CAPITULO 10 Diseño de Mezclas Asfálticas

download CAPITULO 10 Diseño de Mezclas Asfálticas

of 44

Transcript of CAPITULO 10 Diseño de Mezclas Asfálticas

CAPITULO 10: DISEO DE MEZCLAS ASFLTICAS10.1 Tipos de Mezclas Asflticas Las mezclas asflticas en caliente, HMA se divide en tres tipos: de gradacin densa, opengraded o mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometra incompleta. La Tabla 10.1 presenta los tipos de mezclas de acuerdo a las caractersticas granulomtricas. Las gradaciones densas se subdividen en gradacin continua o HMA convencional, large-stone mix, y mezcla arena-asfalto. Las mezclas open-graded se dividen en open-graded friction course, OGFC y base permeable tratada con asfalto. El tipo gap-graded abarca mezclas de concreto asfltico gap-graded y mezclas stone mastic asphalt, SMA. Algunas mezclas HMA deben ser diseadas para casos particulares. Un ejemplo de este tipo son las mezclas open-graded friction course OGFC, que se disean para mejorar la friccin, evitar encharcamientos y emanaciones de vapor del pavimento, y disminuir los niveles de ruido. La Federal Highway Administration, FHWA junto con la National Asphalt Pavement Association, NAPA prepararon una gua para la apropiada seleccin del tipo de mezcla que considera factores como el trfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su preparacin, y evaluacin econmica. Tabla 10.1: Tipos de Mezclas Asflticas en CalienteGradacin densa Convencional Tamao mximo nominal usualmente de 12.5 a 19mm (0.5 a 0.75 pulg.) Large-stone Tamao mximo nominal usualmente de 25 a 37.5mm (1 a 1.5 pulg.) Arena asfalto Tamao mximo nominal menos que 9.5 mm (0.375pulg.) Open-garded Porous friction course Gap-graded Gap-graded convencional

Base permeable tratada Stone Mastic Asphalt con asfalto (SMA)

S. MINAYA & A. ORDOEZ

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Si las mezclas se clasificasen segn el porcentaje de vacos atrapada en la mezcla luego de la compactacin se clasificaran de la siguiente manera: Mezclas Densas Vacos de aire, Va < 6% Mezclas convencionales Mezclas Superpave Mezclas SMA Mezclas semi-cerradas 6% < Va < 12% Mezclas abiertas Va > 12% Mezclas porosas Va > 20% 10.2 Definiciones a) Mezclas de gradacin densa HMA HMA de gradacin densa estn compuestas por ligante de cemento asfltico y agregado de gradacin continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamao mximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). Foto 10.1 Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamao mximo nominal mayor que 25 mm (1 pulg.). Como se ve en la figura 9.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (mayores que el tamiz 4.75 mm o no. 4). Por el mayor tamao de los agregados, el esfuerzo de compactacin aplicado a la mezcla debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactacin. Asfalto-arena est compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (figura 10.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales porque se incrementan los vacos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es tpicamente muy bajo. b) Mezclas open-graded Las mezclas open-graded consisten de una gradacin relativamente uniforme y ligante de cemento asfltico o ligante modificado (figura 10.1b). El principal propsito de este tipo de mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento. Figura 10.2 y Foto 10.2.

S. MINAYA & A. ORDOEZ

164

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

a. Gradacin densa

b. Opengraded

c. Gap-graded

Figura 10.1: Gradaciones representativas de HMAS. MINAYA & A. ORDOEZ165

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Como se indic, hay dos tipos de mezclas open-graded. El primer tipo de mezcla son utilizadas como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradacin uniforme de tamao mximo nominal mayor que las usadas en OGFC 19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La produccin de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradacin densa. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se estn empleando polmeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocacin de este tipo de mezclas es convencional. El esfuerzo de compactacin por lo general es menor que las mezclas de gradacin densa. c) Mezclas gap-graded La funcin de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradacin densa porque estas tambin proporcionan capas densas impermeables cuando la compactacin es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos aos. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaos intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la figura 10.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representacin ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura 9.1c. La produccin de mezclas SMA requiere la incorporacin de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o no. 200. Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o transporte. Las fibras y/o polmeros son normalmente usados con SMA para prevenir el draindown. 10.3 Consideraciones del Diseo de Mezclas La caracterstica del diseo de mezclas comprende: Densidad de la mezcla Vacos de aire Vacos en el agregado mineral Contenido de asfalto.S. MINAYA & A. ORDOEZ166

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Cada una de estas caractersticas tiene mucha importancia en el comportamiento de la mezcla. La densidad de la mezcla es la relacin entre el peso de la mezcla por unidad de volumen. Si bien es cierto que esta caracterstica no es utilizada en el diseo de la mezcla, se emplea para los controles de compactacin. A la mezcla asfltica compactada en el laboratorio se le asigna la densidad patrn y ser sta el punto de referencia en los controles. Los Vacos de aire o vacos estn conformados por el aire atrapado en la mezcla compactada. A menor porcentaje de vacos de aire la mezcla ser menos permeable. En el diseo de mezclas convencionales, los vacos de aire estn entre 3 a 5% en laboratorio, pero en campo se permite tener vacos de aire no mayores al 8% permitiendo que la carpeta se compacte bajo trnsito. La densidad de la mezcla est en funcin del contenido de vacos, mezclas con menor porcentaje de vacos sern ms densas, y visceversa. Un alto porcentaje de vacos de aire resulta en una mezcla porosa, que permite el paso del agua a travs de su estructura, pero adems puede causar deterioro debido a que hay mayor porcentaje de aire (como se mencion en captulos anteriores el aire oxida el asfalto). Bajos porcentajes de vacos de aire son perjudiciales en la mezcla, debido a que cuando soporta las carga de trnsito la carpeta se comprime y el asfalto se acomoda en los vacos atrapados, si el nmero de vacos es pequeo, el asfalto no podr acomodarse en el interior y tendr que salir a la superficie, esto se conoce como exudacin. Los Vacos en el agregado mineral (VMA) consideran los volmenes ocupados por los vacos de aire atrapados y el asfalto efectivo1. El diseo considera un porcentaje mnimo de VMA dependiendo del tamao del agregado. Si el porcentaje del VMA son bajos la pelcula de asfalto ser delgada y la mezcla ser susceptible a oxidacin. Con altos porcentajes de VMA la pelcula de asfalto ser mas gruesa y la mezcla ser ms durable. Una graduacin densa puede reducir el porcentaje de VMA, reduciendo la pelcula de asfalto y, por consiguiente, reduciendo la durabilidad de la mezcla y dndole un aspecto seco. El Contenido de asfalto es el porcentaje de asfalto que se incorpora en la mezcla. Parte del asfalto ser absorbido por el agregado y el resto de asfalto formar una pelcula que rodean las partculas. A los primeros se les denomina asfalto absorbido y al segundo asfalto efectivo. El ptimo contenido de asfalto de la mezcla est en funcin de la granulometra y el porcentaje de absorcin del material. Mezclas con alto porcentaje de filler (mayor superficie especfica) requerirn mayor porcentaje asfalto, por ejemplo las mezclas SMA tienen mas porcentaje de asfalto que una mezclas convencional y superpave. Mezclas porosas (% filler menor de 2%) necesitan menor porcentaje de asfalto.

