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Taller de diseño de mezclas
asfálticas de alto desempeño
Dr. Horacio Delgado Alamilla Líder del Grupo de investigación
Mecánica de asfaltos y mezclas asfálticas [email protected]
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Mezclas asfálticas
• Mezcla de agregado granular - material asfáltico y eventualmente aditivos
Calientes ~ 155°C
Tibias ~ 95°C
Frias ~ 45°C
Tipos de mezclas asfálticas (Densa, SMA …)
Granulometría,
Modo de fabricación.
Comportamiento mecánico general
Viscoelasticidad,
Sensibilidad térmica,
Sensible a la velocidad de deformación,
Envejecimiento.
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Viscoelasticidad
A A
B
C
A
Tiempo
Esfuerzo
Deformación
Parte Viscosa
Parte Elástica
E*
δ
Parte Viscosa
Parte Elástica
E*
δ
A cualquier combinación de tiempo y temperatura, dentro de un rango lineal, puede ser caracterizado por dos propiedades:
• Su resistencia total a la deformación bajo una solicitación • La distribución relativa de esa resistencia entre su parte
elástica y su parte viscosa
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Estructura del pavimento
Rodamiento Capas de superficie
Capas de base
Subrasante
Estructural
Cimentación
Base
4
Terraplén
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Baches y desprendimientos
5
El agua libre en el interior de un pavimento deteriora su capacidad estructural
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Deformación permanente
6
Deformación vertical producida por esfuerzos de compresión
Superficie levantada
Base
Subrasante
Base
Subrasante
Base
Subrasante
Carga de rueda
Carga de rueda
FALLA SUPERFICIAL FALLA DE BASE FALLA DE CIMENTACIÓN (SR)
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Fisuración por fatiga
7
Problemática : La mezcla asfáltica presenta una baja resistencia a la tensión
Moderada Ligera Fuerte
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Introducción: Generalidades
Carreteras de mejor calidad y mayor durabilidad
Control de calidad
Construcción Procesos de
diseño
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Protocolo AMAAC
a) Introducción
b) Clasificación del Protocolo
• Nivel I: Diseño volumétrico
• Nivel II: Deformación permanente
• Nivel III: Modulo Complejo
• Nivel IV: Fatiga
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Normativa existente
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Niveles Protocolo AMAAC
(1)
Designación del
nivel de tránsito
(2)
Número de ejes
equivalentes
(3)
Tipo de carreteras usuales
(4)
Ensayes recomendados
Nivel I
Tránsito bajo
menor a
1,000,000
Carreteras federales tipo
D
Carreteras alimentadoras
Carreteras estatales y
municipales
Calles urbanas
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Nivel II
Tránsito medio
de 1,000,000 a
3,000,000
Carreteras estatales
Carreteras federales tipo
B y C
Vialidades urbanas
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Susceptibilidad a la
deformación permanente
Nivel III
Tránsito alto
de 3,000,000 a
30,000,000
Carreteras federales tipo
A
Autopistas de cuota
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Susceptibilidad a la
deformación permanente
Módulo dinámico
Nivel IV
Tránsito muy alto
más de
30,000,000
Carreteras federales
troncales
Autopistas de cuota
importantes
Vialidades suburbanas en
ciudades muy grandes
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Susceptibilidad a la deformación
permanente
Módulo dinámico
Fatiga
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Niveles Protocolo AMAAC
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Nivel I: Esquema clásico
Mezcla asfáltica en caliente
Granular + Asfalto
Caracterización de los materiales
Se debe asegurar que tanto la mezcla como sus componentes sean de buena calidad y cumplan con las especificaciones
establecidas
Diseño volumétrico
Diferente sistema de densificación
Susceptibilidad a la humedad
Pérdida de resistencia en ensayo de TSR
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Diseño volumétrico
a) Caracterización de materiales
• Material Pétreo
• Estructura granular
• Material asfáltico
b) Diseño volumétrico
• Determinación del contenido óptimo de asfalto
c) Susceptibilidad a la humedad
• Pérdida de resistencia a tensión indirecta
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Caracterización del material pétreo
Fra
cció
n fin
a
Fra
cció
n g
ruesa
Característica Norma Especificación
Desgaste Los Ángeles, % ASTM C131 30 máx. (capas estructurales)
Desgaste Microdeval, % AASHTO T327 / ASTM
D6928 18 máx. (capas estructurales)
Intemperismo acelerado, % AASHTO T 104 /ASTM
C88
15 máx. para sulfato de sodio
20 máx. para sulfato de magnesio
Caras fracturadas, % (2 caras o
más) ASTM D 5821 90 mín.
