1. INTRODUCCION
El asfalto es un material de petróleo líquido de color negro pardusco que se endurece al enfriarse.
En este informe se demuestra de forma detallada el ensayo Marshall, los equipos y materiales utilizados, el procedimiento y los cálculos respectivos. El ensayo de laboratorio “Marshall” desarrolla un mejor criterio para determinar el contenido óptimo de asfalto en la etapa de diseño
Este ensayo de laboratorio se realizo de acuerdo a las normas de ensayos de materiales especificadas por el INVIAS, dado que toda obra de ingeniería debe cumplir con los estándares de dicha entidad.
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar una mezcla asfáltica densa en caliente y obtener una formula de trabajo correspondiente, mediante el método Marshall de manera tal que se consiga cumplir con los requisitos mínimos de calidad de un pavimento. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar el porcentaje óptimo de asfalto para realizar una mezcla con materiales finos y granulares para la realización de briquetas.
Calcular los diferentes porcentajes de vacíos y las gravedades específicas de las briquetas realizadas. Reconocer correctamente el procedimiento a seguir para que no hayan errores posibles durante el ensayo.
3. MARCO DE REFERENCIA
Agregados pétreos y llenante mineral Los agregados pétreos empleados para la ejecución de cualquier tratamiento o mezcla bituminosa deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicársele una capa del material asfaltico por utilizar en el trabajo, esta no se desprenda por la acción del agua y del transito. Solo se admitirá el empleo de agregados con características hidrófilas, si se añade algún aditivo de comprobada eficacia para proporcionar una buena adhesividad.
Se denomina agregado grueso la porción del agregado retenida en el tamiz de 4.75 mm (No.4); agregado fino la porción comprendida entre los tamices de 4.75 mm y 75 μm (No.4 y No.200) y llenante mineral la que pase el tamiz de 75 μm (No.200). El agregado grueso debe proceder de la trituración de roca o de grava o por una combinación de ambas; sus fragmentos deben ser limpios, resistentes y durables, sin exceso de partículas planas, alargadas, blandas o desintegrables. Esta exento de polvo, tierra, terrones de arcilla u otras sustancias objetables que puedan impedir la adhesión completa del asfalto. El agregado fino esta constituido por arena de trituración o una mezcla de ella con arena natural. La proporción admisible de esta última dentro del conjunto se encuentra definida en la respectiva especificación. Los granos del agregado fino deben ser duros, limpios y de superficie rugosa y angular. El material debe estar libre de cualquier sustancia que impida la adhesión del asfalto. * Cemento asfáltico El cemento asfaltico a emplear en las mezclas asfálticas elaboradas en caliente será seleccionado en función de las características climáticas de la región y las condiciones de operación de la vía *
El agregado mineral que se utiliza para la realización de las briquetas es poroso, y puede absorber agua y asfalto a un grado variable. Además, el cociente de absorción entre el agua y el asfalto varía con cada agregado. Los tres métodos para medir la gravedad específica del agregado toman estas variaciones en consideración. Estos métodos son, la gravedad específica neta, la aparente, y la efectiva:
GRAVEDAD ESPECÍFICA 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. GRAVEDAD ESPECÍFICA APARENTE 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.
GRAVEDAD ESPECÍFICA EFECTIVA, GSE: Proporción de la masa en aire de 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. VACÍOS EN EL AGREGADO MINERAL, VAM: 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 ASFALTO EFECTIVO, PBE: Contenido de asfalto total de una mezcla asfáltica, menos la proporción de asfalto absorbido en las partículas del agregado. VACÍOS DE AIRE, VA: Volumen total de una pequeña bolsa de aire entre las Partículas cubiertas del agregado en una mezcla de pavimento compactado, expresado como el porcentaje del volumen neto de la mezcla del pavimento compactado.
VACÍOS LLENADOS CON ASFALTO, 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.
