ENSAYO MARSHALL (Para Diseño de Pavimentos) ASTM D-1559 D-1559 / AASHTO T-245 T-245
1. INTRODUCCIÓN Sin Sin duda duda algun algunaa los los horm hormigo igone ness bitu bitumin minos osos os en calie calient ntes es son son muy muy sensibles a las variaciones del contenido de ligante; para ello hay que establecer un punto de compromiso entre la durabilidad de la mezcla, que aumenta con el contenido del ligante, y su estabilidad que tras alca alcanz nzar ar un máxi máximo mo desc descie iend ndee con con rapi rapide dezz para para aume aument ntar ar dich dicho o contenido de asfalto. Por lo tanto una solución ante esta situación la encontramos en el ensayo Marshall, que tiene como función obtener el óptimo contenido de asfalto. Una observación observación importante importante es saber diferenciar diferenciar la estabilidad estabilidad Marshall y la deformación Marshall: la primera se define como la carga de rotura, mientras que la segunda se define como el acortamiento a cortamiento diametral hasta el momento de la rotura. Como sabemos en una mezcla asfáltica en caliente de pavimentación, el asfalto y el agregado al com combinarse deberán encontrarse en proporciones exactas. Las proporciones relativas de estos materiales determinan las propiedades físicas de la mezcla y, eventualmente, el desemp desempeño eño de la misma misma como como pavimen pavimentos tos termin terminado ados. s. Existe Existen n dos méto método doss de dise diseño ño comú comúnm nmen ente te util utiliz izad ados os para para dete determ rmin inar ar las las proporciones apropiadas de asfalto y agregado en una mezcla. Uno de ellos es el Marshall. 2. GENE ENERAL RALIDA IDADES La mezcla asfáltica la constituye el material pétreo convenientemente recubierto con una película de asfalto y luego sometida a un proceso de compactación, que hace que esta mezcla tenga propiedades resistentes al desgaste producido por los vehículos y a su vez pueda traspasar la solicitación del peso de ellos hacia las capas inferiores.
3. OBJETIVO
Este ensayo tiene como objetivo determinar el óptimo contenido de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en caliente, y establece densidades y contenidos óptimos de vació que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento.
El método Marshall es aplicable solo a mezclas en caliente con cementos asfálticos que contengan agregados con tamaño máximo igual o inferior a 25 mm. El método puede usarse tanto para el diseño en laboratorio como en el control de terreno. La mezcla óptima diseñada con el método Marshall deberá ser verificada con la medida de su resistencia a la deformación plástica, mediante la pista de ensayo de laboratorio, según la norma de ensayo INV E-756. Las probetas para ensayo deberán tener un espesor aproximadamente igual al cuádruple del tamaño máximo nominal del agregado pétreo.
4. ALCANCES: El método Marshall usa muestras normalizadas de prueba (probetas) de 64 mm (2.5pulg) de espesor, por 102 mm (4pulg) de diámetro. Una serie de probetas, cada una con la misma combinación de agregados pero diferentes contenidos de asfalto, es preparada usando un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas asfálticas de agregado. Los datos mas importantes del diseño de mezcla del método Marshall son: Análisis de relación de vacíos, densidad y prueba de estabilidad – flujo de las muestras compactadas. El procedimiento para el método Marshall comienza con la preparación de las muestras de ensayo. Con anterioridad a esta operación se requiere:
Que los materiales propuestos cumplan con los requisitos de las especificaciones del proyecto.
Que la mezcla de los agregados cumplan con las especificaciones degradación.
Que para el cálculo de las densidades y el análisis de vacíos se utilice el peso específico del bulk de la mezcla de agregados y se determine el peso específico del cemento asfáltico.
La estabilidad es la máxima carga en kilogramos, soportadas por una muestra estándar a 60° C (140° F).
El flujo es el movimiento total o deformación en mm (o centímetros de pulg.) sufrida por la muestra al soportar la máxima carga de l ensayo de estabilidad.
5. EQUIPO EMPLEADO ASTM D-1559 / AASHTO T-245 EQUIPO PARA ENSAYOS DE ESTABILIDAD Y FLUENCIA MARSHALL:
5.1. Prensa de ensayos de funcionamiento mecánico y accionamiento eléctrico, con velocidad de avance constante de 50,8 mm/min. (2”). Apta para aplicar cargas hasta 5000 kg. Provista de aro dinamométrico de 3000 Kg. de capacidad, calibrado con su número de orden y factor. Equipado con dial comparador de 0,01 mm de precisión. Posee motor de 1/2 HP monofásico, 220 V. 50C, controlado por llave inversora del sentido de avance.