1

Asfalto efectivo es la pelcula de asfalto que rodean los agregados

S. MINAYA & A. ORDOEZ

167

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Foto 10.1: Mezcla Convencional

Figura 10.2: Mezcla Porosa

Foto 10.2: Mezcla Porosa

S. MINAYA & A. ORDOEZ

168

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Las Propiedades consideradas en el diseo son: Estabilidad Durabilidad Impermeabilidad Trabajabilidad Flexibilidad Resistencia a la fatiga Resistencia al deslizamiento La estabilidad est relacionada con la capacidad del asfalto para soportar deformaciones bajo cargas de trnsito y resistir el desplazamiento horizontal, depende de la friccin y cohesin interna. La friccin se relaciona con la geometra y textura de la partcula; la cohesin se relaciona con las caractersticas del ligante. Los agregados que forman parte de mezclas asflticas deben ser de caras fracturadas y superficie rugosa, generalmente provenientes de chancado. Los agregados con estas caractersticas tienen una mejor trabazn y mayor resistencia cortante, caso contrario al de agregados con partculas redondeadas que se deslizan una sobre otras. La estabilidad de la mezcla se ha medido respecto del porcentaje de asfalto. A mayor porcentaje de asfalto la mezcla se hace ms estable hasta determinado lmite, luego la estabilidad de la mezcla disminuye. A medida que se incrementa el porcentaje de asfalto en la mezcla, la pelcula de asfalto que rodea los agregados permite que estos se acomoden. Si la pelcula de asfalto es muy gruesa impide la trabazn entre las partculas. La durabilidad de la mezcla se relaciona a la capacidad del agregado a la desintegracin, a la capacidad del asfalto a reaccionar con el medio y a evitar que el asfalto se desprenda del agregado. Los agregados que forman parte de mezclas asflticas, no slo deben cumplir con especificaciones granulomtricas, sino tambin de calidad. Las presiones que soportarn los agregados, sobre todo en sus aristas son altas, por lo tanto deben ser duros y muy resistentes. Para que no exista riesgo de peladuras (desprendimiento de la pelcula de asfalto) los agregados deben ser hidrofbicos. La pelcula de asfalto cumple un papel importante en la durabilidad de la mezcla. Si la pelcula es gruesa, se tendr menor porcentaje de vacos de aire, esta condicin retarda la oxidacin que sufre el asfalto al encontrarse en contacto con el oxgeno, manteniendo por mayor tiempo sus caractersticas originales. Los vacos de aire no se deben reducir mucho porque el asfalto necesita espacio para expandirse en climas clidos. Si la pelcula es delgada el asfalto se oxidar rpidamente.

S. MINAYA & A. ORDOEZ

169

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

La impermeabilidad es la capacidad del medio para evitar el paso de aire y agua. Esta definicin se relaciona con el porcentaje de vacos de aire en la mezcla compactada y el acceso que estos vacos tengan con la superficie. Mezclas porosos son diseadas con la finalidad de permitir que el agua proveniente de las lluvias drene rpidamente a travs de ellas. El alto porcentaje de vacos de aire de este tipo de mezclas facilitara la oxidacin del asfalto; sin embargo, esta condicin se reduce usando asfaltos modificados. La trabajabilidad de la mezcla es la facilidad con que la mezcla se coloca y compacta. Mezclas con alto porcentaje de fraccin gruesa o alto porcentaje de filler son poco trabajables. Las mezclas del tipo open graded (mezclas porosas) y gap-graded (como las Stone Mastic Asphalt) tienden a segregarse y son difciles de compactar. Mezclas con alto porcentaje de filler puede hacer que la mezcla se vuelva muy rgida evitando su adecuada compactacin. Controlar la temperatura de compactacin en la mezcla es muy importante, debido a que las mezclas fras son semi-rgidas a rgidas y no permiten su compactacin dejando alto porcentaje de vacos de aire. Mezclas flexibles resisten las deformaciones sin agrietarse. El terreno de fundacin se asentar con los aos debido al servicio, este asentamiento se reflejar en la superficie y la carpeta deber acomodarse sin agrietarse. La carpeta asfltica est soportando constantemente la accin de cargas cclicas, este tipo de cargas origina que la carpeta se flexione constantemente. La resistencia a la fatiga es la resistencia a esta flexin, esta caractersticas est ntimamente relacionada al asfalto, asfaltos oxidados no son resistentes a la fatiga. Los agrietamientos por fatiga surgen en la fibra inferior de la carpeta asfltica cuando sta trabaja a traccin, y se reflejan en la superficie denominndose piel de cocodrilo. La superficie de rodadura debe reducir la posibilidad que la llanta se deslice sobre ella, sobre todo en pocas de lluvia, esto se define como resistencia al deslizamiento. Mezclas porosas fueron pensadas para evitar el hidroplaning (encharcamiento de agua en la superficie, posiblemente por efecto de las lluvias) y deprimir el agua inmediatamente se encuentre en la superficie. Carpetas asflticas con partculas redondeadas son menos resistentes al deslizamiento que las carpetas formadas por partculas duras y de textura rugosa. 10.3 Propiedades volumtricas 10.3.1 Generalidades Un factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asflticas son las relaciones volumtricas entre el ligante asfltico y los agregados.S. MINAYA & A. ORDOEZ170

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Las propiedades volumtricas ms importantes de una mezcla compactada de pavimento son: vacos de aire (Va), vacos en el agregado mineral (VMA), vacos llenos con asfalto (VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), proporcionan un ndice del probable comportamiento de la mezcla durante su vida de servicio. 10.3.2 Definiciones El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto en diferentes grados. Adems, la proporcin de agua a asfalto absorbido varia con el tipo de agregado. Los tres mtodos para medir las gravedades especificas de los agregados consideran estas variaciones. Los mtodos son: gravedad especfica bulk, gravedad especifica aparente y gravedad especifica efectiva. La diferencia entre las gravedades especificas viene de las diferentes definiciones de volumen del agregado. a) Gravedad Especfica Bulk, Gsb La relacin del peso en el aire de un material permeable (incluyendo los vacos permeables e impermeables del material) a temperatura establecida al volumen del agregado incluyendo los vacos permeables. Figura 10.2.G sb =

(

Ws Vs + Vpp w

)