La estabilidad de la mezcla como una medida de su capacidad para resistir las deformaciones plásticas provocadas por cargas impuestas por el paso de los vehículos, es un parámetro importante que se evalúa especialmente cuando la
magnitud de la estabilidad de una mezcla asfáltica es controlada con el fin de evitar ahuellamientos, corrimientos y ondulaciones de las capas de rodadura. De manera similar se evalúa por el Método Marshall el flujo como indicativo de la capacidad de la mezcla para soportar deformación y así adaptarse a sentamientos graduales y movimientos en la base y en la subrasante, sin quebrarse. El concepto Estabilidad Marshall intenta relacionar dicha estabilidad con la fluencia, cuya relación define prácticamente , un modulo de rigidez, además permite determinar el contenido de asfalto optimo para cada tipo de mezcla, precisar los niveles de estabilidad, flujo, propiedades volumétricas, sensibilidad a la humedad, entre otros criterios para un agregado definido, establecer la densidad y gravedad. *
* Tomado del cap. 400 de las especificaciones del INVIAS
4. EQUIPOS Y MATERIALES
Material granular. Material fino Serie estándar de tamices, 1 ½ „‟, 1‟, ¾‟, ½‟, 3/8‟, Platones metálicos. Balanza con aproximación de 0.1 gramos. Asfalto Estufa Probetas Espátula guante 5. PROCEDIMIENTO GRANULOMETRIA DE LOS AGREGADOS.
Se realizó el tamizaje de los agregados pétreos a través de la serie ¾ ,1/2, 3/8 , No. 4, No. 10, No 40, No. 80, No. 200; se consignaron las fracciones suficientes de cada intervalo que cumplan con la franja media de las especificaciones para MDC-1 del INVIAS. Se almacenaron los agregados ya tamizados para la realización de 3 briquetas por grupo (por % de asfalto) para un total de 1200 gramos de muestra.
FABRICACIÓN DE LAS BRIQTAS MARSHALL.
Se prepararon 3 briquetas para cada contenido de asfalto. Se mezclaron las diferentes fracciones previamente dosificadas para completar una cantidad total de 100 - %ACASIGNADO en peso de los 1200 gramos presupuestados para cada una de las briquetas. Se calentó el cemento asfaltico hasta una temperatura entre 145 ºC y 150 ºC, en la estufa eléctrica procurando hacerlo de forma gradual para evitar sobrecalentamientos locales y controlando con un termómetro para evitar el
proceso de envejecimiento y oxidación. Igualmente en la estufa eléctrica se calentaron los agregados hasta una temperatura entre 150 ºC y 160 ºC, teniendo cuidado de no permitir perdidas y se revolvió uniformemente para garantizar el calentamiento homogéneo de las partículas, cuando la tonalidad de los agregados se tornó un poco mas oscura era un indicativo del punto optimo de temperatura para la mezcla; de cualquier forma la temperatura se monitoreócontinuamente con el termómetro de reloj. Mientras se hizo el calentamiento de los agregados y el asfalto se calentó el molde y el pisón del martillo de compactación a una temperatura similar, para cuando la mezcla de ellos estuviera lista para su compactación. Cuando los agregados y el asfalto estuvieron a la temperatura recomendada para la fabricación de la mezcla, se hizo el vertimiento del asfalto a los agregados hasta completar la cantidad indicada, y de manera seguida se realizó el mezclado enérgico de los agregados y el asfalto con ayuda de una varilla y contando con los implementos de seguridad adecuados para el caso, como son los guantes. La mezcla se llevó a cabo hasta que se obtuvo un color homogéneo. Momentos previos a la adición de la mezcla en el molde, este se lubricó con aceito tipo pesado para facilitar las acciones posteriores de retiro de la briqueta. Se armó el molde colocándolo sobre su base, con el filtro y su collarín. Se adicionó la mezcla al molde de compactación procurando que no hubiera pérdidas de material. Se compactó la mezcla con 75 golpes por cada lado. Al finalizar la compactación, se retiró el collarín, el filtro y se dejó enfriar a temperatura ambiente.
Fig 5. Material tamizado y asfalto calentados
Fig. 6. Moldes con aceite
Fig.7. mezcla agregados y asfalto calientes fig. 8. Mezcla vertida en el molde de comp.
Fig.9.mezcla compactada por ambos lados fig.11. Briquetas fabricadas
fig.10. preparación de la briqueta
ENSAYO DE DENSIDAD.
El ensayo de densidad consiste en determinar el peso especifico bulk de cada una delas briquetas compactadas, para luego promediar y obtener un punto por cada uno de los porcentajes de contenido de cemento. Se registró 3 lecturas tanto del diámetro, como de altura de cada una de las tres briquetas con un calibrador. Se registró el peso de la briqueta en el aire, mediante la balanza mecánica. Se procedió a derretir suficiente parafina como para que la mayor parte de la superficie de la briqueta quede recubierta al sumergirla.