5.2. Pisón de compactación construido en acero, con zapata y pesa corrediza de 4,540 Kg. (10 lbs) y 457 mm (18”) de caída libre.
5.3. Moldes de compactación de acero metalizado, cilíndricos de 101,6 mm (4”) de diámetro con base y collar de prolongación. 5.4. Pedestal de compactación para apoyo del molde consistente en un poste de madera de densidad adecuada de 20 cm. de lado y 45 cm. de altura, encabezado con una plancha de acero de 25 mm de espesor y dispositivo para sujetar el molde.
5.5. Baño de Agua.- Tendrá por lo menos 15 cm. (6”) de profundidad y será termostáticamente controlado a 60 ºC ± 1 ºC (140 ºF ± 1.8 ºF). El tanque tendrá un falso fondo perforado, o estará equipado con un sistema para suspender las muestras a unos 5 cm. (2”) por encima del fondo.
5.6.
Mordaza para aplicación de las cargas durante el ensayo, de construcción metálica reforzada, con guías de bronce y aparato para medir la fluencia con dial aparador con lectura de 0,01 mm de apreciación.
5.7. Prensa para la extracción de probetas del molde, de accionamiento manual a tornillo sin fin con zapata que actúa como eyector.
5.8.
A)
Guantes de cuero para manejar el equipo caliente. Observamos a un alumno con los aguantes. Observamos a un alumno utilizando los guantes después del haber calentado los agregados.
MÁQUINA PARA ENSAYO DE COMPRESIÓN MARSHALL
El método de ensayo cubre la medición de la resistencia al flujo plástico, de moldes cilíndricos de asfalto cuando se ensayan en un bastidor de carga Marshall. Los moldes se ensayan a una velocidad de 50.8 mm/min. y se registran la carga máxima (estabilidad) y la deformación (flujo).
B) ENSAYO DE ESTABILIDAD MARSHALL. Anillo de carga con indicador, medidor de flujo, molde de estabilidad.
CRITERIOS DE DISEÑO MARSHALL ( Transito pesado) Compactación, N° de golpes por cara Estabilidad (N): - Carpeta de rodado - Capa intermedia - Capa base • • •
Huecos en la mezcla (%): - Carpeta de rodado - Capa intermedia - Capa base Fluencia ( 0,25 mm ) - Todas las capas Vacíos en el agregado mineral ( % ): Tamaño máximo nominal (mm) 1,25 2,5 5 10 12,5 20 25
6. OBTENCIÓN DE LAS MUESTRAS
7. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO
75 • • •
Min 9.000 - Máx. 14.000 Min 8.000 - Máx. 12.000 Min 6.000 - Máx. 9.000 3-5 3-8 3-8 8 - 16
%VAM min. 23,5 21 18 16 15 14 13
Cada muestra compactada es sometida a los siguientes ensayos y en orden de lista:
Determinación del peso especifico bulk. Ensayo de estabilidad y flujo. Análisis de densidad y de vacíos.
7.1
Determinación de temperaturas de mezclado y compactación
a) La temperatura a la cual el cemento asfáltico debe ser calentado para producir una viscosidad de 170 ± 20 CST deberá ser la temperatura de mezcla. b) La temperatura a la cual el cemento asfáltico debe ser calentado para producir una viscosidad de 280 ± 30 CST tendrá que ser la temperatura de compactado.
Recomendaciones: •
•
No se debe exagerar en el tiempo del calentado de la mezcla asfáltica porque esta se hace quebradiza. Lo recomendable es calentarla durante 3-5 minutos. La temperatura mínima a la cual la mezcla debe llegar al sitio de la obra debe ser de 120 ºC, caso contrario se corre el riesgo de al ser compactada adquiera una superficie porosa, esto aumenta la posibilidad de oxidación y envejecimiento prematuro del concreto asfáltico.