Partículas planas y alargadas, % ASTM D 4791 5 a 1 %, 10 máx (1)
Adherencia con el asfalto,
% de cubrimiento
Recomendación AMAAC
RA-08/2010 90 mín.
(1) Suma de %planas + %alargadas
Característica Norma Especificación
Equivalente de
arena,% ASTM D 2419 50 min. (capas estructurales)
Angularidad, % AASHTO T 304 40 mín.
Azul de metileno,
mg/g
Recomendación AMAAC
RA-05/2010 15 máx. (capas estructurales)
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Comparación de especificaciones de agregado grueso
Ensayo Normativa Especificación
SCT Protocolo SCT Protocolo
Densidad del agregado grueso M·MMP·4·04·003/02 C127 2.4 ---
Desgaste de Los Ángeles M·MMP·4·04·006/02 C131 Máx 30
Caras fracturadas M·MMP·4·04·013/09 D5821 ----- Mín 90
Intemperismo acelerado M·MMP·4·04·008/03 C88 Máx 15
Partículas planas y alargadas M·MMP·4·04·005/08 D4791 Máx 35
2:1 Máx 10
5:1
Desprendimiento por fricción M·MMP·4·04·009/03 ----- Mín 90
Desgaste MicroDeval ------ D6928 ----- Máx 18
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Comparación de especificaciones de agregado fino
Ensayo Normativa Especificación
SCT Protocolo SCT Protocolo
Densidad del agregado fino M·MMP·4·04·003/02 C128 2.4 ---
Equivalente de arena M·MMP·4·04·004/02 D2419 Mín 50
Azul de metileno M·MMP·4·04·014/09 RA-05/10 ---- Máx 15
Angularidad del agregado fino ----- T304 ---- Mín 40
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AASHTO T304 - Angularidad de la fracción fina
Objetivo: Determinar la pérdida del contenido de vacíos de una muestra de agregado fino en estado suelto.
Equipo: Plato de aluminio
Báscula
Embudo Charolas
Mallas
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RA 05/2010 – Determinación del valor de azul de metileno para filler y finos
Objetivo: Determinar el grado de reactividad de los agregados finos (pasa malla # 200), que son utilizados para la fabricación de mezclas asfálticas.
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20
Equipo:
Bureta
Soporte
universa
l
Pinzas
Vaso de precipitado
Barra agitadora
Agitador magnético
Azul de Metileno Agua Destilada
Espátula
RA 05/2010 – Determinación del valor de azul de metileno para filler y finos
C16H18N3ClS
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Procedimiento: Separar material malla #200 Secar hasta peso constante Pesar 1 gramo de muestra Adicionar 30 ml de agua destilada
Separar material malla #200 Preparar solución Azul de Metileno Adicionar 1 mg de solución Agitar vigorosamente
RA 05/2010 – Determinación del valor de azul de metileno para filler y finos
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ASTM D6928– Desgaste MicroDeval
Mide la resistencia a la abrasión y durabilidad de los agregados saturados en agua.
Previene desgranamientos y formación de baches.
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ASTM C88– Intemperismo acelerado
Objetivo: Estimar la sanidad de los agregados cuando están sujetos a la acción de intemperismo en concreto. Esto es realizado por inmersión repetida en solución de sulfato de sodio o de magnesio seguida por secado al horno hasta que se deshidrate parcial o totalmente la sal. Adicionalmente se necesita cloruro de bario, para verificar el lavado de la muestra.
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24
Las propiedades relacionadas al desempeño
de un pavimento están basadas en la reología,
que es la ciencia de estudio del flujo y la
deformación de los materiales que son capaces de fluir.
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL
LOS ASFALTOS
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25
Evaluación reológica del asfalto
Reómetro de corte dinámico (DSR)
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Módulo de corte (G*) y ángulo de fase (δ)
𝛿 = 2𝜋𝑓∆𝑡
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Especificación del cemento asfáltico
SUPERPAVE
• Sistema de clasificación basado en el clima
PG 64-22
Grado de
desempeño
Promedio temp
de diseño 7
días más
calurosos
Temperatura de
diseño min
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28
PG -46 -40 -34 -28 -22 -16 -10
46 52 58 64 70 76 82
Incremento de grado en el
Grado PG
Incremento de grado en 6 °C para temperaturas altas y bajas.