Donde: Gsb Ws Vs Vpp w

gravedad especifica bulk del agregado peso del agregado seco volumen del agregado con los vacos impermeables volumen de vacos permeables peso especfica del agua, 1 gr/cm3

b) Gravedad Especfica Aparente, Gsa Es la relacin del peso en el aire de un material impermeable con respecto al volumen del agregado incluyendo los vacos impermeables. Figura 10.2.G sa = Ws Vs w

Donde: Gsa Ws Vs w

gravedad especifica aparente peso del agregado seco volumen del agregado con los vacos impermeables peso especfica del agua, 1 gr/cm3S. MINAYA & A. ORDOEZ171

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

c) Gravedad Especfica Efectiva, Gse Relacin del peso en el aire de un material permeable (excluyendo los vacos permeables al asfalto) con respecto al volumen del agregado con los vacos impermeables y vacos permeables que no absorbieron asfalto. Figura 10.2.G se =

(

Ws Vs + Vpp Vap w

)

Donde: Gse Ws Vs w

gravedad especifica efectiva peso del agregado seco volumen del agregado con los vacos impermeables peso especfico del agua, 1 gr/cm3

Figura 10.2: Propiedades Peso-Volumen en Mezclas Asflticas Compactadas Las definiciones de vacos en el agregado mineral (VMA), contenido de asfalto efectivo (Pbe), vacos de aire (Va), y vacos llenos con asfalto (VFA) son: d) Vacos en el agregado mineral (VMA) Volumen de vacos entre los agregados de una mezcla compactada que incluye los vacos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla. Ver figura 10.3.S. MINAYA & A. ORDOEZ172

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

e) Contenido de asfalto efectivo (Pbe) El contenido de asfalto total de la mezcla menos la porcin de asfalto absorbida por el agregado. Ver figura 10.3. f) Vacos de aire (Va) Volumen total de las pequeas cavidades de aire entre las partculas de agregado cubiertas en toda la mezcla, expresada como porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Ver figura 10.3. g) Vacos llenos con asfalto (VFA) Porcin del volumen de vacos entre las partculas de agregado (VMA) que es ocupado por el asfalto efectivo. Figura 10.3.aire asfalto Vfa Vba Vmm agregado mineral Vsb Vse Vmb Vma Vb Va

Vma Vmb Vmm Vfa Va Vb Vba Vsb Vse

volumen de vacos en agregado mineral volumen bulk de la mezcla compactada volumen de vacos de la mezcla de pavimentacin volumen de vacos llenos con asfalto volumen de vacos de aire volumen de asfalto volumen de asfalto absorbido volumen del agregado mineral (gravedad especfica bulk) volumen del agregado mineral (gravedad especfica efectiva)

Figura 10.3: Esquema de una Muestra HMA Compactada

S. MINAYA & A. ORDOEZ

173

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

El diseo de mezclas Superpave requiere del clculo de VMA para mezclas compactadas en funcin de la gravedad especfica bulk del agregado. La gravedad especfica efectiva es la base para el clculo de los vacos de aire en mezclas asflticas compactadas. Los vacos en el agregado mineral (VMA) y los vacos de aire (Va) se expresan como porcentaje por volumen de mezcla. Los vacos llenos con asfalto (VFA) es el porcentaje de VMA lleno con asfalto efectivo. El contenido de asfalto puede expresarse como porcentaje del peso total de la mezcla, o por peso, del agregado de la mezcla. El Instituto del Asfalto recomienda que los valores de VMA para mezclas compactadas deben calcularse en funcin de la gravedad especfica bulk del agregado, Gsb. La gravedad especfica efectiva debe ser la base para calcular los vacos de aire en la mezcla de asfalto compactado. 10.3.3 Anlisis de Mezclas Compactadas La siguiente relacin indica el procedimiento para analizar los vacos de una mezcla compactada: 1. Medida de la gravedad especfica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM C127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128). 2. Medida de la gravedad especifica del cemento asfltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y del filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854). 3. Clculo de la gravedad especfica bulk de la combinacin de agregados en la mezcla. 4. Medida de la gravedad especfica terica mxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o AASHTO T209). 5. Medida de la gravedad especfica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o ASTM D2726 o AASHTO T166). 6. Clculo de la gravedad especfica efectiva del agregado. 7. Clculo de la gravedad especfica mxima de la mezcla a otros contenidos de asfalto. 8. Clculo del asfalto absorbido por el agregado. 9. Clculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla. 10. Clculo del porcentaje de vacos en el agregado mineral en la mezcla compactada. 11. Clculo del porcentaje de vacos de aire en la mezcla compactada. 12. Clculo del porcentaje de vacos llenados con asfalto en la mezcla compactada. 10.3.4 Gravedad Especfica Bulk del agregado Cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y filler, todos tienen diferentes gravedades especficas, la gravedad especfica bulk de la combinacin de agregados se calcula empleando la siguiente ecuacin:

S. MINAYA & A. ORDOEZ

174

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

G sb =

P1 + P2 + ...... + Pn P1 P2 P + + ...... + n G1 G 2 Gn

Donde: gravedad especfica bulk de la combinacin de agregados Gsb P1, P2, Pn porcentajes individuales por peso del agregado G1, G2, Gn gravedad especfica bulk individual del agregado. La gravedad especfica bulk del filler mineral es difcil determinarlo actualmente. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad especfica aparente del filler, el error es mnimo. 10.3.5 Gravedad Especfica Efectiva del Agregado La gravedad especfica efectiva se calcula con la gravedad especfica terica mxima de mezclas asflticas (RICE) ASTM D-2041, con la siguiente expresin:G se = Pmm Pb Pmm Pb G mm G b

Donde: Gse Pmm Pb Gmm Gb

Gravedad especfica efectiva del agregado porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra gravedad especfica terica mxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacos de aire) Gravedad especfica del asfalto

El volumen de asfalto absorbido por un agregado casi invariable menos que el volumen de agua absorbida. En consecuencia, el valor de la gravedad especifica efectiva de un agregado estara siempre entre su gravedad especfica bulk y aparente. Cuando la gravedad especfica efectiva est fuera de estos lmites, se debe asumir que este valor es incorrecto. La gravedad especfica aparente, Gsa, de la combinacin de agregados puede calcularse de manera similar a la frmula empleada para bulk pero usando las gravedades aparentes de los agregados grueso, fino y filler. 10.3.6 Gravedad Especfica Terica Mxima de Mezclas con Diferentes Contenidos de Asfalto Cuando se disea una mezcla con un agregado dado, se requiere la gravedad especfica terica mxima, Gmm, con diferentes contenidos de asfalto para calcular el porcentaje de vacos de aire para cada contenido de asfalto.S. MINAYA & A. ORDOEZ175

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Luego de calcular la gravedad especfica efectiva de los agregados considerando cada medicin de las gravedades especficas tericas mximas y promediando los resultados de Gse, la gravedad especfica terica mxima para algn otro contenido de asfalto puede obtenerse con la siguiente expresin:G mm = Ps P + b G se G b Pmm

