Informe2Pavimentos

Informe Técnico Nº 2Diseño de Mezclas

Asfálticas en Caliente

Fuentes T., Carlos A.

Universidad de CaraboboFacultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería CivilDepartamento de Ingeniería Vial

Cátedra de PavimentosLaboratorio de Pavimentos

Grupo #1

C.I. 15.858.482

Valencia, 21 de Julio de 2

Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente

Introducción

En Venezuela, la gran mayoría de la red vial construida, está formada de pavimentos flexibles. Por ello, es de vital importancia que el ingeniero vial se familiarice al mayor grado posible con cada uno de los aspectos relacionados con el diseño de mezclas asfálticas.

El presente informe, contempla el diseño de una mezcla asfáltica tipo III, según la designación de la Norma COVENIN 2000-87, empleando el método Marshall; por tanto, se muetra cada uno de los parámetros que intervienen en el proceso del diseño, junto con la tabulación y cálculo de cada uno de ellos.

El diseño de Mezclas asfálticas comprende tres aspectos fundamentales, a saber:

Informe Técnico de Laboratorio # 2


Marco Teórico

Ensayo de Granulometría

El ensayo granulométrico, consiste en disociar y clasificar por tamaños las diferentes partículas que conforman una determinada muestra de material térreo, pétreo, o la combinación de ambos; para luego definir la proporción en peso de cada uno de los granos que se encuentra dentro de la misma, así como la determinación de su tamaño máximo nominal*.

Esta prueba de laboratorio puede tener algunas variantes dependiendo de las características del suelo que se esté estudiando. Por ejemplo, si se está en presencia de materiales de grano grueso a medio, el ensayo será por tamizado; y por sedimentación, si el tamaño nominal de las partículas es menor que la abertura del cedazo # 200 (0,074 mm); y una combinación de ambos cuando la situación lo amerite (combinacion de fracciones finas y gruesas).

Para la realización del ensayo granulométrico por tamizado, que será el aplicado en este caso, se precisa de un juego de cedazos ensamblados en forma decreciente (de mayor a menor abertura), de manera, que se cumplan con las especificaciones de la norma ASTM E-11. Estos a su vez, serán colocados sobre una tamizadora, la cual, mediante la transmisión de vibraciones efectuará el cernido de la muestra. Adicionalmente se requiere de una balanza debidamente calibrada.

El peso mínimo de la muestra a ensayar, estará en función de su tamaño máximo, y será según indica la siguiente tabla:

Diámetro Nominal de las Partículas Peso Mínimo de la Muestra (gr)3/8” 5003/4” 10001” 2000

1 ½” 30002” 40003” 5000

Luego de tamizada la muestra, se procede a pesar la fracción retenida en cada tamiz, y luego se calculan los porcentajes retenidos en cada uno de ellos, según la expresión:

Ya conocidos los porcentajes retenidos en cada cedazo, seguidamente, se acumulan y luego con este porcentaje retenido acumulado se procede a determinar el porcentaje pasante por cada criba. El próximo paso es la construcción de la curva granulométrica. A continuación se presentan las distribuciones granulométricas de cada uno de los materiales que se emplearon para el diseño de la mezcla.

*La definición de tamaño máximo nominal, se vierte, como el tamiz teórico por donde pasa el 95% del material ensayado.

Informe Técnico de Laboratorio # 3


Piedra Picada 3/4’’ “El Topo”Distribución Granulométrica

Tamiz Peso Muestra+Tara (gr) Peso Tara (gr) Peso Muestra (gr)Peso Retenido

Acumulado (gr)

% RetenidoAcumulado

% Pasante Tamiz

1 1/2" 1 1/2"1" 1"

3/4" 138 138 0 0 0 100 ¾"1/2" 2538 138 2400 2400 39,96 60,04 ½"3/8" 2081 138 1943 4343 72,31 27,69 3/8"

4 1690 138 1552 5895 98,15 1,85 48 205 138 67 5962 99,27 0,73 8

30 143 138 5 5967 99,35 0,65 3050 152 138 14 5981 99,58 0,42 50

100 155 138 17 5998 99,87 0,13 100200 144 138 6 6004 99,97 0,03 200

Fondo 140 138 2 6006 100 0 Fondo

Informe Técnico de Laboratorio # 2 4


Polvillo Negra “El Gavilán”Distribución Granulométrica


Acumulado (gr)

