METODOS Y TIPOS DE MEZCLAS ASFALTICAS

“TIPOS Y METODOS DE MEZCLAS ASFALTICAS Y ENSAYOS A REALIZAR” “Año de la Diversificación Productiva y Fortalecimiento de la Educación”

LABORATORIO DE PAVIMENTOS ESTRADA ESCALANTE, VÍCTOR RAFAEL ASCUE ESCALANTE, KILDARE A 2015-III

CUSCO-PERÚ 2015

UNIVERSIDAD ANDINA DEL CUSCO

FACULTAD DE INGENIERÍAS - ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

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El siguiente trabajo lleva de contenido los métodos y tipos por los cuales se realizan las mezclas asfálticas y los ensayos necesarios para garantizar el buen proceso de realización del mismo. Tendremos según los métodos de realización las mezclas en caliente (método Marshall, método de Hveem y superpave), así como también tendremos métodos tradicionales mediante los cuales se producen estas mezclas, mezclas realizadas en frio, mezclas drenantes, mezclas resistentes a las deformaciones plásticas, así como también tendremos mezclas asfálticas no convencionales con asfalto anticarburante, con asfalto multigrado así como mezclas SMA (stone mastic asphalt) con asfalto anticarburante, modificado, multigrado y así como también los ensayos en laboratorio que se debe hacer al suelo y ya los ensayos en campo (in situ) a la carpeta asfáltica ya establecida en nuestra vía.

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Conocer a cabalidad todas las definiciones de la totalidad o mayoría de las mezclas asfálticas que se puedan producir por los ingenieros civiles. Conocer el uso de los métodos de producción de las mezclas asfálticas más representativas de nuestro medio. Conocer que tipos de mezclas asfálticas son las que existen y se producen en nuestro medio, así como también ya saber optar por la mejor opción a la hora de la elección de alguna para algún tipo de obra civil. Tener el conocimiento de los ensayos necesarios que deben pasar, en primer lugar, los agregados que usan en la composición de la mezcla y luego, in situ, conocer que pruebas debe pasar y que parámetros debe cumplir nuestra mezcla asfáltica producida.

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Los ensayos empíricos usados hasta ahora fueron concebidos en el siglo pasado (1939), con base en el tráfico y materiales existentes en la época. El método Marshall fue desarrollado en 1942 por Bruce Marshall siendo el cuerpo de ingenieros de los EEUU quien adiciono y depuro ciertos aspectos al punto de normalizarlo. Se desarrolló para ser sencillo, rápido y suficientemente preciso.

El ensayo fue normalizado como ASTM D6927, está dirigido al diseño por medio de análisis de estabilidad, flujo, densidad y vacíos : carga máxima a compresión diametral de la muestra @ 60°C : deformación de la muestra correspondiente c orrespondiente a la estabilidad 

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Desafortunadamente una de sus grandes desventajas es el método de compactación de laboratorio por impacto, el cual no simula la densificación real de la mezcla que ocurre en el pavimento. El propósito del método Marshall es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en caliente, y 5



establece densidades y contenidos óptimos de vacío vac ío que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento. Solo se aplica a mezclas asfálticas en caliente y usan cemento asfaltico clasificado con viscosidad o penetración y que contiene agregados con tamaños máximos de 25 mm o menos. El método puede ser usado para el diseño en laboratorio, como para el control de campo de mezclas asfálticas. El método Marshall usa muestras normalizadas de pruebas de 64 mm (2.5 in) de espesor por 103 mm (4 in) de diámetro. Una serie de probetas, cada una con la mima combinación de agregados pero con diferentes tipos de asfaltos, es preparada usando un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas asfálticas de agregado. Los 2 datos más importantes del diseño de mezclas del método Marshall son: un análisis de la relación de vacíos – densidad, y una prueba de estabilidad – flujo de las muestras compactadas. 3.1.1. PROCEDIMIENTO: a) DETERMINACION DEL PESO ESPECIFICO TOTAL (AASHTO T 166): Se toma este dato tan pronto como las probetas después de compactadas tomen la temperatura ambiente, esta medida es importante para el análisis preciso de densidad – vacío. b) ENSAYOS DE ESTABILIDAD Y FLUENCIA: El ensayo está dirigido a medir la resistencia a la deformación de mezcla. La fluencia mide la deformación, bajo carga, que ocurre en la mezcla. c) VALOR DE ESTABILIDAD MARSHALL: Es una medida bajo la cual una probeta cede o falla totalmente, durante un ensayo, cuando la carga es aplicada lentamente, los cabezales superior e inferior del aparato se acercan, y la carga sobre la briqueta aumenta al igual que la lectura en el indicador de cuadrante. Luego se suspende la carga una vez que se obtiene la carga máxima indicada por el medidor es el valor de estabilidad Marshall, las estabilidades altas se obtienen a costa de durabilidad. d) VALOR DE FLUENCIA MARSHALL: Medida en centésimas de pulgada, representa la deformación de la briqueta. La deformación está indicada por la disminución en el diámetro vertical de la briqueta. 6