Donde: Gmm Pmm Ps Pb Gse Gb

gravedad especfica terica mxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacos de aire) porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla gravedad especifica efectiva del agregado gravedad especifica del asfalto

10.3.7 Absorcin de Asfalto La absorcin de asfalto se expresa como el porcentaje en peso del agregado mas que como el porcentaje del peso total de la mezcla, el asfalto absorbido, Pba, se determina usando:G G sb Pba = 100 se Gb G sb G se

Donde: Pba Gse Gb Gsb

asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. gravedad especifica efectiva del agregado gravedad especifica del asfalto gravedad especifica bulk del agregado

10.3.8 Contenido de Asfalto Efectivo de la Mezcla El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de una mezcla es el contenido de asfalto total menos la cantidad de asfalto absorbido dentro de las partculas de agregado. Esta es la porcin del contenido de asfalto total cubre el exterior del agregado. Este es el contenido de asfalto que gobierna la performance de una mezcla asfltica. La frmula es:P Pbe = Pb ba Ps 100

Donde: Pbe Pb

contenido de asfalto efectivo, porcentaje del peso total de la mezcla. contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla.S. MINAYA & A. ORDOEZ176

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Pba Ps

asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla.

10.3.9 Porcentaje de VMA en Mezcla Compactada Los vacos en el agregado mineral, VMA, se definieron como los vacos entre las partculas de agregado de la mezcla compactada, incluye los vacos de aire y el contenido de asfalto efectivo, se expresa como un porcentaje del volumen total. El VMA se calcula en base a la gravedad especfica bulk del agregado y se expresa como un porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Por consiguiente, el VMA puede calcularse restando el volumen del agregado determinado por su gravedad especifica bulk del volumen bulk de la mezcla compactada. Si la composicin de la mezcla se determina como porcentaje por peso de la mezcla total:G P VMA = 100 mb s G sb

Donde: VMA Gsb Gmb Ps

vacos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk gravedad especifica bulk del agregado total gravedad especifica bulk de la mezcla compactada (AASHTO T166; ASTM D1188 o D2726) contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla

10.3.10 Porcentaje de Vacos de Aire en Mezcla Compactada Los vacos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consisten de los pequeos espacios de aire entre las partculas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacos de aire en la mezcla compactada puede determinarse usando:G G mb Va = 100 mm G mm

Donde: Va Gmm Gmb

vacos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total gravedad especifica terica mxima de la mezcla gravedad especifica bulk de mezcla compactada

10.3.11 Porcentaje VFA en Mezclas Compactadas Los vacos llenos con asfalto, VFA, es el porcentaje de los vacos entre partculas (VMA) que se llenan con asfalto. VFA, no incluye el asfalto absorbido, y se determina usando:S. MINAYA & A. ORDOEZ177

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

VFA = 100

( VMA Va ) VMA

Donde: VFA VMA Va

vacos llenados con asfalto, porcentaje de VMA vacos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk vacos de aire en mezcla compactada, porcentaje del volumen total.

10.4 Diseo de Mezcla Convencional Una mezcla para pavimentacin se clasifica de acuerdo a su tamao mximo o tamao mximo nominal. El libro Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction de la NAPA Research and Education Foundation, especifica que para la mayora de las mezclas asflticas en caliente se requieren gradaciones densas (mezclas convencionales) para agregados. En las tablas 10.2 y 10.3 se muestran las especificaciones recomendados por ASTM D-3515.Tabla 10.2: Composicin Tpica del Concreto AsflticoTamiz 50 mm (2") 37,5 mm (1 ") 25,0 mm (1") 19,0 mm (3/4") 12,5 mm (1/2") 9,5 mm (3/8") 4,75 mm (N 4) 2,36 mm (N 8)* 0,30 mm (N 50) 0,15 mm (N 100) 0,075 mm (N 200)** Cemento asfltico, % en peso de la mezcla total*** (1 1/2") 100 90-100 56-80 56-80 23-53 15-41 4-16 0-5 3-8 4 y 67 o 4 y 68 29-59 19-45 5-17 1-7 3-9 5y7 o 57 56-80 35-65 23-49 5-19 2-8 4-10 67 o 68 o 6y8 Tamao mximo nominal del agregado (1") (3/4") (1/2") Porcentaje acumulado que pasa (por peso) 100 90-100 (3/8")

100 90-100

100 90-100 44-74 28-58 5-21 2-10 4-11 7 o 78

100 90-100 55-85 32-67 7-23 2-10 5-12

8

* Las caractersticas de la gradacin total de una mezcla de asfalto para pavimentos la cantidad que pasa el tamiz 2,36 mm (N8) es un significativo y conveniente control de campo de agregado fino y grueso. La cantidad mxima permitida que pase el tamiz 2,36 mm (N8) resultara en superficies de pavimentos de textura fina, mientras que las cantidades mnimas que pasan por el tamiz 2,36 mm (N8) resultara en superficies de textura gruesa. ** El material que pasa el tamiz 0,075 mm (N200) consiste de partculas finas de agregados o filler, o ambos. Este debe estar libre de materia orgnica y partculas de arcilla y con ndice de plasticidad no mayor de 4 ensayado segn ASTM D 423 y D 424 *** La cantidad de cemento asfltico se da en trminos de porcentaje en peso del total de la mezcla. La diferencia de gravedades especficas en diferentes agregados, as como una considerable diferencia en absorcin, resulta en un rango amplio de contenido de cemento asfltico. La cantidad de asfalto que se requiere para una mezcla se debe determinar por ensayos de laboratorio apropiados o en base a experiencias con mezclas similares, o por combinacin de ambos.

S. MINAYA & A. ORDOEZ

178

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas AsflticasFLUJO VS. % DE ASFALTO

ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTOPESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO29002.300 2.290

17 162750

2850 2800 ESTABILIDAD (Lb) 2750 2700 2650 2600 2550 2500

PESO ESPECIFICO (gr/cm3)

15 FLUJO (0.01") 14 14 13 12 11 6,9 104.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

2.280 2.270 2.260 2.250 2.240 2.230 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%)

2450 2400

6,9

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

ASFALTO (%)

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTOVOLUMEN LLENO CON ASFALTO VFA (%) 100.0 90.0 79 80.0 70.0 60.0 50.0 6,9 40.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%)

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO21.0 20.0 19.0 18.0 17.0 16.0 6,9 15.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) 18,6

9.0 8.0 7.0 VACIOS VTM (%) 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) 6,9 4,0

Figura 10.3: Resultados tpicos de diseo de mezclas asflticas ensayada en la prensa Marshall

S. MINAYA & A. ORDOEZ

179

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Tabla 10.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515Mezcla Densa Tamiz 2 1 Tamao mximo nominal de agregados 1 3/8 N4 N8 N16

Gradacin de agregados (grava; fino y filler si se requiere) Porcentaje en peso2 (63mm) 2 (50mm) 1 (37.5mm) 1 (25.0mm) (19.0mm) 1/2 (12.5mm) 3/8 (9.5mm) N4 (4.75mm) N8 (2.36mm) N16 (1.18mm) N30 (600m) N50 (300m) N100 (150m) N200 (75m) 100 90-100 60-80 35-65 17-47 10-36 3-15 0-5 100 90-100 56-80 23-53 15-41 4-16 0-6 100 90-100 56-80 29-59 19-45 5-17 1-7 100 90-100 56-80 35-65 23-49 5-19 2-8 100 90-100 44-74 28-58 5-21 2-10 100 90-100 55-85 32-67 7-23 2-10 100 80-100 65-100 40-80 25-65 7-40 3-20 2-10 100 95-100 85-100 70-95 45-75 20-40 9-20

Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA, 1996.