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88
- 22
Tem
pe
ratu
ra (
ºC)
- 16
- 10
- 04
82
76
70
64
No habrá deformación plástica (roderas)
No habrá agrietamiento térmico
NOMENCLATURA PG
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Grado PG del lugar
30
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Ensayos para Grado PG
Viscosidad rotacional
DSR Original
RTFO DSR RTFO PAV DSR PAV BBR
Condición original Envejecido en RTFO Envejecido en PAV
η ≤ 3 Pa∙s G*/senδ ≥ 1 kPa G*/senδ ≥ 2.2 kPa G*(senδ) ≤
5000 kPa
S ≤ 300 Mpa
m ≥ 0.3 CM ≤ 1%
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32
Viscosidad Rotacional
Evalúa trabajabilidad del asfalto para su mezclado y
colocación.
3 Pa*s
máximo
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33
Reómetro de Corte Dinámico (DSR)
Evalúa la resistencia de la mezcla (G* y δ)
Original: G*senδ ≥ 1 kPa
Env. Corto plazo: G*senδ ≥ 2.2 kPa
Env. Largo plazo: G*senδ < 5000
kPa
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34
Horno Rotatorio de Película Delgada
(RTFO)
Envejece el asfalto a corto plazo Contenedores
RTFO
Estante de enfriamiento
CM < 1%
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35
Vasija de Envejecimiento a Presión
(PAV)
Envejece el asfalto a largo plazo
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36
Reómetro de Viga a Flexión (BBR)
Evalúa la resistencia del asfalto a bajas
temperaturas
S ≤ 300 Mpa
m ≥ 0.300
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Ejercicio 1:
Para un proyecto localizado en Hermosillo, Sonora se especificó utilizar un asfalto con Grado PG 76-22. El supervisor solicita al proveedor de asfalto un informe para verificar si el asfalto realmente cumple con el Grado PG requerido en el proyecto.
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ENSAYO RESULTADOS DEL ENSAYO
VERIFICACIÓN
Condición original Punto de Inflamación, °C, ASTM D92-12 310
Viscosidad Rotacional @ 135°C, Pa·s, ASTM D4402-13 1.798
DSR (Reómetro de Corte Dinámico), ASTM D7175-08
Temperatura de prueba, °C G*, kPa
Ángulo de fase, δ, grados
G*/senδ
70 3.208 73.88 3.339
76 1.719 76.22 1.769
82 0.872 81.3 0.882
Despúes de RTFO (Horno Rotatorio de Película Delgada), ASTM D2872-12 Cambio de Masa, % -0.279
DSR (Reómetro de Corte Dinámico), ASTM 7175-08
Temperatura de prueba, °C G*, kPa
Ángulo de fase, δ, grados
G*/senδ
70 3.208 69.2 3.432
76 2.354 71.2 2.486
82 2.002 74.8 2.075
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ENSAYO RESULTADOS DEL
ENSAYO VERIFICACIÓN
Después de PAV (Vasija de Envejecimiento a Presión, 100 °C), ASTM D6521-13 DSR (Reómetro de Corte Dinámico), ASTM 7175-08
Temperatura de prueba, °C
G*, kPa Ángulo de fase, δ,
grados G*(senδ)
37 2980 49.9 2279 34 3985 51.7 3127
31 4956 55.1 4065 28 6235 58.3 5305
BBR (Reómetro de Viga a Flexión), ASTM 6648-08
Temperatura de prueba, °C
Parámetros Resultado
-6 Rigidez “S” 120
Pendiente “m” 0.314
-12 Rigidez “S” 195
Pendiente “m” 0.290
-18 Rigidez “S” 236
Pendiente “m” 0.212
PG - 76 16
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40
Ajuste de Grado por tránsito:
1. Normativa SCT
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41
78.17)9545.0*)2.422289.000618.0(( 2
maxmax LatLatTT aire
Temperatura máxima de diseño del pavimento:
Corrección de la temperatura del aire:
CTT aire 7.1859.0 minmin
Temperatura mínima de diseño del pavimento:
2. Ecuaciones del Protocolo AMAAC
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42
2. Ecuaciones del Protocolo AMAAC
Ajuste de Grado por tránsito:
ESALs para un
periodo1
(millones)
Ajuste al grado de temperatura alta por tránsito5
Relación con la carga del tránsito
Detenido2 Lento3 Normal4
< 0.3 - (6) - -
0.3 a < 3 2 1 -
3 a < 10 2 1 -
10 a < 30 2 1 - (6)
≥ 30 2 1 1
Nota 1 Vida de servicio considerada de 20 años
Nota 2 Promedio de velocidad es < 20 km/h
Nota 3 Rango promedio de velocidad de 20 a 70 km/h
Nota 4 Promedio de velocidad es > 70 km/h
Nota 5 Incremento en la temperatura alta (1 grado PG equivale a 6 °C)
Nota 6 Se puede considerar incrementar 1 grado PG.