7.2
Compactación de las muestras o briquetas
a) Limpiar el molde de ensamblaje de la muestra y la cara del martinete de compactación, y calentarlos en agua hirviendo, o en un horno a una temperatura comprendida entre 93.3 ºC y 148.9 ºC. b) Colocar una pieza de papel filtro cortada a justo tamaño en el fondo o base del molde antes de introducir la mezcla. c) Situar la muestra en el molde en su totalidad, golpear la mezcla vigorosamente con una espátula caliente paleteando 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces sobre el interior. d) Remover el collar y alisar la superficie de la mezcla con una paleta para una ligera forma redondeada. e) Las temperaturas de las mezclas inmediatamente anteriores a la compactación deberán estar dentro de los límites de la temperatura de compactación establecidas anteriormente. f) Reponer el collar, colocar entonces una pieza de papel filtro cortado exactamente al tamaño, y colocarlo en la parte superior de la mezcla y colocar el molde ensamblado en el pedestal de compactación, en el sujetador de molde. g) Aplicar 50 golpes con el martillo de compactación de 10 libras (4.54 Kg.) de peso con caída libre de 18 pulgadas (457.2mm.). Sostener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde ensamblado durante la compactación. h) Remover el plato de base y el collar, invertir y reensamblar el molde. Aplicar el mismo número de golpes de compactación a la cara opuesta a la anterior. i) Después de la compactación remover el plato de base y colocar el extractor de muestras en la parte inferior de la mezcla. j) Retirar el collar del espécimen o muestra. Cuidadosamente transferir la briqueta a una superficie lisa, llana y dejarla durante una noche a temperatura ambiente.
Para facilitar la determinación del contenido optimo de asfalto, es interesante alinear verticalmente los gráficos. Para determinarse el contenido óptimo de cemento asfáltico se elaboran las curvas conforme a lo citado, y el contenido a ser elegido debe satisfacer: •
El punto de máxima densidad.
• • •
El punto de máxima estabilidad. El punto de aproximadamente 4% de vacíos. Un punto dentro los limites de fluencia.
Con el contenido optimo para cada relación, lo que queda por hacer es sacar un promedio. Los valores de estabilidad, según el método Marshall, recomendados para algunos tipos de pavimentos flexibles son los siguientes: 454 Kg. (1000 libras) para capas de rodamiento que soportan un transito liviano a mediano. 781 Kg. (1500 libras) para capas de rodamiento que soporten un transito mediano a pesado. 8. PROCEDIMIENTO Descripción general de los procedimientos seguidos en el Diseño Marshall de Mezclas: a)
Cantidad de muestras:
Preparar por lo menos 3 muestras, pero de preferencia 5 muestras para cada combinación de agregados y contenido de asfalto, para una mejor obtención en los resultados. b)
Preparación de los agregados:
Se deberá secar los agregados hasta un peso constante, de 105 °C a 110°C y separar los agregados en los diversos tamaños necesarios, tamizando en seco. Los tamaños recomendados por MTC son las siguientes: 1” a 3/4”, 3/4” a 3/8” a N° 4 a N° 8, o las fracciones separadas en las tolvas calientes de la planta.
c) Determinación de la temperatura de mezclado y compactación : La temperatura requerida para realizar el mezclado, la cual el asfalto tiene que ser calentado para producir una viscosidad es de 85 + 10 segundos Saybolt Furol y la temperatura óptima para la compactación que produzca el asfalto es una viscosidad de 140 + segundos Saybolt Furol.
d)
Preparación del molde y del martillo:
Se limpiará cuidadosamente el molde y la cara del martillo de compactación y calentarlos a una temperatura entre 93 °C y 150 °C. Colocar un filtro de papel en parte inferior del molde, antes de colocar la mezcla. e)
Preparación de la mezcla:
Se pesara, en recipientes separados para cada muestra la cantidad de cada tamaño requerido para que resulte una muestra compactada de 6.35 + 0.13 cm (2.5 + 0.05 pulgadas) de altura. f) Colocar las vasijas en la estufa y calentarlas aprox. a 10°C por encima de la temperatura indicada para la mezcla explicada en el inciso c). El asfalto no deberá permanecer a la temperatura de mezclado por más de una hora antes de usarlo, mezclar el agregado y el cemento asfáltico lo más rápido posible hasta que la mezcla tenga una masa homogénea de asfalto. g)
Compactación de las muestras:
Colocar la muestra en el molde y remover la mezcla fuertemente con una espátula caliente o chuzarla 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Quitar el collar y emparejar la superficie en forma ligeramente redondeada. La temperatura de la mezcla, inmediatamente antes de la compactación, deberá estar dentro de los límites establecidos en el inciso c), de no ser así deberá ser rechazada ye se volverá a repetir el ensayo. h)
Colocar de nuevo el collar y el molde en el porta moldes sobre el pedestal:
Se procederá a realizar 35, 50 ó 75 golpes, de acuerdo a las especificaciones técnicas del MTC. Mantener el eje de martillo tan perpendicular como sea posible a la base del molde. Quitar la placa de base y el collar, invertirlos y rearmar el molde. Aplicar el mismo número de golpes en la otra cara de la muestra. Después de la compactación, quitar la placa de base y dejar enfriar la muestra en el aire hasta que se pueda retirar del molde sin deformarla. Sacar la muestra del molde por medio de un extractor y colocarla sobre una superficie suave y nivelada hasta que se vaya a ensayar. Normalmente las muestras se dejan enfriar durante una noche.