Una vez la parafina estuviera derretida, se sumergieron las briquetas parcialmente hasta recubrirlas con la parafina y darles una condición impermeable. Se registrar el peso de la briqueta parafinada. Se realizó el montaje del lastre para registrar el peso de la briqueta parafinada sumergida en el agua, es decir, su peso aparente en el agua. Una vez registrados los pesos necesarios, para calcular el Gbulk, se procedió a secar las briquetas y a hacer el raspado de la parafina con ayuda de una espátula teniendo cuidado de no alterar las condiciones de las briquetas.
Fig.12.toma de datos de briquetas
fig.14. briqueta sumergida en parafina
Fig.15. briqueta parafinada fig.17. peso briqueta parafinada en el agua
fig.16. peso briqueta parafinada
ENSAYO DE JAMES RICE El ensayo Rice tiene su fundamento en el calculo del Peso especifico máximo medido (Gmm) de cada una de las briquetas, que mas adelante servirá para hacer la curva correspondiente frente al porcentaje de contenido de asfalto de cada uno de los grupos. Se registró el peso de la probeta (1000 cc) vacía. Se tomó nota del peso de la probeta llena de agua hasta la marca de aforo (1000 cc) a la temperatura media de servicio ( T - 25ºC), luego se vació y se secó. Se tomaron 700 gr de mezcla asfáltica. Una vez se tuvo la mezcla asfáltica con las especificaciones propias del ensayo, se dejó enfriar tan solo lo suficiente como para ser manipulada sin guantes, procediendo inmediatamente a la disgregación de las partículas mayores. Se
adicionó
la muestra a la probeta previamente calibrada, mediante un
embudo (puede ser improvisado con papel filtro). Se registró el peso de la probeta mas muestra, “sin asentar”. Se adicionó una cierta cantidad de agua a la probeta de forma tal que la mezcla quede completamente sumergida, pero sin llenarla. Se eliminaron de vacios al interior de la mezcla realizando movimientos oscilatorios con la muñeca en sentido de vaivén, hasta que se observe la inexistencia de burbujas. Finalmente se registró este peso y desechó la muestra inmediatamente para evitar su adherencia a las paredes de la probeta, lavándola con gasolina.
Fig.18. 700 gr de material
fig.19. peso de la probeta + agua
ENSAYO DE ESTABILIDAD Y FLUJO. Con las 3 briquetas realizadas para el ensayo, y una vez desparafinadas, realizar el siguiente procedimiento de falla en la Prensa Marshall para determinar su Estabilidad. (Resistencia a la carga), y Flujo (deformación). Se introdujo previamente las briquetas al Baño María a la temperatura media máxima de servicio en verano (60 ºC), lo cual lleva un tiempo de 30 a 40 minutos aproximadamente. Se limpiaron las mordazas de la prensa y lubricantes con aceite. Una vez se alcanzó la temperatura especificada, se sacó una por una las briquetas del Baño María (a medida que se fallaron); colocándolas en la mordaza inferior de tal forma que se acomodaran lo mejor posible y enseguida se ajustó la mordaza superior. Teniendo el montaje de las mordazas con la muestra en la Prensa Marshall, se ubicaron los diales de carga y deformación en su lugar y en ceros; para proceder así a la aplicación de la precarga y luego carga a una velocidad de 2 pulg/min hasta que se presente la falla de la briqueta, registrando en este
momento la lectura de máxima carga (Estabilidad, Lb.) y su correspondiente deformación (Flujo, 1/100”)
Fig.23. prensa Marshall
FORMULAS UTILIZADAS
Donde: W1=peso briqueta en aire W2=peso briqueta parafinada en el aire W3=peso de la briqueta para-finada en el agua Gp= peso especifica de la parafina (0.96)
Donde: A=peso de la muestra seca suelta B=peso del frasco más agua C=peso del frasco más agua mas muestra