Si el ajuste resulta mayor a un PG 82, considerar PG 82.
Se debe evitar utilizar asfaltos con PG mayores.
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Estructura granular Protocolo Puntos de control
Designación Abertura
mm
37.5
(1 1/2")
25
(1")
19
(3/4")
12.5
(1/2")
9.5
(3/8")
Porcentaje que pasa
2" 50 100 - 100 - - - -
1 1/2" 37.5 90 - 100 100 - 100 - - -
1" 25 -90 90 - 100 100 - 100 - -
3/4" 19 - -90 90 - 100 100 - 100 -
1/2" 12.5 - - -90 90 - 100 100 - 100
3/8" 9.5 - - - -90 90 - 100
4 4.75 - - - - -90
8 2.36 15 - 41 19 - 45 23 - 49 28 - 58 32 - 67
16 1.18 - - - - -
30 0.6 - - - - -
50 0.3 - - - - -
100 0.15 - - - - -
200 0.075 0 - 6 1 - 7 2 - 8 2 - 10 2 - 10
43
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Estructura granular SCT Límites granulométricos
44
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Gráfica de Fuller
Diferencias: Representación diferente de las aberturas de mallas (Abertura^0.45),
Uso de mallas con aberturas diferentes para la parte fina, Mejor visualización del cambio de la estructura,
Límites granulométricos más amplios.
45
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Comparar las estructuras granulométricas
Mallas 12.5 mm
(1/2")
19 mm
(3/4")
Abertura
mm
Designación Porcentaje que pasa
50 2" - -
37,5 1 1/2" - -
25 1" - 100 - 100
19 3/4" 100 - 100 90 - 100
12,5 1/2" 90 - 100 -90
9,5 3/8" -90 -
4,75 4 - -
2,36 8 28 - 58 23 - 49
1,18 16 - -
0,6 30 - -
0,3 50 - -
0,15 100 - -
0,075 200 2 - 10 2 - 8
46
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• límites granulométricos de la SCT
47
Comparación de normativa para un TN de ¾” (19 mm)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
% P
asa
Abertura malla ^0.45 (mm)
1" 3/4" 1/2" No. 4 No. 200
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• límites granulométricos del Protocolo AMAAC
48
Comparación de normativa para un TN de ¾” (19 mm)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
% P
asa
Abertura malla ^0.45 (mm)
1" 3/4" 1/2" No. 8 No. 200
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• indica la diferencia entre ellas.
49
Comparación de normativa para un TN de ¾” (19 mm)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
% P
asa
Abertura malla ^0.45 (mm)
1" 3/4" 1/2" No. 8 No. 200 No. 4
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50
Combinación de agregados Métodos gráficos Mezcla de tres materiales
Guía de resolución:
Método gráfico Dibujar cada material en base a dos criterios
Retenido Malla No. 8 y pasa Malla No. 200
Definir el punto S (promedio de especificaciones)
Calcular de acuerdo a lo siguiente:
𝑎 =𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑆𝐵´
𝐿í𝑛𝑒𝑎 𝐴𝐵´
𝑐 =(1 − 𝑎)𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎 𝐵´𝐵
𝐿í𝑛𝑒𝑎 𝐶𝐵
𝑏 = 1 – a - c
Con respecto Malla No. 8
Con respecto Malla No. 200
En X: Ret No. 8
En Y: Pasa No. 200
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51
A B
C
S
𝑎 =64 − 17
89 − 17
𝑐 =1 − 0,65 ∗ (16 − 7)
76 − 7
𝑏 = 1 – 0,65 – 0,05
B´
Combinación de agregados Métodos gráficos Mezcla de tres materiales
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52
Definiciones de tamaños de agregados
•Tamaño Nominal (TN) • El tamaño de malla superior a la
primera malla retiene más del 10%.
1” 100 ¾” 100 ½” 89 3/8” 72 #4 65 #8 48 #16 36 #30 22 #50 15 #100 9 #200 4
100 97 90 81 72 51 35 20 13 8 5
• Tamaño Máximo (TM) – El tamaño de malla superior que
la malla del tamaño nominal.