9. DATOS Y RESULTADOS Interpretación de resultados Los valores de Estabilidad y Flujo y los datos de vacíos son preparados como sigue: a.- La estabilidad de las muestras de altura diferentes a 6.35 cm. (2.5”) deberá ser convertida a un valor equivalente, por medio de un factor de conversión. La conversión puede ser hecha con base a la altura o el volumen medido. b.- Se deberá obtener un promedio de los valores del flujo y se corregirá los valores de la estabilidad para todas las muestras del ensayo con un mismo contenido de asfalto. Los valores errados no serán considerados en el promedio del flujo. Realizar los gráficos respectivos y deberán estar separados para los siguientes valores: • • • • •
Estabilidad contra contenido de asfalto Flujo contra contenido de asfalto Peso unitario de la mezcla contra contenido de asfalto Porcentaje de vacíos con aire contra contenido de asfalto Porcentaje de vacíos en el agregado mineral (VMA) contra contenido de asfalto.
Las curvas deberán ser uniformes para mezclas asfálticas densamente graduadas, sino son uniformes, se procederá a repetir el ensayo. •
• •
•
•
La estabilidad aumenta con el aumento de asfalto hasta un máximo valor, después del cual decrece. El flujo aumenta con el aumento de asfalto. La curva para peso unitario de la mezcla total es parecido a la curva de estabilidad, sin embargo en el máximo peso unitario normalmente (no siempre) ocurre en un contenido de asfalto ligeramente mayor que el de máxima estabilidad. El porcentaje de vacíos disminuye con el aumento del asfalto y finalmente se aproxima a un mínimo contenido de vacíos. El porcentaje de vacíos en el agregado mineral generalmente disminuye hasta un mínimo y luego comienza a aumentar con el contenido de asfalto.
Determinación del contenido óptimo de asfalto Con los datos obtenidos mencionados anteriormente se procederá a determinar el contenido óptimo de asfalto. Solamente se tienen en cuenta tres de las curvas anotadas: • • •
Máxima Estabilidad. Máximo Peso Unitario. Valor medio de los límites dados para porcentaje de vacíos. El contenido óptimo de asfalto numérico de los contenidos obtenidos anteriormente, deberá cumplir con las especificaciones requeridas para VMA y flujo. Resultados
•
Los agregados que se usarán en el presente Ensayo provienen de la cantera La Molina.
•
El agregado fino y grueso se les práctico el Método del “Cuarteo”
•
Los agregados fueron calentados a una temperatura de 135 °C.
•
Grado de penetración del asfalto usado en el ensayo es de 120 – 150
•
Grado de penetración de asfalto ( Clima frío) es de 60 – 80
•
Grado de penetración de asfalto ( Clima templado ) es de 120 - 150
ENSAYO MARSHALL ASTM-1559 Para obtener el cuadro de resumen se procede a llenar la tabla de datos, para sacar un promedio de todos los valores obtenidos para un mismo porcentaje de Cemento Asfáltico. Procedemos a realizar los cálculos de cada briqueta.
Briqueta Nº
1
1 2 3 4 5
% C.A. En peso de la mezcla
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Densidad Específica (gr./cm3)
2.249
2.295
2.304
2.319
2.329
397.44
345.98
346.07
446.38
459.05
% Vacíos
4.11
8.10
7.01
2.45
3.01
% V.M.A.
22.29
20.62
20.15
20.30
21.27
6
Flujo (cm.)
0.425
0.350
0.300
0.437
0.487
Estabilidad (Kg.)
Briqueta Nº
2
1 2 3 4 5
% C.A. En peso de la mezcla
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Densidad Específica (gr./cm3)
2.274
2.285
2.309
2.310
2.330
356.35
353.11
263.07
462.43
496.22
% Vacíos
4.81
8.54
7.24
2.39
3.23
% V.M.A.
21.42
21.45
21.06
21.45
21.17
6
Flujo (cm.)
0.350
0.275
0.325
0.500
0.381
Estabilidad (Kg.)
Briqueta Nº
3
1 2 3 4 5
% C.A. En peso de la mezcla
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Densidad Específica (gr./cm3)
2.286
2.307
2.304
2.327
2.321
430.96
357.68
381.34
432.02
418.50
% Vacios
4.21
8.25
7.35
2.26
2.85
% V.M.A.
21.62
20.69
21.24
20.88
21.49
6
Flujo (cm.)
0.300
0.327
0.325
0.425
0.400
Estabilidad (Kg.)
Briqueta Nº
4
1 2 3 4 5
% C.A. En peso de la mezcla
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Densidad Específica (gr./cm3)
2.273
2.279
2.298
2.296
2.338
405.01
327.16
349.86
438.78
543.52
4.02
8.11
7.23
2.15
2.50
% BAM.
21.45
21.67
21.42
21.92
20.91
6
Flujo (cm.)
0.300
0.300
0.575
0.475
0.400
Estabilidad (Kg.) % Vacios
Luego procedemos a promediar los valores obtenidos para obtener el óptimo contenido de % Cemento Asfáltico:
CUADRO DE RESUMEN % de C.A.
Densidad (gr./cm3)
Estabilidad (kg.)
% Vacíos
% V.M.A.
Flujo (mm)
4.5 5.0 5.5 6.0
2.458 2.428 2.399 2.370
222.019 119.756 220.896 129.873
4.01 8.14 7.18 2.75
71.1 97.7 92.8 72.6
0.33 0.28 0.38 0.55
% de Vacíos lleno de C.A. (V.C.A.) 136.1 12.1 13.2 175.2
6.5
2.342
235.506
3.53
97.8
0.29
15.2
2.480
500
2.460
450
2.440
400
2.420
350
2.400
300
2.380
250
2.360
200
2.340
150
2.320
100
Factor de Rigidez 716.09 412.79 576.15 529.55 805.99
50
2.300 4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
% de C.A .
% de C.A.
120.0
9.00 8.00
100.0
7.00 80.0
6.00 5.00
60.0
4.00 40.0
3.00 2.00
20.0
1.00 0.0
0.00 4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
4.5
5.0
%de C.A.
5.5
6.
6.5
%de C.A.
200.0
0.60
180.0 0.50
160.0 140.0
0.40
120.0 0.30
100.0 80.0
0.20
60.0 40.0
0.10
20.0 0.00
0.0 4.5
5.0
5.5
% de C.A .
6.0
6.5
-20.0
4.5
5.0
5.5
% de C.A .
6.0
6.5
Evaluación de resultados Descripción
% de C.A.
Máxima Densidad Máxima Estabilidad % de Vacíos al 3.5 % Rigidez adecuada (estabilidad/flujo)
4.50 6.50 5.90 5.50
% C.A. Optimo
5.58
CONCLUSIONES
La mezcla óptima diseñada con el método Marshall deberá ser verificada con la medida de su resistencia a la deformación plástica.
Para determinar el contenido óptimo de asfalto de una mezcla de agregados en particular se prepara una serie de muestras para diferentes contenidos de asfalto, de tal forma que las curvas trazadas muestren un valor óptimo bien definido.
Para obtener datos confiables se preparan por triplicado para cada contenido de asfalto.
RECOMENDACIONES
El método Marshall es aplicable solamente en mezclas asfálticas en caliente, usando cemento asfáltico y agregado de 2.5 cm. (1 pulg.) de tamaño máximo.
El método es utilizado tanto en diseño de laboratorio como en el control de producción de mezclas asfálticas.
Las mezclas con valores muy altos de estabilidad son con frecuencia poco deseables, debido a que los pavimentos que contienen este tipo de mezclas tienen a ser menos durables y pueden agrietarse prematuramente bajo volúmenes grandes de transito.
IO DE MECÁNIC
Universidad Nacional Federico Villarreal Facultad de Ingeniería Civil
CURSO
: PAVIMENTOS
TEMA
: ENSAYO MARSHALL
PROFESOR
: ING. RODRIGUEZ CANTINET
ALUMNO
:
CODIGO
:
SECCION
:C
Magdalena del mar, 19 de Noviembre del 2007
