Diseño de mezclas asfálticas en caliente (MAC). Método Marshall Prof. Johannes Briceño

Métodos para el diseño de mezclas: Método Mashall. Método Hubbard- Field. Método Hveen. Método Super Pave Otros. Estudiar los materiales: 1.1) Agregados: Piedra, arrocillo, arena y filler. Estudios: Peso especifico, granulometría, desgaste de los ángeles, equivalente de arena, caras fracturadas, partículas planas y alargadas.

1.2) Cemento asfaltico: Estudios: Peso especifico, penetración, solubilidad, ductilidad, punto de inflamación, viscosidad. Método de diseño a utilizar: Método Marshall.

Método Marshall (original), Bruce Marshall, método de tanteos (ensayo y error). Pasos: Estudio de Cemento Asfaltico (CA). Estudio de los agregados. Diseño de las mezclas de agregados. Elaboración de briquetas. Relación Peso-Volumen. Ensayos de las briquetas. Gráficos de los resultados. Determinación del contenido optimo de asfalto.

Elaboración de las Briquetas: a) Materiales: Agregado grueso Peso Especifico: Agregado Fino 1) Bruto ( bulk), ensayo Agregado Filler valor mas bajo. 2) Efectivo, calculado, valor medio. 3) Aparente, ensayo, valor mayor.

Cemento asfaltico: Gb=1.020 ---- 1.030 P1,P2,P3  Proporciones de agregados en la mezcla. Ejemplo: 100% Peso mezcla  5% CA (en peso) y 95% Agregado (en peso) 50% Grueso=0.95*50 30% Fino= 0.95*30 20% Filler= 0.95*20 %CA = 5% 100%

Briquetas  15 briquetas, 3 briquetas para cada porcentaje de CA. Briqueta de: h=2 ½ plg. 𝜙= 4 plg. Peso: 1200 g.

Energía de Compactación b) Compactación de Briquetas  Se compactan a una temperatura de ± 120°C. La compactación se hace en una sola capa, en el martillo Marshall. Energía de Compactación # Capas # Golpes Peso Martillo Altura de Caída 1 75 golpes/cara para Trafico pesado y medio 50 golpes/cara para Trafico bajo 10 lbs 18 plg

Mezclado Temp. ±165°C Compactado Temp. ±120 °C

c) Briqueta Compactada: c.1) Peso Briqueta. c.2) Medir Volumen. c.2.1 Geométricamente. c.2.2 Peso de la briqueta balanza hidrostática.

c.2.4 Briqueta cubierta de parafina. c.2.3 Superficie seca saturada, comparar peso en el aire y peso sumergido, esta forma es mas recomendable. Peso al aire c.2.4 Briqueta cubierta de parafina. Densidad bruta o bulk de mezcla= Peso briqueta al aire/ Volumen

d) Relación Peso - Volumen Aire Asf. Efectivo, Adherencia Asfalto Asf. absorbido, Cohesión Vol bruto (bulk) Máximo teórico Vol. Efectivo Agregado

Peso especifico de los agregados: Peso especifico bruto (bulk) (laboratorio) (Gsb). Peso especifico efectivo (calculado) (Gse). Peso especifico aparente (laboratorio). Gse>Gsb a) Peso especifico bruto (bulk) del agregado(Gsb). P1,P2,Pn= % de peso de cada agregado en la mezcla. G1,G2,Gn= Peso especifico bulk del agregado

Gse= 𝑃𝑚𝑚−𝑃𝑏 𝑃𝑚𝑚 𝐺𝑚𝑚 − 𝑃𝑏 𝐺𝑏 Ejemplo: Gsb= 47.4+47.3 47.4 2.716 + 47.3 2.689 =2.703 b) Peso especifico efectivo del agregado(Gse). Ejem: Gse= 𝑃𝑚𝑚−𝑃𝑏 𝑃𝑚𝑚 𝐺𝑚𝑚 − 𝑃𝑏 𝐺𝑏 Pmm=% en peso de la mezcla suelta = 100% Pb=% peso del cemento asfaltico = 4,4.5,5,5.5,6 Gb= Peso especifico del CA. Gmm= Peso especifico máximo de la mezcla, Método RICE Gse= 100−5,3 100 2.535 − 5.3 1.030 =2.761

Densidad teórica máxima de la mezcla ( efectiva sin vacíos) Densidad teórica máxima de la mezcla ( efectiva sin vacíos). Método RICE, para diferentes contenidos de CA. El ensayo lleva mucho tiempo (1/2 dia), consiste en tomar la muestra suelta, pesarla y medir su volumen sin compactar. Gmm= 𝑊(𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎) 𝑊 𝑝𝑖𝑐+𝑎𝑔𝑢𝑎 −(𝑊 𝑝𝑖𝑐+𝑎𝑔𝑢𝑎+𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 −𝑊(𝑝𝑖𝑐+𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎) Gmm= 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 sin 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠

Gmm= 𝑃𝑚𝑚 𝑃𝑠 𝐺𝑠𝑒 + 𝑃𝑏 𝐺𝑏 Gmm= 100 96 2.761 + 4 1.030 =2.582 Ps=% de agregado en la mezcla. Pb= % de CA en la mezcla. Gse= Gravedad especifica efectiva del agregado. Gb=Peso especifico del CA. Gmm= 𝑃𝑚𝑚 𝑃𝑠 𝐺𝑠𝑒 + 𝑃𝑏 𝐺𝑏 Ejemplo: Pb=4% Nota: El ensayo se hace para un % de CA y para los demás el Gmm de halla con formulas. Gmm= 100 96 2.761 + 4 1.030 =2.582