ANÁLISIS DE DENSIDAD Y VACIOS
VOLÚMENES PARCIALES
COMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA
CÁLCULOS GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK
A= Peso briqueta en el aire B= Peso briqueta parafinada en el aire C= Peso briqueta parafinada en el agua F= Gravedad específica de la parafina
GRAVEDAD ESPECÍFICA MÁXIMA TEORICA (Gmm)
A= Masa en el aire D= Masa recipiente con agua E= Masa Recipiente lleno con agua + muestra
DATOS OBTENIDOS
Gbulk
ITEM % Asfalto % Agregado
2
3
4
5
5
5.5
6
6.5
7
95
94.5
94
93.5
93
Estabilidad
Flujo
Peso Peso p Peso P P (b+p) seco de Recipiente (b+p) Recipiente Medida briqueta sumergida la + muestra Corregida Promedio 0.01" aire +agua a Kg aire (g) (g) muestra + agua a (g) 25ºC (g) (g) 25ºC (g)
Espesor (cm)
6.855 6.690 6.790 1
Gmm
67.8
1113
1114
587.81
6.770 6.775 7.025
68.6
1137
1150
603.75
6.720 6.880 6.790
68.0
1143
1154
614.8
7.180 7.150 7.170
71.7
1143
1151
596.26
7.250 7.190 7.260
72.3
1151
1162
591.74
7.130 7.190 7.110
71.4
1162
1159
580.61
6.600 6.800 6.700
67.0
1157
1170
616.7
6.900 6.980 6.700
68.6
1147
1160
594.05
6.800 6.800 6.700
67.7
1156
1164
599.02
6.650 6.590 6.730
66.6
1155
1161
610.46
1934
1912
1975
2049
5640
5640
5847
5640
6780
6757
7019
6818
Gmb
959
865.977
1.84
2.120
1032
912.288
4.20
2.137
1052
944.696
981
812.268
4.05
2.093
887
727.34
3.80
2.062
820
682.24
1998
1844.154
4.13
2.146
1289
1139.476
3.45
2.079
870
787.35
1013
944.116
9.85
2.123
949
873.08
1.20
2.311
1002
935.868
907.654
740.616
1256.993
1.89
5.88
5.03
2.65
4.58
4.20
1173
661.60
6.720 6.630 6.600
66.5
1164
1168
631.40
6.250 6.330 6.310
63.0
1155
1163
622.30
889
900.557
9.96
2.171
6.960 6.890 6.950
69.3
1161
1169
613.42
1159
1009.489
5.93
2.123
7.000 6.900 7.100
70.0
1159
1163
630.10
905
776.49
1963
5640
6797
895.512
2.96
6.28
2.436 2.375
2.051
2.405 2.359
2.101
2.460 2.343
2.207
2.352 2.327
2.162
2.435 2.311
2.078
1167
5.49
2.141
1.998
67.0
5.41
Gmt
2.168
6.700 6.720 6.690
917.688
Gmb Gmm Promedio
2.187
2.193
CALCULOS VOLUMÉTRICOS
COMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA
TABLA CALCULOS VOLUMETRICOS
% Asfalto 5 5.5 % Asfalto 6
5 5.5 7 6 6.5 7
6.5
% Agregado 95
Gmb Promedio 2.141
Gmm 2.436
Gmt
Vt
Vmm
Vmt
Vasf
Vagr
Va
%Vt m
Vba
Vbe
2.375
46.698
41.055
42.109
4.854
37.255
5.644
12.085
1.054
3.800
48.760
41.579
42.399
5.340
37.059
7.180
14.726
0.819
4.521
Gmb 94.5 2.051 2.405 2.359 Promedio Estabilidad Flujo 94 2.101 2.460 2.343 2.141 907.65 2.6 93.5 2.207 2.352 2.327 2.051 740.62 4.6 93 2.162 2.435 2.311 2.101 1256.99 4.2 2.207 917.69 5.5 2.162 895.51 6.3
%Vtm % Vagr 47.600 40.658 42.688 12.085 79.778 45.307 42.509 42.977 14.726 76.003 46.248 41.068 43.267 14.583 77.443 6.177 80.929 11.201 78.859
%Vb e
% Vagr
% VFA
8.137
79.778
23.921
9.271
76.003
23.488
% VFA 5.825 36.863 6.942 14.583 2.030 3.795 7.974 77.443 20.652 23.921 6.311 36.667 2.799 6.177 0.469 5.842 12.894 80.929 48.606 23.488 6.796 36.471 5.180 11.201 2.199 4.597 9.940 78.859 29.099 20.652 TABLA DE RESULTADOS COMPOSICIÓN 48.606 VOLUMÉTRICA 29.099
% Asfalto Vs Densidad Bulk Densidad (gr/cm3)
2,250 2,200 2,150 2,100 2,050 2,000 4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
7
7,5
% Asfalto
Estabilidad (Kg)
% Asfalto Vs Estabilidad 1400,00 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 4,5
5
5,5
6
6,5
% Asfalto
Flujo 0.01"
% Asfalto Vs Flujo 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 4,5
5
5,5
6 % Asfalto
PbA= Valor Óptimo Densidad PbB= Valor Óptimo Estabilidad PbC = Punto Medio Especifico por Flujo
6,5
7
7,5
% Asfalto Vs % VTM 20,000 % VTM
15,000 10,000 5,000 0,000 4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