10.5 Ejemplo La siguiente tabla ilustra los datos bsicos para una muestra de mezcla asfltica.

S. MINAYA & A. ORDOEZ

180

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Datos Bsicos para Muestras de Mezclas Asflticas(a)Constituyentes: Material Gravedad Especfica Bulk Composicin de Mezcla % por peso % por peso del total de del total de mezcla agregado 5.3 (Pb) 5.6 (Pb) 47.4 (P1) 50.0 (P1) 47.3 (P2) 50.0 (P2) -.-.2.442 2.535

AASHTO

ASTM

Cemento asfltico 1.030 (Gb) T 228 D 70 Agregado grueso 2.716 (G1) T 85 C 127 Agregado fino 2.689 (G2) T 84 C 128 Filler mineral T 100 D 854 (b) Mezcla asfltica Gravedad especifica bulk de la mezcla compactada, Gmb (ASTM D 2726) Gravedad especifica terica mxima de la mezcla, Gmm (ASTM D 2041)

1. Gravedad especfica bulk de la combinacin de agregados. Cuando la muestra se ensaya en fracciones separadas (por ejemplo, grueso y fino), el valor de la gravedad especfica promedio se calcula con la siguiente ecuacin:G= P1 + P2 + ....... + Pn P1 P2 P + + ..... + n G1 G 2 Gn

Donde: G G1, G2, ......, Gn P1, P2, ......., Pn

Gravedad especfica promedio Valores de gravedad especfica por fraccin 1, 2, ....., n Porcentaje en pesos de la fraccin 1, 2, ....., n

La gravedad especfica bulk del filler mineral es difcil de determinar. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad especfica aparente del filler, el error es despreciable. Esta ecuacin se puede aplicar para determinar la gravedad especfica bulk y aparente de la combinacin de agregados. Usando los datos del ejemplo:G sb = 50.0 + 50.0 100 = = 2.703 50.0 50.0 18.41 + 18.59 + 2.716 2.689

2. Gravedad Especfica Efectiva del Agregado, Gse El procedimiento para determinar la gravedad especfica efectiva no est normado por AASHTO o ASTM. Los valores se obtienen a partir del clculo de la gravedad especficaS. MINAYA & A. ORDOEZ181

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

terica mxima de mezclas asflticas (Gmm) ASTM D-2041, ste ensayo se realiza sobre mezclas sueltas, de esa manera se eliminan los vacos de aire. En general: Por definicin:G sa > G se > G sb W G se = s Vefec

El volumen efectivo es el volumen del agregado mas los vacos permeables al agua que no se llenaron de asfalto. En el ensayo de gravedad especfica terica mxima (Gmm), se mide el volumen de la mezcla suelta y el volumen del cemento asfltico se calcula con su peso y su gravedad especfica. El volumen efectivo del agregado se determina sustrayendo el volumen del cemento asfltico del volumen total.G se = WT Pb (WT ) VTV VAC

sustituyendo los volmenes,G se =

WT Pb (WT ) W WT AC G mm Gb

simplificando,

Donde: Ws VAC Vefec WT VTV Pmm Pb WAC Gb Gmm

1 Pb P 1 b G mm G b P P G se = mm b Pmm Pb G mm G b G se =

Peso del agregado Volumen del cemento asfltico total Volumen efectivo Peso total de la mezcla Volumen total de la mezcla suelta porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla Peso total del cemento asfltico Gravedad especfica del cemento asfltico Gravedad especifica terica mxima de la mezcla (ASTM D2041), no incluye los vacos de aire

Usando la ecuacin en el ejemplo:

S. MINAYA & A. ORDOEZ

182

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

G se =

1 0.053 0.947 = = 2.761 1 0.053 0.3945 0.0515 2.535 1.030

3. Gravedad Especfica Terica Mxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto Por definicin:G mm = Ws + WAC Vefectivo + VAC

Sustituyendo,WT Ws WAC + G se Gb WT G mm = WT (1 Pb ) WT Pb + G se Gb G mm =

simplificando, y asumiendo que el peso total es el 100%G mm = 1 1 Pb Pb + G se Gb Pmm G mm = Ps P + b G se G b

Donde: Ws VAC Vefec WT Pb WAC Gb Gse

Peso del agregado Volumen del cemento asfltico total Volumen efectivo Peso total de la mezcla contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla Peso total del cemento asfltico Gravedad especfica del cemento asfltico Gravedad especifica efectiva del agregado

Usando los datos de la tabla y la gravedad especifica efectiva, Gse, para 4% de contenido de asfalto (Pb):G mm = 1 1 = = 2.587 1 0.04 0.04 0.3477 + 0.0388 + 2.761 1.030

S. MINAYA & A. ORDOEZ

183

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

4. Porcentaje de Asfalto Absorbido, Pba El porcentaje de asfalto absorbido del agregado mineral usualmente se expresa por peso del agregado mas que por peso de la mezcla total. La ecuacin para calcular el asfalto absorbido puede obtenerse a partir de:W Pba = ba W s 100

sustituyendo, peso = volumen x gravedad especifica V Gb Pba = ba W s 100

El volumen de asfalto absorbido es la diferencia entre el volumen bulk del agregado y su volumen efectivo. Por lo tanto,Pba =

(Vsb Vse ) G bWs

100

sustituyendo, volumen = peso/ gravedad especifica Ws W s G G se sb Pba = Ws Gb 100

simplificando,

G G sb Pba = se G b 100 G sb G se

Donde: Pba Wba Ws Vba Vsb Vse Gb Gse Gsb

porcentaje de asfalto absorbido por peso del agregado peso de asfalto absorbido peso del agregado peso de asfalto absorbido volumen bulk del agregado volumen efectivo del agregado gravedad especifica del cemento asfltico gravedad especifica efectiva del agregado gravedad especifica bulk del agregado

Reemplazando los datos del ejemplo:Pba = 2.761 2.703 0.058 1.030 100 = 1.030 100 = 0.8% 2.703 2.761 7.463

