilidad, así como tampoco la flexibilidad de la carpeta por un aumento inconveniente del módulo de rigidez.
El uso como filler de cal hidratada, en condiciones acordes con su “concentración critica” a la vez que contribuye a la disminución de los
vacíos de la mezcla, mejora la adherencia entre los agregados y el asfalto y mejora la resistencia del asfalto al envejecimiento. A fin de determinar un método de laboratorio para la compactación de los cuerpos sometidos a prueba y para un criterio de seguridad de las propiedades de ciertas mezclas con este ensayo de Marshall, fue necesario construir gran número de pistas experimentales, donde se variaban el porcentaje de asfalto y
la granulometría de los agregados. De dicho análisis el Cuerpo de Ingenieros de los EEUU estableció el siguiente criterio, basado en los resultados obtenidos con el Ensayo Marshall: La utilización de este criterio se limita solo a las mezclas asfálticas, utilizándose cementos asfálticos de penetración usual, y contenido de agregados con diámetro máximo de una pulgada (2,54 cm.) o menos. Se estableció que para que haya equilibrio entre la estabilidad y la durabilidad los vacíos ocupados por aire en la mezcla total se limitan entre un 3% y 5%. Los Ensayos para Pavimentos está dividido en dos partes: la Parte I comprende los ensayos de calidad de agregados utilizados en las diferentes capas que constituye la estructura del pavimento y la Parte II comprende una introducción sobre asfaltos, mezclas asfálticas, mineralogía de los agregados y los ensayos relacionados con el diseño de mezclas asfálticas incluyendo el Ensayo Marshall. ETAPAS DEL METODO MARSHALL
Equipo para el ensayo. Análisis de los materiales. Estudio granulométrico de los agregados. Fabricación de las probetas. Determinación de la densidad bulk. Medición de estabilidad y flujo. Determinación del peso específico máximo medido. Análisis de densidad y vacíos. Determinación del porcentaje óptimo de asfalto. GRAVEDADES ESPECÍFICAS GRA VEDA D ESPEC ÍFICA NETA , GSB : Proporción de la masa al aire de una
unidad de volumen de un material permeable (incluyendo vacíos permeables e impermeables del material) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura Indicada.
GRA VEDA D ESPECÍFICA A PA RENTE GSA : Proporción de la masa en aire
de una unidad de volumen de un material impermeable a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada. Proporción de la masa en aire de GRA VEDA D ES PECÍFICA EFECTIVA, GSE: una unidad de volumen de un material permeable (excluyendo vacíos permeables de asfalto) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada. VA CÍOS EN EL A GREGA DO MINERA L, VA M: Volumen de espacio vacío
intergranular entre las partículas del agregado de una mezcla asfáltica compactada, que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado como un porcentaje del volumen total de la muestra. CONTENIDO DE A SFAL TO EFECTIVO, PBE: Contenido de asfalto total de
una mezcla asfáltica, menos la proporción de asfalto absorbido en las partículas del agregado. Volumen total de una pequeña bolsa de aire entre las VA CÍOS DE A IRE, VA : partículas cubiertas del agregado en una mezcla de pavimento compactado, expresado como el porcentaje del volumen neto de la mezcla del pavimento compactado. VACÍOS L LENA DOS CON ASFA LTO, VFA: Porción del porcentaje del
volumen de espacio vacío intergranular entre las partículas del agregado, que es ocupado por el asfalto efectivo. Se expresa como la porción de (VAM – V a) entre VAM. El procedimiento de diseño de mezcla, calcula los valores de VAM para las mezclas de pavimento en términos de la gravedad específica neta de los agregados, Gsb. Fuente: Diapositivas Clase, Ing. Msc. Gonzalo Perez Buitrago. Vma: Volumen de vacíos en agregado mineral. Vmb: Volumen total de la mezcla asfáltica. Vmm: Volumen de la mezcla asfáltica sin vacíos. Vfa: Volumen de vacíos llenados con asfalto. Va: Volumen de vacíos de aire.