6,5
7
7,5
6,5
7
7,5
% Asfalto
% VAM
% Asfalto Vs % VAM 82,000 81,000 80,000 79,000 78,000 77,000 76,000 75,000 4,5
5
5,5
6 % Asfalto
% VFA
% Asfalto Vs % VFA 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0,000 4,5
5
5,5
6 % Asfalto
6. ANALISIS DE RESULTADOS El porcentaje óptimo de cemento asfalto es de 5% del análisis de la graficas anteriores. Lo que quiere decir que el porcentaje no cumple con lo requerido para el método de dosificación de una muestra en caliente y no cumple con los requisitos exigidos por las especificaciones del INVIAS. . En la gráfica de %de asfaltos vs % de vacíos, el porcentaje de asfaltos 4.5% pero % de vacíos en agua da negativa, esto nos indica o que está mal hecho el ensayo, o que quedo bien compactado, las briqueta para que no haya vacíos.
Podemos ver que para el 4,5% que todas cumplen con la Estabilidad, pero el porcentaje de asfaltos utilizados (4%, 4,5%, 5,5%y 6%) vacíos con aire no cumplen en la especificaciones, En cuanto a vacíos de los agregados minerales cumpliría para la mezcla 0 y mezcla 1 en Nivel de Transito 2 y Nivel e Transito 3 menos el % de asfaltos utilizado4%, En cuanto a Flujo cumpliría para Nivel de Transito 2 y Nivel de Transito 3.
El porcentaje de vacíos está dentro del rango intermedio, de las especificaciones del INVÍAS ya que si es muy bajo puede presentarse una tendencia hacia la exudación del asfalto. También si es muy alto se puede presentar un envejecimiento prematuro al estar al interperismo
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio granulométrico de los materiales empleados en las obras de ingeniería además de ser uno de las pasos iníciales para una gran mayoría de ensayos, es de gran importancia para determinar con base en el tamaño de las características mecánicas del material a ensayar. El laboratorio Marshall realizado para el diseño de mezclas asfálticas deja ver la importancia de lograr propiedades volumétricas adecuadas en la carpeta asfáltica terminada, ya que de esto depende en gran medida el desempeño de la superficie de rodamiento en su vida de servicio. De ahí, la trascendencia de simular de manera adecuada en el laboratorio la densificación que ocurre en campo, bajo la acción vehicular y de esta forma llegar a fórmulas de trabajo que permitan dosificar mezclas que exhiban un mejor comportamiento en condiciones específicas de tránsito y clima. El principal estudio que se le debe realizar a un material debe ser su granulometría, por medio de elementos del laboratorio como lo son los tamices, para así conocer la clasificación de su tamaño, y luego proceder a estudios más específicos. Teniendo se tuvo en cuenta que las briquetas no fueron elaboradas por un solo laboratoristas se puede explicar el bajo grado de precisión en la elaboración de las mismas y por consiguiente en los resultados. 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 Cuando la mezcla no cumple con los criterios de diseño en cualquier contenido de asfalto seleccionado, es necesario modificarlo o rediseñar la mezcla cambiando la graduación de los agregados ajustando los porcentajes utilizados Podemos concluir que el diseño final de las mezclas es usualmente la más económica y que cumpla satisfactoriamente con todos los criterios establecidos
8. BIBLIOGRAFÍA LABORATORIO DE SUELOS Y PAVIMENTOS – LSP. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Transporte y Vías. Curso de Materiales para Ingeniería. Tunja I semestre de 2008. ESPECIFICACIONES GENERALES DE CARRETERAS. Instituto Nacional de Vías (INVIAS). 2007 NORMAS DE ENSAYO DE MATERIALES. Instituto Nacional de Vías (INVIAS). 2007