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53
Determinación de la gravedad específica relativa del agregado
¿Qué es la gravedad específica relativa?
Es la relación entre la densidad de cualquier cosa comparada con la densidad del agua.
OH
OH
x
x
V
M
V
M
G
2
2
rH2O = 1.000 g/cm3
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54
La gravedad específica es el puente entre el volumen y la masa de un material
V
MG OH
2r
OHG
MV
2r
Volumen Masa
OHGVM2
r
Determinación de la gravedad específica del agregado
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55
Determinación de la gravedad específica del agregado
Volumen bruto para Gsb (incluye el volumen de agua absorbida)
Volumen efectivo para Gse (excluye el volumen de asfalto absorbido, debe determinar la gravedad específica de la mezcla suelta Gmm)
Volumen aparente para Gsa (excluye el volumen de agua absorbida)
Gsa > Gse > Gsb
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56
Gravedad específica neta combinada
N
N
Nsx
G
P
G
P
G
P
PPPG
...
...
2
2
1
1
21
Donde: Gsb = gravedad especifica bruta o aparente de cada material almacenado P1, P2, PN = Porcentajes individuales por masa de agregado G1, G2, GN = gravedades especificas neta individual del agregado
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57
Gravedad específica neta combinada
Una vez establecida la granulometría de diseño, se requiere determinar las densidades combinadas de las gravedades específicas del agregado pétreo
Ensayos de gravedad específica (Normas ASTM C127 y C128)
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58
Datos Grueso Fino
Proporción 44% 56%
Gsb 2.541 2.636
Gsb =
Gravedad específica neta combinada
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59
Gravedad específica neta combinada
Datos Grueso Fino
Proporción 44% 56%
Gsb 2.541 2.636
Gsb =
636.2
56
541.2
44
5644
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60
Gravedad específica neta combinada
Datos Grueso Fino
Proporción 44% 56%
Gsb 2.541 2.636
Gsb = 593.2
636.2
56
541.2
44
5644
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61
Gravedad específica aparente combinada
Datos Grueso Fino
Proporción 44% 56%
Gsa 2.673 2.760
Gsa = 721.2
760.2
56
673.2
44
5644
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62
Determinar % absorción material (fino+grueso)
Abs individual = agua absorbida para cada material analizado
P1 ,P2 ,PN = % individual de cada material en la mezcla
A1 ,A2 ,AN = agua absorbida en el material analizado
100
...2211 NNindiv
APAPAPAbs
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63
Absorción combinada
Datos Grueso Fino
Proporción 44% 56%
Absorción 3.2 1.7
Absmezcla =
36.2100
7.1562.344
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Secuencia del diseño volumétrico Determinación del contenido óptimo de asfalto:
• Contenido de asfalto inicial,
• Determinación de propiedades volumétricas
iniciales,
• Estimación de propiedades volumétricas para
4% de vacíos de aire,
• Selección de la estructura más viable,
• Determinación del contenido óptimo de
asfalto
64
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65
Norma AASHTO R35
Supuesto Pb = 5% Ps = 95% Gb = 1.03 Va = 4%
Sn = TN del agregado en mm
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66
Norma AASHTO R35
Sn = TN del agregado en mm
Mezcla Gsb
medido
Gsa
medido Gse ini Ws ini Vbe ini Vba ini Pb ini
1 2.593 2.721 2.695 2.2744 0.089684 0.033234 5.27
2 2.586 2.714 2.688 2.2691 0.089684 0.033513 5.30
3 2.599 2.726 2.701 2.2784 0.089684 0.3303 5.26
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Niveles de diseño de acuerdo al tránsito
(1)
Designación del
nivel de tránsito
(2)
Número de ejes
equivalentes
(3)
Tipo de carreteras usuales
(4)
Ensayes recomendados
Nivel I
Tránsito bajo
menor a
1,000,000
Carreteras federales tipo
D
Carreteras alimentadoras
Carreteras estatales y
municipales
Calles urbanas
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Nivel II
Tránsito medio
de 1,000,000 a
3,000,000
Carreteras estatales
Carreteras federales tipo
B y C
Vialidades urbanas
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Susceptibilidad a la
deformación permanente
Nivel III
Tránsito alto
de 3,000,000 a
30,000,000
Carreteras federales tipo
A
Autopistas de cuota
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Susceptibilidad a la
deformación permanente
Módulo dinámico
Nivel IV
Tránsito muy alto
más de
30,000,000
Carreteras federales
troncales
Autopistas de cuota
importantes
Vialidades suburbanas en
ciudades muy grandes
Diseño volumétrico y
susceptibilidad a la humedad
Susceptibilidad a la deformación
permanente
Módulo dinámico
Fatiga
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Selección del número de giros
Ejes equivalentes
(millones)
Parámetros de
compactación
Aplicaciones típicas
Nini Ndis Nmax
< 0.3 6 50 75
Transito muy ligero (caminos locales, calles
de ciudad, donde los camiones están
prohibidos
0.3 a < 3 7 75 115 Tránsito medio (carreteras alimentadoras,
libramientos)
3 a < 30 8 100 160 Tránsito medio a alto (calles de ciudades,
caminos estatales, interestatales)
≥ 30 9 125 205 Alto tránsito (intersecciones, subidas,
estacionamiento de camiones)
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Cemento asfáltico
Calidad del material asfáltico
Característica Rango de Viscosidad, Pa.s
Temperatura de mezclado 0,15 a 0,19
Temperatura de compactación 0,25 a 0,31
a.- Convencional
Determinar la Carta de viscosidad, (Norma ASTM D 4402). Para cementos asfálticos modificados las temperaturas mencionadas deben ser proporcionadas por el proveedor.