PE aparente>PE efectivo>PE bulk En General: PE aparente>PE efectivo>PE bulk PE aparente= 𝑊 (𝑚𝑎𝑠𝑎) 𝑉 𝑚𝑎𝑠𝑎 +𝑉(𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑖𝑚𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠) PE efectivo= 𝑊 (𝑚𝑎𝑠𝑎) 𝑉 𝑚𝑎𝑠𝑎 +𝑉 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑖𝑚𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 +𝑉(𝑝𝑜𝑟𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑛𝑜 𝑎𝑙 𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜) PE bulk (bruto)= 𝑊 (𝑚𝑎𝑠𝑎) 𝑉 𝑚𝑎𝑠𝑎 +𝑉 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑖𝑚𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 +𝑉(𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠)

Contenido de asfalto efectivo en la mezcla (Pbe): Recubre las partículas y da adherencia. Pbe=% asfalto efectivo. Pb=% peso del cemento asfaltico = 4,4.5,5,5.5,6 Pba=% Asfalto absorbido. Ps=% en peso de agregado en la mezcla Pbe=Pb - 𝑃𝑏𝑎 100 𝑥𝑃s

Contenido de asfalto absorbido (Pba): Ejemplo: Pba=100x 𝐺𝑠𝑒−𝐺𝑠𝑏 𝐺𝑠𝑏𝑥𝐺𝑠𝑒 xGb Pba=100x (2.761−2.703) 2.703𝑥2.761 x1.030=0.8% Pbe=5.3 - 0.8∗94.7 100 =4.5%

Vacíos Totales (Va)  Espacios ocupados por aire. Vacíos en el agregado mineral (VAM) Del total lo no ocupado por agregado. Vacíos llenados con asfalto (Vll)  Espacio ocupado por asfalto efectivo. Gmm= Densidad teórica máxima (RICE) Gmb=Peso especifico bruto de la mezcla compactada (Briqueta) Gmb=W/Vol Gsb= Peso especifico bruto del agregado total. Va= 𝐺𝑚𝑚 −𝐺𝑚𝑏 𝐺𝑚𝑚 x100

Ensayo de las Briquetas Las briquetas ya compactadas se someten a calor y humedad para simular condiciones ambientales extremas, se sacan del baño maría (60 °C por 30 min), luego se llevan a la prensa Marshall.

Especificaciones de las propiedades índices de la mezcla: Se mide deformación en sentido vertical, aunque se produce en todos los sentidos. A esa deformación se le llama flujo (deformación permanente). Estabilidad  Resistencia ≥2200 lbs Flujo  Deformación (8 ---14 (1/100) pulg) Según el tamaño de la briqueta, la estabilidad tiene una corrección: Estabilidad Medida*FC=Estabilidad corregida. Especificaciones de las propiedades índices de la mezcla:

Gráficos y Resultados Va vs %CA VAM vs %CA VLL vs %CA PU vs %C Estabilidad vs %CA Flujo vs %CA

Determinación del contenido optimo de asfalto Método del Instituto del asfalto % CAoptimo= (%CA1+%CA2+%CA3+%CA4)/4 Con %CAoptimo  Flujo vs %CA Se chequea que cumpla con la Normativa ( 8 ----14 (1/100 plg))

Con %CAoptimo  VAM vs %CA Debe cumplir con las especificaciones, depende del tipo de mezcla, según el tamaño nominal de los agregados (Tabla)  VAM=?

Nota: Si no cumple el flujo y VAM, entonces se tantea con valores de flujo y VAM dentro de las especificaciones de la norma y se toma un nuevo %CAoptimo, luego se chequea con ese nuevo %CAoptimo Estabilidad, Va, Vll. El %CAoptimo tiene una tolerancia en planta de ± 0.3% %CAplanta= %CAoptimo ± 0.3% Nota: La densidad de campo de mezcla asfáltica debe ser ≥97% de la densidad de diseño (no es de la densidad de la grafica sino de una briqueta testigo). La densidad de campo se puede determinar con densímetro nuclear o núcleos testigos (Core Drill)

Método de la Asociación Nacional de Pavimentos Asfalticos (NAPA) Con Va promedio 3%----5%  Va=4% Para Va=4% determinar en la curva Va vs %CA el %CA. Con el %CA determinado en el paso (b) hallar: Estabilidad, Flujo, VAM, Vll. Comparar con las especificaciones: Estabilidad, Flujo, VAM, Vll. Si cumple con todas  Ese es el %CA preliminar de diseño. Si no cumple con alguna hay que rediseñar la mezcla.

Tamaño Nominal Máximo (mm) Tabla de especificaciones para VAM Ejercicio: A partir de la siguiente tabla contentiva de los ensayos realizados a las briquetas de mezcla asfáltica, determinar el contenido de cemento asfaltico optimo por los dos métodos. % VAM Tamaño Nominal Máximo (mm) Va=3% Va=4% Va=5% 25 11 12 13 19 14 12.5 15 9.5 16