Las mezclas que tienen valores bajos de fluencia f luencia y valores muy altos de estabilidad Marshall son consideradas demasiado frágiles y rígidas para n pavimento en servicio. Aquellas que tienen valores altos de fluencia son consideradas demasiado plásticas, y tienen tendencia a deformarse fácilmente bajo las cargas del tránsito. e) DETERMINACION DEL CONTENIDO DE ASFALTO: El contenido de diseño de asfalto en la mezcla final de pavimentación se determina a partir de los resultados descritos anteriormente. Primero, determine el contenido de asfalto para el cual el contenido de vacíos es de 4%. Luego, evalúe todas las propiedades calculadas y medidas para este contenido de asfalto, y compárelas con los criterios de diseño. Si se cumplen todos los criterios, es el contenido de diseño de asfalto. Si no se cumplen todos los criterios será necesario hacer algunos ajustes y volver a diseñar la mezcla. Hoy en día las cargas y el volumen de tráfico se han incrementado exponencialmente por lo tanto las solicitaciones a las que está sometida un pavimento son completamente diferentes a las que existía en la década de los 40’s o 60’s. Como se puede observar en la siguiente imagen, claramente hoy en día la carga en nuestras vías incrementó, esto es to a su vez exige un mejor desempeño de nuestro pavimento y así una mayor tecnología y control en su producción.

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Estas técnicas fueron desarrolladas por Francis N. Hveem, anteriormente ingeniero de materiales e investigación con la división de carreteras de california. Actualmente surge de investigaciones indicadas por el departamento de carreteras de california en 1940. El método abarca la determinación de un contenido aproximado de asfalto por medio del ensayo Equivalente Centrifugo de Kerosene, y luego el sometimiento de probetas con este contenido de asfalto, y con contenidos mayores y menores, a un ensayo de estabilidad. También se efectúan un ensayo de expansión sobre una un a probeta que ha sido expuesta al agua. Este método sigue siendo el más usado en california y en algunos otros estados de los Estados Unidos. El propósito de este método es el determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre las propiedades de la mezcla asfáltica final. Este método solo se aplica a mezclas asfálticas en caliente de pavimentación que usan cemento asfaltico clasificado por viscosidad o penetración, y que contienen agregados con tamaños máximos de 25 mm o menos. El método puede ser usado para el diseño en laboratorio, como para el control de campo de mezclas asfálticas (en caliente) de pavimentación. Este método usa una serie de pruebas para determinar el contenido óptimo de asfalto. Los procedimientos que el método incluye son: 1. Ensayo equivalente centrifugo de kerosene (CKE) para determinar un contenido aproximado de asfalto. 2. Preparación de probetas de prueba con el contenido aproximado de asfalto, y con contenidos mayores y menores que el aproximado. 3. Ensayo de estabilidad para evaluar la resistencia a la deformación. 4. Ensayo de expansión para determinar el efecto del agua en el cambio de volumen y en permeabilidad pe rmeabilidad de la briqueta.