0.01
0.1
1
10
120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180
Vis
cosi
dad
(P
a.s)
Temperatura C°
Temp. Mezclado
Temp. Compactación
Carta de viscosidad
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Compactación giratoria
1.25o
Presión
600 kPa % Gmm
Log giros
10 100 1000
Nini
Ndis
Nmax
Compactador Giratorio
70
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Probeta de ensayo
Dimensiones de Probetas
• Diseño h:115mm d: 150mm
• TSR h:63.5mm d: 100mm, h:90mm d:150mm
• Def. Perm h:63.5mm d: 150mm
• Módulo h:190mm d: 150mm
• Fatiga: 75x75x400mm
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Volumetría de la mezcla
Nivel de
tránsito
ESAL´s
* 106
Densidad requerida
(% Gmm)
Vacíos de agregado mineral
mínimo (%) - VMA VFA
(%)
Relación
filler
asfalto Nivel de compactación Tamaño nominal (mm)
Nini Ndis Nmax 37,5 25 19 12,5 9,5
≥ 10 ≤ 89 96 ≤ 98 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 65 – 75 0,6 – 1,2
72
Pbe
PDP 075.0
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73
Gravedad especifica Efectiva del agregado - Gse
= 2.697
Donde : Pb = Porcentaje de asfalto respecto a la mezcla Gmm = Gravedad especifica teórica máxima
Gb = Gravedad especifica del asfalto
Información previa: Pb = 5.30 %
Gmm = 2.484 Gb = 1.03
Problema de ejemplo
Gse =(100 - Pb)
100
Gmm
-Pb
Gb
é
ëê
ù
ûú
03.1
3.5
484.2
100
)3.5100(seG
Gsa > Gse > Gsb 2.721 > 2.697 > 2.593
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74
Vacíos en el Agregado Mineral - VAM
Donde: Gmb = Gravedad especifica de la mezcla Ps = Porcentaje de agregado respecto la mezcla Gsb = Gravedad especifica neta del agregado
= 13.44 Ps = 94.7 %
Gsb = 2.593
Información previa: Gmb = 2.371
sb
smb
G
PGVAM
*100
593.2
7.94*371.2100VAM
Problema de ejemplo
Especificación: >13
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75
Porcentaje de asfalto absorbido - Pba
= 1.53 %
Donde: Gb = Gravedad especifica del asfalto. Gse = Gravedad especifica efectiva del agregado Gsb = Gravedad especifica neta.
Información previa Gb = 1.03 Gse = 2.697 Gsb = 2.593
Pba =(100*Gb)*(Gse -Gsb)
Gse *Gsb[ ]
593.2*697.2
)593.2697.2(*)03.1*100( baP
Problema de ejemplo
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76
Relación filler / asfalto
= 1.31
bePDP
200 # malla la pasa que %
Dado: P-200 = 5.0%
85.3
0.5DP
Problema de ejemplo
Especificación: 0.6 a 1.2
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77
Resumen: Gsb
Gse
Va VMA
VFA Pba Pbe
DP %Gmm@Nini
= 2.593 = 2.697 = 4.6% = 13.4% = 66.0% = 1.53% = 3.85% = 1.31% = 86.1 %
Resumen de las propiedades volumétricas iniciales de la mezcla asfáltica
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78
Selección de Granulometría de diseño
Ecuación Pbestimado
Pbestimado = Pbmezcla - (0.4 x (4 - Vamezcla))
Pendiente de la curva Va
0.4% de asfalto =
1% de Vacíos de aire.