Vb: Volumen de asfalto. Vba: Volumen de asfalto absorbido. Vsb: Volumen de agregado mineral (gravedad específica de la masa). Vse: Volumen de agregado mineral (gravedad específica efectiva). EQUIPOS: EQUIPOS Y MATERIALES
Para la realización del ensayo Marshall se requiere lo siguiente: * Cemento asfáltico. * Agregados pétreos: gravilla y arena. * Gasolina. Además para la realización de los diversos ensayos se utilizan los siguientes equipos e instrumentos complementarios: * Balanza electrónica * Balanza mecánica * Platones metálicos. * Probeta de 1000 c.c. * Horno capaz de controlar y mantener temperaturas especificadas para cada ensayo. * Moldes para Compactación Marshall. Incluyendo bases y collarines. * Martillo de Compactación para Ensayo Marshall. * Serie de tamices: ¾”, ½”, 3/8”, #4, #10, #40, #80, #200.
* Prensa Marshall. * cronometro de reloj PROCEDIMIENTO
* Comenzamos con la elaboración de las briquetas donde principalmente se tamizan los agregados a través de una serie de tamices (3/4”, ½”, 3/8”, #4, #10, #40, #80, #200 y fondo) obteniendo los pesos retenido necesarios de cada uno de los tamices.
* Se revolvió el material retenido en cado uno de los tamices esta se puso a calentar
teniendo
en
cuenta
de
que
no
se
perdiera
material.
* Se pesó asfalto para cada briqueta y luego se procedió a calentarlo. * Luego se mezcló el asfalto con los agregados hasta q el asfalto se adhiriera a ellos
revolviéndolos
de
manera
constante.
* Se calentó el molde y el pisón del martillo de compactación hasta alcanzar una
temperatura
similar
a
la
de
la
mezcla.
* Luego se procedió a depositar la mezcla asfáltica en caliente en el molde previamente lubricado, al cual se le puso papel periódico en cada uno de los extremos
del
molde
para
que
no
se
desperdiciara
material.
* A continuación se compacto cada briqueta manualmente con el martillo de compactación
dando
75
golpes
por
cada
cara.
* Estas briquetas se dejan enfriar por un tiempo para esto se recure a mojar el molde
para
así
poder
extraerlas
y
que
no
se
desbaraten.
* Después se extrajo la briqueta del molde con la ayuda de la maquina universal ENSAYO
DE
DENSIDAD
* Se comenzó con la medida de tres alturas de cada una de las briquetas con la ayuda del calibrador, luego se pesaron las briquetas y después envolvimos cada una de ellas con parafina y le tomamos su nuevo peso. * Se pesó el lastre solo y luego con cada una de las briquetas más parafina sumergida
en
ENSAYO
*
Se
DE
introdujeron
agua.
ESTABILIDAD
las
briquetas
en
baño
Y
de
maría
FLUJO
a
60
°C.
* Transcurrido el tiempo de las briquetas en el baño de maría se colocaron una a una las briquetas en la mordaza ubicando la cantidad de carga y deformación en ceros para comenzar, luego de realizado el montaje se le aplico la carga a una velocidad de 2 pulg. /min hasta que se presentó las fallas de las briquetas, registrando en ese momento la lectura de máxima carga y su correspondiente deformación. ENSAYO
DE
RAICE
Después de ejecutado el raice tomamos una muestra de 1000 gr. Pesamos el matraz vacío, y luego lo llenamos de agua hasta la marca de aforo y
lo
volvimos
a
pesar.
* Se introdujeron los 1000gr de material disgregado en el matraz con cierta cantidad de agua y luego se procedió a realizar la eliminación de vacíos con el compresor
hasta
que
no
se
observara
ninguna
burbuja.
* Luego procedimos a tomar su peso y a continuación le agregamos más agua hasta la marca de aforo del matraz y finalmente tomamos su peso total.