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3.2.1. PROCEDIMIENTOS DEL ENSAYO HVEEM: Existen 3 procedimientos en el método del ensayo Hveem, estos son: a) UN ENSAYO DE ESTABILOMETRIA: Este ensayo fue diseñado para determinar la estabilidad de una mezcla de prueba bajo esfuerzos específicos, la probeta compactada es puesta dentro del estabilometro, en donde está rodeada por una membrana de caucho. Una carga vertical es impuesta sobre la probeta, simulando los efectos de la repetición de las las cargas de ruedas neumáticas bajo un periodo largo, y la presión lateral (horizontal) resultante es medida. Lo resultados del estabilometro dependen de la fricción interna (resistencia) de los agregados, y es un menor grado, de la consistencia del asfalto. Dicho ensayo se efectúa de la siguiente manera: 1) La probeta es calentada a 60°C. 2) La probeta es colocada en el estabilometro. 3) La presión en el estabilometro est abilometro es elevada a 34.5KPa (5 psi). ps i). 4) Una carga vertical es aplicada a una velocidad de 0.02 mm/s (0.05 in7min) hasta lograr una carga de 26.7 KN (6000 lbf). 5) Las lecturas de presión lateral son medidas y registradas bajo cargas verticales específicas. 6) La carga vertical es disminuida a 4.45 KN (1000 lbf) y se mide el desplazamiento usando la bomba de desplazamiento. 7) El valor Hveem de estabilidad para la probeta se calcula c alcula usando la información obtenida del ensayo de estabilometro. El valor resultante del estabilometro está basado en la idea de que una mezcla asfáltica tiene propiedades que oscilan entre un líquido y un sólido rígido. El valor de estabilidad se obtiene de una escala arbitraria que va de 0 a 100: el 0 corresponde a un líquido que no presenta resistencia interna a cargas lentamente aplicadas, el 100 corresponde a un sólido hipotético que transmite, bajo cierta carga vertical, una presión lateral que no puede registrarse. b) UNA DETERMINACIÓN DE DENSIDAD: O análisis de vacíos, los vacíos son las pequeñas bolsas de aire que encuentran entre las partículas de agregado revestidas de asfalto. El porcentaje de vacíos se calcula a partir del peso específico 9



revestidas de asfalto. El porcentaje de vacíos va cíos se calcula a partir del de l peso específico total de cada probeta compactada y del peso específico teórico de la mezcla de pavimentación (sin vacíos). Este último puede ser calculado a partir de los pesos específicos de asfalto y el agregado de la mezcla, con un margen apropiado para tener en cuenta la cantidad de asfalto absorbido por el agregado; o directamente mediante un ensayo normalizado (AASHTO T 209) efectuado sobre la muestra de mezcla sin compactar. c) UN ENSAYO DE EXPANSIÓN: Es el principal enemigo de todas las estructuras de pavimento, entonces un diseño debe estar dirigido a proporcionarle al pavimento una adecuada resistencia al agua para garantizar su durabilidad. El ensayo de expansión mide la cantidad de agua que se filtra dentro o a través de una probeta, y la cantidad de expansión que el agua causa. También mide la permeabilidad de la mezcla. En 1987, el SHRP (Strategic Highway Researh Program) comenzó el desarrollo de sarrollo de un nuevo sistema para la especificación de materiales asfalticos. El producto final de programa de investigación sobre asfaltos de SHRP es un nuevo sistema conocido como SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavement). El software de superpave es un programa de computación que auxilia a los ingenieros en la selección de materiales asfalticos y el diseño de la mezcla. No obstante, superpave es más que un programa de computación. Fundamentalmente, representa de los pavimentos, incluyendo equipos de ensayo, métodos de ensayo y criterios. El sistema superpave proporciona un medio completo y muy amplio para diseñar mezclas con base en los requerimientos específicos de comportamiento definidos por el tránsito, el clima y la sección estructural del pavimento en una cierta localización. Se facilita con este sistema la selección y combinación de asfalto agregado y, de ser necesario, de un aditivo, para alcanzar el nivel requerido de comportamiento en el pavimento. El sistema es aplicable tanto para mezclas densas en caliente vírgenes o recicladas. Se rige a la siguiente correlación de pasos: 

Selección del agregado. 10


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Selección del ligante asfaltico – PG. Preparación de las muestras (compactación en el ). Densidad y volumen de vacíos. Selección de contenido óptimo de ligante asfaltico. Ensayos de desempeño (tomando en cuenta variación de la ). Evaluación de la susceptibilidad a la humedad.