S. MINAYA & A. ORDOEZ

184

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

5. Porcentaje de Asfalto Efectivo, Pbe El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de la mezcla es el contenido total de asfalto menos la cantidad de asfalto que absorbi el agregado. Esta es la capa de asfalto que recubre exteriormente el agregado y es el contenido de asfalto que gobierna el comportamiento de la mezcla asfltica. P P Pbe = Pb ba s 100

Donde: Pbe Pb Ps Pba

contenido de asfalto efectivo, porcentaje por peso total de la mezcla contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla contenido de agregado, porcentaje por peso total de la mezcla asfalto absorbido, porcentaje por peso del agregado

De los datos del ejemplo: El porcentaje en peso de la mezcla es 5.3% y el porcentaje en peso del agregado es 0.8%, reemplazando: 0.8% 94.7% Pbe = 5.3% = 5.3% 0.758% = 4.5% 1006. Porcentaje VMA en Mezcla Compactada

Como ya se indic el volumen de vacos en el agregado mineral VMA es un factor importante para el diseo de mezclas. La frmula para VMA puede obtenerse considerando la relacin peso-volumen de la figura 2. Se recomienda que el clculo sea realizado con la gravedad especfica bulk del agregado:VMA = VT Vsb 100 VT

simplificando,Vsb 100 VT sustituyendo volumen con el peso dividido entre la gravedad especfica VMA = 100 Ws G sbWT Gmb

VMA = 100

100

sustituyendo,

Ws = WT Pb WTS. MINAYA & A. ORDOEZ185

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

y simplificando

G (1 Pb ) VMA = 100 1 mb G sb

Donde: Vsb VT Ws WT Gsb Gmb Pb

volumen bulk del agregado volumen total de mezcla compactada peso del agregado peso total de la mezcla gravedad especifica bulk del agregado gravedad especifica bulk de la mezcla compactada contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla

Para el ejemplo: 2.442(1 0.053) VMA = 100 1 = 100(1 0.855) = 14.4% 2.703 7. Porcentaje de Vacos de Aire en la Mezcla Compactada, Va

La frmula para calcular el porcentaje de vacos de aire puede obtenerse a partir de: Por definicin, V Va = v 100 VT sustituyendo,Vv = VT Vfa Vs b

V Vfa Vsb 100 Va = T VT V + Vsb 100 Va = 1 fa VT multiplicando el numerador y denominador porWT

y simplificando,

WT VT 1 100 Va = WT (Vfa + Vsb )

S. MINAYA & A. ORDOEZ

186

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

sustituyendo, G Va = 1 mb 100 G mm Donde: Va Vv VT Vfa Vsb WT Gmb Gmm vacos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Volumen de vacos de aire Volumen total del especmen compactado Volumen de vacos llenos con cemento asfltico volumen bulk del agregado Peso total del especmen compactado Gravedad especfica bulk del especmen compactado Gravedad especfica terica mxima de la mezcla

Nota.- En mucha bibliografa se identifica al porcentaje de vacos de aire en la mezcla compactada como VTM. G VTM = 1 mb 100 G mm Para el ejemplo: 2.442 VTM = 1 100 = 3.7% 2.535 8. Vacos Llenos con Asfalto, VFA

VFA es simplemente el porcentaje de VMA llenado con cemento asfltico. La siguiente frmula se usa para calcular el VFA: VMA VTM VFA = 100 VMA Donde: VFA vacos llenos con asfalto, porcentaje de VMA VMA vacos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk Va VTM vacos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Para el ejemplo: VFA = 14.4 3.7 100 = 74.3% 14.4

Los Mtodos de Laboratorio ASTM D2041 de Gravedad Especfica Terica Mxima y ASTM D1188 Gravedad Especfica Bulk de la Mezcla Compactada se desarrollarn tericamente a continuacin. Una revisin de las gravedades especificas mencionadas indican lo siguiente:

S. MINAYA & A. ORDOEZ

187

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

1. La diferencia entre gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica seca aparente es el volumen del agregado usado en los clculos. La diferencia entre estos volmenes es igual al volumen del agua absorbida en los vacos permeables (diferencia entre los peso saturado superficialmente seco y seco al horno cuando son pesados en gramos). Ambas gravedades especificas usan el peso seco al horno del agregado. 2. La diferencia en los clculos entre la gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica saturado superficialmente seco es el peso del agregado. El volumen del agregado es idntico para ambas gravedades especificas. La diferencia en los pesos es igual al agua absorbida en los vacos permeables (diferencia entre los pesos del os agregados saturados superficialmente seco y secado en el horno). 3. Las diferencias en los clculos entre la gravedad aparente, seca bulk y efectiva es el volumen del agregado. Las tres gravedades especificas usan los pesos del agregado secado al horno. 4. La diferencia entre la gravedad especifica bulk de la mezcla compactada y la gravedad especifica terica mxima es el volumen. La diferencia de volmenes es porque estn asociados con el volumen del aire en la mezcla compactada. 5. Los valores medidos de a gravedad especifica compactada pueden ser verificados para una primera aproximacin usando lo siguiente: a) la gravedad especifica aparente siempre era igual o mayor que la gravedad especifica efectiva el cual ser siempre igual o mayor que la gravedad especifica seca bulk, b) la gravedad especfica saturada superficialmente seco bulk siempre ser igual o mayor que la gravedad especfica seca bulk, c) la gravedad especfica terica mxima ser siempre igual o mayor que la gravedad especifica compactada de la mezcla, d) la gravedad especfica del agregado (aparente, efectiva, seca bulk, saturado superficialmente seca bulk) ser siempre mayor que la gravedad especfica terica mxima de la mezcla.10.6 Diseo de Mezcla Superpave 10.6.1 Diseo de la Estructura del Agregado

El diseo de la estructura granular se basa en la consideracin que el ligante tendr una funcin estructural principal, es decir, soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas. Este enfoque conceptual del Superpave es diferente respecto al SMA donde el ligante, es un miembro secundario y no soportar esfuerzo significativo. La SHRP desarroll un mtodo para especificar la granulometra basado en el concepto de puntos de control y zona restringida. Se darn algunas definiciones para enfocar adecuadamente la propuesta. Tamao Mximo Nominal y Tamao Mximo El tamao mximo nominal del agregado es el primer tamiz que retiene ms del 10% del material. El tamao mximo es el siguiente tamiz mayor que el tamao mximo nominal.S. MINAYA & A. ORDOEZ188