0
2
4
6
8
10
12
2 4 6 8
% Contenido de asfalto
% V
ac
ios
de
Air
e0.4%
1%
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79
Calculo del VAMestimado
VAMestimado = VAMmezcla + (C x (4 – Vamezcla))
C = constante = 0.1 si Va es menor a 4%
0.2 si Va es mayor a 4%
Vamezcla = 4.57% VMAmezcla = 13.4%
VMAestimado = %32.13))57.44(2.0(4.13
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80
Cálculo del VFAestimado
estimado
estimadoestimado
VMA
VMAVFA
0.4*100
VMAestimado = 13.3% 4.0 = Va
estimadoVFA
3.13
0.43.13*100
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81
Ejemplo de Pbeestimado
estimadoPbe
593.2*697.2
593.2697.2*)03.1*47.94(53.5
Ps = 94.7 Gb = 1.03 Gse = 2.697
Gsb = 2.593 Pbestimado = 5.3
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82
Pb inicial
Pb Gmm Ht ini Ht dis %Gmm
ini Gmb Va VAM VFA Pba Pbe Dp 5.3 2.484 124.1 111.9 86.1 2.371 4.6 13.4 66.0 1.53 3.85 1.31
Pb est %Gmm ini est Va est VAM est VFA est Pbe est Dp est 5.5 86.7 4.0 13.3 69.9 4.1 1.22
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83
Selección de la granulometría
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84
Procedimiento de diseño
Después de seleccionar la granulometría de diseño, se fabrican los especímenes de ensayo a diferentes contenidos de asfalto.
Pest, Pest ±0.5%, Pest ±1.0%
Mezcla de
prueba Pb VAM
%Gmm
@Nini VFA DP
Mezcla 2 5.8 14.3 85.0 73 0.95
5.8%, 5.3% – 6.3%, 4.8% - 6.8%
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85
Relación entre Gse - Gmm
Donde: Gmm= Gravedad específica teórica máxima de la mezcla Gse = Gravedad específica efectiva del agregado Gb = Gravedad específica del asfalto Pb = contenido de asfalto Ps = Porcentaje de agregado con respecto a la mezcla
b
b
se
smm
G
P
G
PG
100
b
b
mm
bse
G
P
G
PG
100
100
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86
Relación entre Gse - Gmm
b
b
se
smm
G
P
G
PG
100
b
b
mm
bse
G
P
G
PG
100
100
03.1
8.5
452.2
100
8.5100
seG
Gse = 2.680
03.1
8.5
680.2
2.94
100
mmG
Gmm = 2.452
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87
Resultados a obtener
mm
mbmm
G
GGVa *100
sb
smb
G
PGVAM
*100
VAM
VaVAMVFA *100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Pb % C
Promedio
Gmb
@Ndis
Prom
Gmb
@Nini
Gmm %Gmm
@Nini Va, % VAM VFA Pbe DP
4.8 0.895 2.327 2.083 2.489 83.70 6.50 14.33
5.3 0.899 2.337 2.101 2.470 85.04 5.39 14.42
5.8 0.894 2.347 2.098 2.452 85.56 4.31 14.52
6.3 0.892 2.342 2.089 2.434 85.81 3.79 15.14
6.8 0.891 2.359 2.100 2.417 86.90 2.39 14.98
2
24*100Va
7
67*100VFA
sb
s
G
PVAM
*4100
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88
Estimación del contenido óptimo
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89
Estimación del contenido óptimo
Mezcla de
prueba Pb
%Gmm
@Nini VAM VFA DP Gmb
Mezcla 2 6.0 84.5 14.8 73 0.8 2.345
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Fórmula de trabajo
Sin importar del método de diseño que se utilice, el objetivo principal del diseño volumétrico es determinar la fórmula de trabajo:
• Características de materiales (agregado y asfalto), • Granulometría de la mezcla, • Temperaturas de mezclado y compactación, • Contenido de asfalto, • Densidad de la mezcla compacta (Gmb de diseño).