El método ya expuesto, usa un compactador giratorio, esta propuesta de preparación de mezcla asfáltica es reciente r eciente y nos proporciona las siguientes ventajas: 

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La doble acción de compactación simula el efecto de la compactación real. Medida continúa de las propiedades volumétricas de la mezcla.

Resultados del diseño superpave, obtenidos de la siguiente manera:

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El Superpave presenta el sistema más avanzado de especificación de materiales, diseño de mezclas asfálticas y su análisis, así como la predicción del desempeño de los pavimentos, incluyendo equipos de ensayo, métodos de ensayo y criterios.

Las características principales de la mezcla son las siguientes: 1. Bajos contenidos de vacios (%V = 2%) 2. Alta resistencia al efecto destructivo de los combustibles. 3. Menor desprendimiento de agregados.

Las características principales de la mezcla son las siguientes: 1. 2. 3. 4.

Menor susceptibilidad térmica. Mayor resistencia a las deformaciones plásticas. Mayor resistencia a la fatiga. Mayor adherencia árido - ligante.

Las características principales de la mezcla son las siguientes: 1. Bajos contenidos de vacíos tendiente a impedir el ingreso de combustible al interior de la mezcla (V% = 3%). 2. Alta resistencia a las deformaciones plásticas. 12



3. Alta durabilidad. 4. Menor desprendimiento de los agregados.

Las características principales de la mezcla son las siguientes: 1. 2. 3. 4. 5.

Alta resistencia a las deformaciones plásticas. Alta durabilidad. Menor desprendimiento de agregados. Propiedades fonoabsorbentes. Textura inicial: SMA10 entre 1 y 1,2 mm. SMA19 entre 1,5 y 1,9 mm.

Las características principales de la mezcla son las siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Adecuada transmisión de altas solicitaciones. Alta resistencia a las deformaciones plásticas. Alta durabilidad. Propiedades fonoabsorbentes. Buenas características friccionales. Textura inicial: SMA10 entre 1 y 1,2 mm. SMA19 entre 1,5 y 1,9 mm.

Las características principales de la mezcla mezc la son las siguientes: 1. Resistencia mecánica. 2. Alta macro textura. 3. Mayor resistencia al deslizamiento. 4. Propiedades fonoabsorbentes. 5. Disminución del fenómeno de hidroplaneo.

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Son mezclas cuidadosamente elaboradas y compactadas para lograr una elevada densificación y bajo porcentaje de vacíos, consideradas como las de mejor calidad entre las mezclas asfálticas el caliente, con excelentes propiedades de estabilidad. Durabilidad y flexibilidad. Basados en este concepto y dada su similitud, definimos las mezclas asfálticas en frío tipo concreto, como las constituidas por la combinación de uno o más agregados pétreos y un relleno mineral (filler), de ser necesario, con un asfalto emulsionado catiónico o diluido con solvente, cuya mezcla, aplicación y compactación se realizan en frío (condiciones ambientales). Si bien el ligante puede ser precalentado hasta no más de 60°C, el resto de las operaciones, como queda expresado, se llevan a cabo a temperatura ambiente. Los agregados pétreos no requieren secado ni calentamiento, es decir, que se los emplea tal como se presentan en el acopio, con su humedad natural. Estas mezclas también pueden ser elaboradas en la misma planta central destinada a la elaboración de las mezclas caliente, prescindiendo para ello del sistema de calefacción para el secado de los áridos y el calentamiento y circulación del asfalto. Igualmente es posible la preparación in situ, es decir, sobre la misma calzada donde va a ser aplicada, para lo cual se utilizarán maquinarias y equipos más simples como son las moto niveladoras y mezcladoras livianas de una sola pasada, tipo moto pavimentadora, etc. Las mezclas en frío con emulsiones catiónicas o con asfaltos diluidos al solvente presentan un amplio margen para su elaboración en relación con las mezclas convencionales en caliente. Estas mezclas en frío son utilizadas, generalmente como capas de rodamiento, de base o sub.-base. 14



Los ensayos dinámicos han sido desarrollados para simular condiciones de tensión-deformación en el laboratorio con mezclas compactadas, similares a las que sucede en el pavimento: Los ensayos que normalmente se realizan son:     

Módulo de resiliencia (AASHTO TP31, ASTM D4123). Módulo Dinámico (AASTHO TP 79, AASTHO T342 (TP 62)). Resistencia a la fatiga bajo carga repetitiva (AASHTO T321). Resistencia a la deformación permanente (AASTHO T324). Tensión Térmica a baja temperatura TSRST (AASTHO TP 10).

Estos ensayos investigan las propiedades visco-elástico-plásticas de las mezclas bituminosas compactadas. El nivel dinámico y la duración durac ión simulan la vida de la carretera. 1. EL MODULO DE RESILIENCIA (AASHTO TP31, ASTM D 4123): Se obtiene compactando las probetas con 75 golpes por cara. Las probetas que se someten a este ensayo deberan ser elaboradas con una mezcla sometida a envejecimiento previo, si este no se cumple, sera necesario rediseñar la mezcla hasta lograr su cumplimiento. 2. EL MODULO DINAMICO (AASTHO TP 79, AASHTO T342): Normas usadas: AASHTO TP79 

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AASHTO T342 (anteriormente AASHTO TP62)

Diferencias esenciales entre las normas: En AASHTO T342 la temperatura mínima es -10C, mientras que la temperatura mínima para TP79 es 4.4C. Los resultados de esta prueba |E*| son utilizados para generar la curva maestra |E*| y sus parámetros son usados como 15



datos de entrada para el diseño mecanístico de pavimentos (p.e. MEPDG). Tiene como objetivo encontrar el desempeño óptimo utilizando la selección del material adecuado.

3. RESISTENCIA A LA FATIGA BAJO CARGA REPETITIVA (AASHTO T321): 

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Número de ciclos para determinar la rotura de la muestra (vida de la muestra). Desfase entre carga y deformación. Número de ciclos para determinar la rotura de la muestra (vida de la muestra).

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4. ENSAYO DE DEFORMACIÓN PERMANENTE (AASTHO T324): Se trabaja con la doble rueda de Hamburgo, para la prueba del conocido ahuellamiento, fenómeno que se presenta en nuestra avenida de la cultura.

Probetas ensayadas en el hamburg double Wheel tracker:

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1) El método que hoy en día que más se usa en todo el país, son las mezclas en caliente, ya que son más seguras y la mano de obra también conoce más de este proceso, pero eso no quiere decir que se dejen de lado las mezclas asfálticas frías y las mezclas en tibio producidas ahora ultimo gracias al investigador Everett Crew. 2) Así como se pueden producir mezclas para una pavimentación, a modo de obra nueva, también se pueden dar soluciones temporales a nuestras carpetas asfálticas dañadas o ya envejecidas, como son los tratamientos superficiales. 3) Es necesario indicar que las mezclas denominadas SMA o Stone Mastic Asphalt, son mezclas asfálticas producidas en Alemania, para vías vía s de alto tránsito, esto implica una mayor resistencia y mejor diseño de mezclas, también producida en caliente. 4) Se vio que hay una buena cantidad de ensayos, indicados por la AAHSTO, los cuales se deben realizar para tener un buen producto a la hora de diseñar una mezcla asfáltica, este es un gran impedimento en el país, ya que no hay más que 2 o 3 laboratorios a nivel nacional que cuenta con los equipos necesarios y más preponderantes para asegurar un buen pavimento asfaltico.

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1. J. AGNUSDEI, ‘’Asfaltos y emulsiones para pavimentos especiales’’, Lima, 2006. 2. J. ESCALANTE, ‘’Estado del arte de las mezclas asfálticas’’, Lima, 2014. 3. C.A.B.A., ‘’Construcción de carpetas de rodamiento con mezclas asfálticas no convencionales’’, México DF., 2008. 4. P. BOLZAN, ‘’Mezclas Asfalticas’’, España, 2003.

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METODOS Y TIPOS DE MEZCLAS ASFALTICAS

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