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Carta de Potencia 0.45 Superpave adopt la carta de potencia 0.45 para graficar la granulometra de la mezcla de agregados como estaba siendo utilizada por la FHWA. No existe informacin de la eleccin de dicha carta. Algunos artculos sealan que la carta de potencia 0.45 no sera aplicable a todo tipo de agregado. Especficamente, se menciona que cartas de potencias mayores como 0.50 0.60 representaran mejor agregados chancados. La SHRP investig la historia de la adopcin de la carta 0.45. La carta tal como es utilizada actualmente, se basa en el trabajo de Nijboer de los Pases Bajos y de Goode y Lufsey de Bureau of Public Roads. Nijboer evalu el acomodo de los agregados tanto naturales como artificiales y encontr que la configuracin ms densa ocurra para una gradacin que reflejaba una lnea recta en la carta de 0.45 de potencia. Goode y Lufsey, 1962 valid el trabajo de Nijboer para agregados en los EE.UU. La lnea de mxima densidad seca a la potencia 0.45 se grafica desde el origen hasta el tamiz mximo en el que pasa el 100% del material. A continuacin se dar un ejemplo de elaboracin de la carta potencia 0.45 para gradacin Superpave TMN 19 mm. Se detallar el procedimiento de elaboracin de la carta: 1) El tamao de los tamices se grafican elevados a la potencia 0.45, por ejemplo, el tamiz 4.75 mm se grafica como 2.02, es decir, (4.75) . Las cartas de potencia 0.45 no indican las abscisas en escala aritmtica como se muestra en la fig. 10.4, sino como en la fig. 10.5. 2) La lnea de mxima densidad seca se grafica desde el origen hasta el tamiz del tamao mximo. La lnea de mxima densidad seca (figura 9.19) representa la gradacin donde las partculas del agregado alcanzan su mximo arreglo posible. En el ejemplo la lnea va desde el origen hasta el tamao mximo nominal de 19 mm.0.45

S. MINAYA & A. ORDOEZ

189

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Carta potencia 0.45 para TM 19 mm100 Porcentaje que pasa 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 Tamiz elevado a la potencia 0.45Ejemplo: Tamiz 4.75 mm se grafica como (4.75)0.45 = 2.02

Figura 10.4: Base de la Carta Potencia de 0.45

Carta potencia 0.45 para TM 19 mm100 Porcentaje que pasa 80 60 40 20 0 0.075 0.15 0.3 1.18 2.36 4.75 12.5 0.6 9.5 19

Lnea de mxima densidad seca

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Figura 10.5: Lnea de mxima densidad seca para tamao mximo de 19 mm

Puntos de Control La gradacin del agregado deber estar dentro de los puntos de control, que aseguran la buena gradacin del agregado evitando problemas de segregacin en la mezcla. Los puntos de control se ubican en el tamao mximo nominal, un tamiz intermedio (2.36 mm), y tamiz ms pequeo (0.075 mm). Figura 9.20. Zona Restringida Para Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la mezcla, y asegura un mnimo porcentaje de vacos en el agregado mineral, VMA, de la mezcla.S. MINAYA & A. ORDOEZ190

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

La zona restringida se encuentra a lo largo de la lnea de mxima densidad seca entre el tamiz intermedio (4.75 mm 2.36 mm) y el tamiz 0.3 mm. La fig. 10.6. Se especifica que las gradaciones no deben pasar por la zona restringida sino a uno y otro lado de la lnea de mxima densidad seca que generalmente comienza en el tamiz 2.36 mm y se extiende hasta el tamiz 0.300 mm. El valor mximo y mnimo que se requiere para los puntos de control depende del tamao mximo nominal.

Carta potencia 0.45 para TM 19 mm100 Porcentaje que pasa 80 60 40 20 0 0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 12.5 19

lnea mx. densidad zona restringida puntos control

tamao mx tamao nominal mx

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Figura 10.6: Lmites de gradacin Superpave para tamao mximo de 19 mm

La Tabla 10.4 define los puntos de control y la zona restringida recomendada para diferentes tamaos mximos nominales. Todas las combinaciones de agregados deben pasar entre los puntos de control establecidos, adems, deben estar fuera de la zona restringida.10.6.2 Determinacin del Contenido de Ligante Asfltico

a) Compactador Giratorio Superpave La principal herramienta del diseo de mezclas volumtricas es el compactador giratorio Superpave (SGC). Un diseo de mezclas satisfactorio es aquel que cumpla los requisitos volumtricos a niveles iniciales y del nmero de revoluciones de diseo; estos niveles dependen del trfico. Intuitivamente, las propiedades de la curva de densificacin del SGC se correlacionan de alguna manera con la performance del pavimento, en particular, la deformacin permanente, pero la relacin propiedad-performance no est cuantificada.S. MINAYA & A. ORDOEZ191

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Los investigadores de la SHRP tuvieron varios objetivos al desarrollar un mtodo de compactacin de laboratorio. El Compactador Giratorio Superpave, SCG compacta las muestras de manera similar a la que se obtendr bajo trfico y condiciones de clima especficos.Tabla 10.4: Especificaciones de Agregados Superpave

Tamao estndar (mm) 50.0 37.5 25.0 19.0 12.5 9.50 2.36 0.075 Tamiz 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30

9.5 mm

Puntos de Control Tamao mximo Nominal 12.5 mm 19 mm 25 mm 100 90-100 100 90-100

37.5 mm 100 90-100

28-58 23-49 19-45 15-41 2.0-10.0 2.0-8.0 1.0-7.0 0.0-6.0 Zona Restringida 39.5 34.7 47.2 39.1 34.6 26.8-30.8 23.3-27.3 31.6-37.6 25.6-31.6 22.3-28.3 18.1-24.1 15.5-21.5 23.5-27.5 19.1-23.1 16.7-20.7 13.6-17.6 11.7-15.7 18.7 15.5 13.7 11.4 10.0

100 90-100 32-67 2.0-10.0

100 90-100

El equipo de compactacin tiende a orientar las partculas de agregado de manera similar a las observadas en campo y es capaz de medir la compacidad b) Equipo de Compactacin El origen del SGC fue el compactador giratorio modificado de Texas que usa los principios del compactador giratorio Francs. El compactador giratorio modificado de Texas densifica los especimenes de manera realista y es razonablemente porttil. El dimetro del espcimen es de 6 pulg. (150 mm) pudiendo compactar mezcla con agregados de 50 mm de tamao mximo (37.5 mm de tamao mximo nominal). Figura 10.7.

S. MINAYA & A. ORDOEZ

192

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Figura 10.7: Esquema del Equipo de Compactacin

El pisn aplica 600 kPa de presin de compactacin sobre el espcimen. Un medidor mantiene constante la presin en el pisn durante la compactacin. El molde del SGC (fig. 10.8) tiene un dimetro interior de 150 mm y un plato en la base del molde proporcionando confinamiento. La base del SGC rota a una velocidad de 30 rev/min durante la compactacin, con el molde ubicado a un ngulo de compactacin de 1.25.

Presin de pisn 600 kPa

Molde 150 mm 1.25

30 rev/min

Figura 10.8: Configuracin del Molde SGC

Durante la compactacin se mide la altura del espcimen. La densidad del espcimen se calcula durante la compactacin, con la masa colocada en el molde, el dimetro interior del molde y la altura. El nmero de revoluciones de diseo, Ndiseo, depende del nivel del trfico (tabla 10.5).