90
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Evaluación del desempeño
La diferencia principal entre el método Marshall y el protocolo AMAAC:
La evaluación del desempeño en la fórmula de trabajo,
91
Fatiga Baches Roderas
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Susceptibilidad a la humedad AASHTO T 283
Especificaciones • Velocidad constante de 50,8 mm/min • 7 ± 0,5 % Va • Temperatura de ensaye: 25 °C
3 especímenes acondicionados
3 especímenes sin acondicionar
92
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Nivel II: Deformación permanente
Tránsito ESAL´s
* 106
Mínimo de pasadas para la deformación máxima de 10 mm
≥ 10 20 000
93
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94
Probeta de ensayo
Dimensiones de Probetas
• Diseño h:115mm d: 150mm
• TSR h:63.5mm d: 100mm, h:90mm d:150mm
• Def. Perm h:63.5mm d: 150mm
• Módulo h:190mm d: 150mm
• Fatiga: 75x75x400mm
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95
Alcanzar los 7.0% vacíos de aire
• El CG puede compactar hasta alcanzar la altura fijada (95 mm para 6” y 63 mm para 4”)
• Manteniendo la altura (volumen) constante y ajustando la masa de la mezcla, la densidad de la muestra se cambia.
Gmb=M/V
• Calcule la masa de la mezcla necesaria para alcanzar 7.0% de vacíos
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96
Determinar el volumen estimado
• Volumen a 95mm y 63 mm:
• Donde: V= volumen en cm3
D= diámetro en mm
H= altura en mm
001.0**4
2
HD
Vest
3
2
8.1678001.0954
150cmVest
3
2
8.494001.0634
100cmVest
3
2
3.1113001.0634
150cmVest
TSR 6”
TSR 4”
Hamburgo
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97
• Corrección basada en las muestras de diseño:
9891.02.2032
0.2010
0.20105.27405.4750
2.2032001.01154
150
3
3
2
est
med
med
med
est
V
VC
cmV
SumergidoSSSV
cmV
115mm
150mm
Determinar la corrección
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98
Aplicar la corrección
•Volumen a 95mm:
35.1660
8.1678*9891.0*
cmV
VCV
corr
estcorr
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99
Determinar Gmb para 7.0%
• Como 7.0% de vacíos de aire es lo mismo que 93% de Gmm valor de Gmm=2.500
• Entonces,
• Gmb= Gmm * 93% • Gmb= 2.500 * 0.93 = 2.325
Para cualquier tipo de probeta (TSR 6”, TSR 4”, Hamburgo)
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100
Determinar la masa de la mezcla
• Usando,
• Entonces,
Masa=3860.7g
VGmbM *
5.1660*325.2M
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Nivel III: Modulo Dinámico
Extensómetros, LVDT´s
Medidor sin contacto
Sonda de temperatura
Solicitación
e(t) = e0 sin (wt - f) = e0 e i(wt-j)
Frecuencias (Hz)
Temperaturas °C
0,1 a 10
-10 a 40 °C
s(t) = s0 sin (wt) = s0 eiwt
101
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Nivel III: Modulo Dinámico
Efecto de la frecuencia para cada temperatura
Modulo complejo isoterma
102
• Cuando aumenta la frecuencia aumenta el valor del módulo
• Cuando aumenta la temperatura disminuye el valor del módulo
• El efecto de la frecuencia es mas importante para las temperaturas altas
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Nivel III: Modulo Dinámico
6 Frecuencias
0,03 Hz
10 Hz
5 Temperaturas 35 °C
-22 °C
Tref : 15°C Temperatura
103
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Nivel IV: Fatiga
Longitud final: 380 mm Altura final: 50 mm Ancho final: 63 mm
Va: 6 %
AASHTO T 321 Especificaciones • Temperatura :20°C • Frecuencia: 10 Hz • Tipo de carga :senosoidal • Modo de ensayo: Desplazamiento controlado • Amplitud de me: 250-750 µe
104
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Punto de la curva
de fatigue
Curva de fatiga
10+6
Ln s
Ln N
s6
s0
Ciclo de ruptura
par fatiga
Nivel IV: Fatiga
105
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Resumen: Comportamiento mecánico
Propiedades volumétricas
Propiedades mecánicas en el rango VEL
Evolución al transcurso de los años
Daño por fatiga
Vida útil a la fatiga
Estado inicial (2 complejidades) Formulación de
mezclas asfalticas
Nivel 1
Volumétricos Susceptibilidad H.
Nivel 2
Roderas
Nivel 3
Modulo complejo
Nivel 4
Fatiga
[Manual de diseño de mezclas en
caliente 2005]
Fatiga (final de la vida útil)
Rápida degradación de la condición inicial
Deformación permanente
Origen de la falla
Profundidad de roderas
106
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Taller de diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño