INGENIERÍA CIVIL
INTRODUCCIÓN El concepto del método Marshall Marshall para diseño de mezclas de pavimentació pavimentación n 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 etensiva investigación ! estudios de correlación, me"oró ! adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prue#a Marshall ! desarrollo un criterio de diseño de mezclas. me zclas. El método original de Marshall, sólo es aplica#le a mezclas asf$lticas en calien caliente te para pavimen pavimentac tación ión %ue conten contengan gan agregad agregados os con un tamaño tamaño m$imo de &' mm ()*+ o menor. El método modicado se desarrolló para tamaños m$imo arri#a de - mm ().'*+. Est$ pensado para diseño en la#or la#orat ator orio io ! co cont ntro roll de ca camp mpo o de me mezc zclas las asf$ asf$lt ltica icass en ca cali lien ente te co con n graduación densa. De#ido a %ue la prue#a de esta#ilidad es de naturaleza emp/ em p/ric rica, a, la impo importa rtanc ncia ia de los los resul esulta tado doss en térm términ inos os de esti estimar mar el comportamiento en campo se pierde cuando se realizan modicaciones a los procedimientos est$ndar. est$ndar. El método Marshall utiliza espec/menes de prue#a est$ndar de una altura de 01 mm (& 2*+ ! )3& mm (1*+ de di$metro. 4e preparan mediante un procedimiento espec/co para calentar, mezclar ! compactar mezclas de asfalto5agregado. (A46M D)''7+. 8os dos aspectos principales del método de diseño son, la dens densid idad ad5a 5an$ n$li lisi siss de vac/ vac/os os ! la prue prue#a #a de es esta ta#i #ili lida dad d ! 9u"o 9u"o de los los espec/menes compactados. 8a esta#ilidad del espécimen de prue#a es la m$ima resistencia en : (l#+ %ue un espécimen est$ndar desarrollar$ a 03
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)
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E:4A;< M=64?A88 I.
OBJETIVOS •
Descri#e
el
determinación
procedimiento
%ue
de#e
seguirse
para
la
de la resistencia la deformación pl$stica de
mezclas #ituminosas para pavimentación. El procedimiento puede emplearse tanto para el pro!ecto de mezclasen el la#oratorio como para el control en o#ra de las mismas.
II.
MARCO TEÓRICO
DE@:<:E4 Gravedad específca neta de a!re!ad" uando el agregado total consiste en fracciones separadas de agregado gruesoC agregado noC ! ller, todos tienen diferentes gravedades espec/casC la gravedad espec/ca neta para el agregado total se calcula usando
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Dónde s# F gravedad espec/ca neta para el agregado total G), G&, Gn F porcenta"es individuales por masa de agregado ), &, n F gravedad espec/ca neta individual del agregado 8a gravedad espec/ca neta del ller es dif/cil de determinar correctamente. De cual%uier modo, si la gravedad espec/ca aparente del ller es estimada, el error es usualmente insignicante.
Gravedad específca e$ect%va de a!re!ad" uando se #asa en la gravedad espec/ca m$ima de una mezcla de pavimento, mm, la gravedad espec/ca efectiva del agregado, se, inclu!e todos los espacios de vac/os en las part/culas del agregado, ecepto a%uellos %ue a#sor#en el asfaltoC se se determina usando
Dónde se F gravedad espec/ca efectiva del agregado mm F gravedad espec/ca teórica G mm F porcenta"e de masa del total de la mezcla suelta F )33 G # F contenido de asfalto con el cual A46M D &31)HAA4?6< 6 &37 # F gravedad espec/ca del asfalto
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-
INGENIERÍA CIVIL El volumen de asfalto a#sor#ido por los agregados es casi invaria#lemente menor al volumen de agua a#sor#ida. Gor tanto, el valor para la gravedad espec/ca efectiva de un agregado de#e estar entre su gravedad espec/ca neta ! su gravedad espec/ca aparente. uando la gravedad espec/ca efectiva sale de estos l/mites, su valor se de#e asumir como incorrecto. El c$lculo de la gravedad espec/ca m$ima de la mezcla mediante la A46M D &31)HA44?6< 6 &37C la composición de la mezcla en términos del contenido de agregadoC ! el total de asfalto se de#en entonces, volver a inspeccionar para encontrar la causa del error.
Gravedad específca &'(%&a de a &e)ca as$'t%ca En el diseño de una mezcla asf$ltica para un agregado dado, se necesitar$ la gravedad espec/ca m$ima, mm, para cada contenido de asfalto con el n de calcular el porcenta"e de vac/os de aire para cada contenido de asfalto. Mientras %ue la gravedad espec/ca m$ima puede determinarse para cada contenido de asfalto mediante A46M D &31)HA44?6< 6 &37C la precisión del ensa!o es me"or cuando la mezcla est$ cerca del contenido de asfalto de diseño. Adem$s, es preferi#le medir la gravedad espec/ca m$ima por duplicado o triplicado. Después de calcular la gravedad espec/ca efectiva del agregado para cada gravedad espec/ca m$ima medidaC ! promediando los resultados del se, la gravedad espec/ca m$ima para cual%uier otro contenido de asfalto puede o#tenerse con la siguiente ecuación, la cual supone %ue la gravedad espec/ca efectiva del agregado es constante, ! ésta es v$lida puesto %ue la a#sorción del asfalto no var/a aprecia#lemente con los cam#ios en el contenido de asfalto.
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Dónde mm F gravedad espec/ca teórica m$ima de la mezcla del pavimento (sin vac/os de aire+ Gmm F porcenta"e de la masa del total de la mezcla suelta F )33 G s F contenido de agregado, porcenta"e del total de la masa de la mezcla G # F contenido de asfalto, porcenta"e del total de la masa de la mezcla se F gravedad espec/ca efectiva del agregado # F gravedad espec/ca del asfalto
Dónde G #a F asfalto a#sor#ido, porcenta"e de la masa del agregado se F gravedad espec/ca efectiva del agregado s# F gravedad espec/ca neta del agregado # F gravedad espec/ca del asfalto
C"nten%d" de as$at" e$ect%v" El contenido de asfalto efectivo, G#e, de una mezcla de pavimento es el volumen total de asfalto, menos la cantidad de asfalto perdido por a#sorción dentro de las part/culas del agregado. Es la porción del contenido total de asfalto %ue se %ueda como una capa en el eterior de la part/cula del agregado ! es el contenido de asfalto %ue go#ierna el desempeño de una mezcla asf$ltica. 8a fórmula es
Dónde
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'
INGENIERÍA CIVIL G #e F contenido de asfalto efectivo, porcenta"e de la masa total de la mezcla G # F contenido de asfalto, porcenta"e de la masa total de la mezcla G #a F asfalto a#sor#ido, porcenta"e de la masa del agregado G s F contendido de agregado, porcenta"e total de la masa de la mezcla
*"rcenta+e de vací"s en e a!re!ad" &%nera 8os vac/os en el agregado mineral, IAM, se denen como el vac/o intergranular entre las part/culas del agregado en una mezcla asf$ltica compactada, %ue inclu!e los vac/os de aire ! el contenido de asfalto efectivo, epresado como un porcenta"e del volumen total
Dónde IAM F vac/os en el agregado mineral s# F gravedad espec/ca neta del total de agregado m# F gravedad espec/ca neta de la mezcla asf$ltica G s F contenido de agregado, porcenta"e del total de la masa de la mezcla asf$ltica, si la composición de la mezcla es determinada como el porcenta"e de la masa del agregado
Dónde G # F contenido de asfalto, porcenta"e de la masa del agregado
*"rcenta+e de vací"s de a%re
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INGENIERÍA CIVIL 8os vac/os de aire, Ia, en la mezcla asf$ltica compactada consiste en los pe%ueños espacios de aire entre las part/culas de agregado. El porcenta"e del volumen de vac/os de aire en una mezcla compactada, puede determinarse usando
Dónde I a F vac/os de aire en la mezcla compactada, porcenta"e del volumen total mm F gravedad espec/ca m$ima de la mezcla asf$ltica m# Fgravedad espec/ca neta de la mezcla asf$ltica compactada
*"rcenta+e de vací"s en"s de as$at" El porcenta"e de los vac/os en el agregado mineral %ue son llenados por el asfalto, I@A, no inclu!endo el asfalto a#sor#ido, se determina usando
Dónde I@A F vac/os llenados con asfalto, porcenta"e de IAM IAM F vac/os en el agregado mineral. I a F vac/os de aire en mezclas compactadas, porcenta"e del volumen total
III.
E,UI*OS UTI-IADOS •
Una m$%uina para la aplicación de la carga vertical, diseñada especialmente para esta prue#a.
•
Moldes para la preparación de muestras de )3 cm. ( 1*+ de di$metro interior. ada molde tiene una #ase met$lica ! se halla dividida en dos seccionesC la sección inferior tiene J,' cent/metros (-*+ de altura, ! la superior 0,-' cm. (& 2*+.
•
Un su"etador de molde para facilitar la compactación de la mezcla.
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J
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Un martillo o pisón de #ase circular con 7, cm. (- JH*+ de di$metro, 1,' Kg. ()3 8#.+ de peso ! 10 cm. ()*+ de ca/da li#re.
•
Un dispositivo para las prue#as de esta#ilidad, especialmente diseñado, ! formado por dos segmentos semicirculares cu!o di$metro interior mide ' cm. (&*+.
•
IV.
Baño de Mar/a.
*ROCEDIMIENTO Después de %ue la gravedad espec/ca se ha determinado, se
•
procede a la prue#a de esta#ilidad ! 9u"o, %ue consiste en sumergir el espécimen en un #año Mar/a a 03 L ) L ()13 L@ ). L@+ de -3 a 13 minutos antes de la prue#a. •
on el e%uipo de prue#a listo se remueve el espécimen colocado en #año Mar/a ! cuidadosamente se seca la supercie. U#icando ! centrando el espécimen en la mordaza inferior, se coloca la mordaza superior ! se centra completamente en el aparato de carga.
•
Gosteriormente, se aplica la carga de prue#a al espécimen a una deformación constante de ') mm ('*+ por minuto, hasta la falla. El punto de falla se dene por la lectura de carga m$ima o#tenida. El nNmero total de :eOtons re%ueridos para %ue se produzca la falla del espécimen de#er$ registrarse como el valor de esta#ilidad Marshall.
•
Mientras la prue#a de esta#ilidad est$ en proceso, si no se utiliza un e%uipo de registro autom$tico, se de#er$ mantener el medidor de 9u"o so#re la #arra gu/a ! cuando la carga empiece a disminuir se de#er$ tomar la lectura, ! registrarla como el valor de 9u"o nal. 8a diferencia entre el valor de 9u"o nal e inicial, epresado en unidades de 3.&' mm ()H)33*+, ser$ el valor del 9u"o Marshall.
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V.
C/-CU-OS # RESU-TADOS DATOS E:4A;<4 E46AB8DAD DE@<>MAP: J 717 )) 71 )' JJ0 )' J &1 '
GR/0ICAS
*ESO UNITARIO
*es" Un%tar%" 2!.
-.'
1.3
1.'
'.3
'.'
0.3
0.'
1 de C.A.
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7
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VACIOS .3 0.3 Vací"s 1 1.3 &.3 3.3 -.'
1.3
1.'
'.3
'.'
0.3
0.'
'.'
0.3
0.'
1 de C.A.
V.M.A. &3 )7 ) )J )0 )' V.M.A. 1 )1 ))& )) )3 -.'
1.3
1.'
'.3
1 de C.A.
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) 3
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VACIOS --ENOS C.A. )33 73 3 Vací"s --en"s C.A. 1
J3 03 '3 13 -.'
1.3
1.'
'.3
'.'
0.3
0.'
1 de C.A.
GR/0ICA DE ESTABI-IDAD &'33.33 &133.33 &-33.33 &&33.33 &)33.33
E46AB8DAD (Qg+
&333.33 )733.33 )33.33 )J33.33 )033.33 )'33.33 -.'
1
1.'
'
'.'
0
0.'
H A4@A86<
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) )
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GR/0ICA DE DE0ORMACIÓN 33 033 133
DE@<>MAP: (mm+ &33 3 1 ' 0 -.' 1.' '.' 0.'
H A4@A86<
VI.
CONC-USIONES C"nten%d" Opt%&" de as$at"3 4561
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) &
INGENIERÍA CIVIL 8os porcenta"es óptimos de asfalto para las metodolog/as de diseño fueron sensi#lemente diferentes (diferencia R3.'S+C esto de#ido a %ue las densidades fueron superiores en el sistema 4uperpave lo %ue ocasiona %ue las pro#etas ela#oradas con la metodolog/a Marshall necesiten m$s asfalto para lograr el mismo volumen de vac/os (SIa+. Altos porcenta"es de asfaltos en la mezcla, producen una reducción en la fricción interna del pavimento. Mezclas cerradas con altos valores de esta#ilidad Marshall ! #a"a suscepti#ilidad a la humedad, pueden ser indicativos de %ue la mezcla es suscepti#le al agrietamiento por fatiga. ?AE> 8A4 <:8U4<:E4 MODI0ICANDO 8<4 DA6<4 DE 8< TUE E46A >E4A86AD<
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INGENIERÍA CIVIL ANE7OS
Muestras de asfalto para su posterior ensa!o.
Muestras de asfalto de 1.'S.
Muestras de asfalto de 'S.
Muestras de asfalto de '.'S.
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) 1
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Molde para las muestras.
Iisualización de esta#ilidad ! 9u"o de la muestra.
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