S. MINAYA & A. ORDOEZ

193

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Tabla 10.5: Esfuerzo de Compactacin del SGC

ESALs de diseo (millones) < 0.3 0.3 a 2.0 mm Agregado en peso (%) > 5.0 mm Agregado en peso (%) > 8.0 mm Agregado en peso (%) > 11.2 mm Relacin arena natural/arena chancada Porcentaje que pasa el tamiz 0.09 mm 2.0 mm 5.0 mm 8.0 mm 11.2 mm Ligante bituminoso Tipo de ligante (penetracin dmm) Contenido ligante en peso de mezcla (%) Aditivos estabilizadores Contenido de mezcla en peso (%) Mezclas Asflticas Especimenes Marshall Temperatura de compactacin (C) Vacos de aire (%) Capas Capa de rodadura Espesor recomendado (cm) Taza de aplicacin (kg/m2) Capa de reperfilage** Espesor recomendado (cm) Taza de aplicacin (kg/m2) Grado de compactacin de la capa (%) Vacos de aire en capa compactada (%)

Agregado chancado, Arena chancada, filler comercial 9 13 73 80 60 70 40 10 1:0 9 13 20 27 30 40 50 60 90 - 100 50/70 (PmB 45) 6.5 10 - 13 73 80 55 70 10 1:0 10 13 20 27 30 45 90 100 50/70 (PmB 45) 7.0

Agregado chancado, Arena chancada y natural, filler comercial 8 13 70 80 45 70 10 1:1 8 13 20 30 30 55 90 100 70/100 7.0

8 13 60 70 10 1:1 8 13 30 40 90 100 70/100 (160/220) 7.2

0.3 1.5 *1355 3.0 4.0 3.5 4.0 85 100 2.5 5.0 60 - 125 *1355 3.0 4.0 3.0 4.0 70 100 2.0 4.0 45 100 97 6.0 *1355 2.0 4.0 2.0 4.0 45 100 *1355 2.0 4.0 2.0 4.0 45 75 -

* para asfalto modificado con polmero (PmB 45), la temperatura de compactacin debe ser 1455C ** capa de reperfilage son capas de rodadura sobre la capa intermedia o inferior con problemas geomtricos.

Para el verano de 1997, por lo menos 28 estados construyeron mas de 100 proyectos, totalizando mas de 3 millones de toneladas de SMA. La mayora de los proyectos fueron construidos entre 1992 y 1996 y la mayor parte fueron colocados para soportar trfico pesado. El primer proyecto de SMA en los Estados Unidos diseado siguiendo la receta de las especificaciones Alemana. La NCAT ha desarrollado un detallado diseo de mezclas paraS. MINAYA & A. ORDOEZ203

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

SMA. Las normas son AASHTO MP8 Specification for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA) y AASHTO PP41 Practice for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA). Las tablas 10.7 a 10.12 muestran las especificaciones de las mezclas SMA usadas en los EE.UU.Tabla 10.7: Requisitos de Calidad para Agregado Grueso, AASHTO MP8Ensayo Abrasin L.A., % prdida Chatas y Alargadas, % 3a1 5a1 Absorcin, % Durabilidad (5 ciclos), % Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Contenido de caras fracturadas, % Una cara Dos caras Mtodo AASHTO T96 ASTM D4791 Especificacin 30* mx

AASHTO T85 AASHTO T104 ASTM D5821

20 mx 5 mx 2 mx 15 mx 20 mx 100 min 90 min

* Aunque los agregados con prdidas mayores a 30% se usan satisfactoriamente, las piedras se pueden quebrar durante el proceso de compactacin en el laboratorio o durante la compactacin en campo con estos agregados.

Tabla 10.8: Requisitos de Calidad para Agregado Fino, AASHTO MP8Ensayo Durabilidad (5 ciclos), % Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Angularidad, % Mtodo AASHTO T104 Especificacin

Lmite Lquido, % Indice de plasticidad

AASHTO TP33 (Mtodo A) AASHTO T89 AASHTO T90

15 mx 20 mx 45 min 25 mx N.P.

S. MINAYA & A. ORDOEZ

204

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Tabla 10.9: Rango Granulomtrico de SMA (% pasante por volumen) AASHTO MP8Tamiz, mm 25.0 19.0 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.075 TMN 19 mm Inferior Superior 100 100 90 100 50 74 25 60 20 28 16 24 13 21 12 18 12 15 8 10 TMN 12.5 mm Inferior Superior TMN 9.5 mm Inferior Superior

100 90 26 20 16 13 12 12 8

100 100 78 28 24 21 18 15 10

100 90 26 20 13 12 12 8

100 100 60 28 21 18 15 10

El TMN se refiere al Tamao Mximo Nominal que representa a un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene mas del 10%

Tabla 10.10: Especificaciones de Mezclas SMA para diseo Marshall NAPA 2002Propiedades Cemento asfltico, % Vacos de aire, % VMA, % VCA, % Estabilidad, kg TSR, % Escurrimiento a Tproduccin, % Especificacin 6 mn* 4 17 mn** Menor que VCADRC 632 mn*** 70 mn 0.30 mx

* El mnimo porcentaje de cemento asfltico puede reducirse ligeramente si la gravedad especfica bulk del agregado excede 2.75 ** VMA mnimo durante la produccin *** Valor de estabilidad sugerido, basado en la experiencia

Tabla 10.11: Especificaciones de Mezclas SMA para diseo con Compactador Giratorio Superpave AASHTO MP8 y NAPA 2002Propiedades Cemento asfltico, % Vacos de aire, % VMA, % VCA, % TSR, % Escurrimiento a Tproduccin, % Especificacin 6 mn* 4 17 mn** Menor que VCADRC 70 mn 0.30 mx

* El mnimo porcentaje de cemento asfltico puede reducirse ligeramente si la gravedad especfica bulk del agregado excede 2.75 ** VMA mnimo durante la produccin

S. MINAYA & A. ORDOEZ

205

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Diseo de Mezclas Asflticas

Tabla 10.12: Propiedades de Fibra Celulosa, AASHTO MP8Propiedades Anlisis por tamizado Mtodo A: Anlisis por tamiz Alpina Longitud de fibra (mx) Pasa tamiz n100 Mtodo B: Anlisis por tamiz cuadrado Longitud de fibra (mx) Pasa tamiz n20 Pasa tamiz n40 Pasa tamiz n140 Contenido de cenizas Ph Absorcin de petrleo Contenido de Humedad Especificacin 6 mm 7010% 6 mm 85% (10%) 65% (10%) 30% (10%) 18% (5%) no voltiles 7.5% (1) 5 (10) (vez por peso de fibra) < 5% (por peso)

S. MINAYA & A. ORDOEZ

206