% RetenidoAcumulado

% Pasante Tamiz

1 1/2" 1 1/2"1" 1"

3/4" 0 0 0 0 0 100 ¾"1/2" 242 138 104 104 1,75 98,25 ½"3/8" 1143 138 1005 1109 18,68 81,32 3/8"

4 2008 138 1870 2979 50,19 49,81 48 629 138 491 3470 58,46 41,54 8

30 767 138 629 4099 69,05 30,95 3050 359 138 221 4320 72,78 27,22 50

100 687 138 549 4869 82,02 17,98 100200 1145 138 1007 5876 98,99 1,01 200

Fondo 198 138 60 5936 100 0 Fondo



Polvillo “Maco-Maco”Distribución Granulométrica


Acumulado (gr)

% RetenidoAcumulado

% Pasante Tamiz

1 1/2" 1 1/2"1" 1"

3/4" 0 0 0 0 0 100 ¾"1/2" 0 0 0 0 0 100 ½"3/8" 290 137 153 153 2,59 97,41 3/8"

4 709 137 572 725 12,28 87,72 48 1666 137 1529 2254 38,16 61,84 8

30 2585 137 2448 4702 79,61 20,39 3050 850 206 644 5346 90,52 9,48 50

100 531 142 389 5735 97,1 2,9 100200 153 0 153 5888 99,7 0,3 200

Fondo 18 0 18 5906 100 0 Fondo



Arena “El Topo”Distribución Granulométrica


Acumulado (gr)

% RetenidoAcumulado

% Pasante Tamiz

1 1/2" 1 1/2"1" 1"¾" 21 0 21 0 0 100 3/4"½" 266 144 122 122 2,07 97,93 1/2"3/8" 497 141 356 478 8,13 91,87 3/8"

4 1363 140 1223 1701 28,91 71,09 48 1190 141 1049 2750 46,74 53,26 8

30 2758 141 2617 5367 91,23 8,77 3050 298 144 154 5521 93,85 6,15 50

100 380 144 236 5757 97,86 2,14 100200 250 139 111 5868 99,75 0,25 200

Fondo 448 433 15 5883 100 0 Fondo



Luego de conocidas las distribuciones granulométricas de cada uno de los agregados que conformarán la mezcla asfáltica, se procederá a la combinación de ellos, de manera que, la proporción de combinado satisfaga los límites establecidos por las normas. En este caso, la mezcla más apegada a lo normativo fue la siguiente: 5% de Piedra Picada ¾” “El Topo”, 40% de Polvillo Negro “El Gavilán”, 40% de Polvillo “Maco-Maco” y 15% de Arena “El topo”. Seguidamente, se muestra la granulometría resultante.

UNIVERSIDAD DE CARABOBO LABORATORIO DE PAVIMENTOS DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE

Una vez conocida la distribución granulométrica de la mezcla de agregados, se calcularán los pesos específicos de cada una de los agregados, puesto que, estos serán necesarios para el diseño de la mezcla asfática. Más adelante se tabularán todos estos cálculos, cuya base fueron los datos suministrados por la laboratorista.



Distribución Granulométrica de la Mezcla Asfáltica

UNIVERSIDAD DE CARABOBOLABORATORIO DE PAVIMENTOS

DISEÑO 1. PLANTA TIPO BATCH

Diseño de Mezclas en CalienteInforme Técnico # 2 TipoTipo de Mezcla COVENIN III Combinación en tolvas en frío

Material% en

combinación % Pasante del tamiz

25,4 mm 19,4 mm 12,5 mm 9,5 mm 4,74 mm 2,36 mm 0,60mm 0,30mm 0,15mm 0,074mm

1 " 3/4 " 1/2 " 3/8" # 4 # 8 # 30 # 50 # 100 # 200Piedra Picada 3/4" "El Topo" 5,0% 100 100 60,0 27,7 1,8 0,7 0,7 0,4 0,1 0Polvillo "Maco-Maco" 40,0% 100 100 100 97,4 87,7 61,8 20,4 9,5 2,9 0,3Polvillo Negro "El Gavilán" 40,0% 100 100 98,3 81,3 49,8 41,5 31,0 27,2 18,0 1,0Arena "El topo" 15,0% 100 100 97,9 91,9 71,1 53,3 8,8 6,2 2,1 0,3

Combinación 100,0% 100 100 97,0 86,7 65,8 49,4 21,9 15,6 8,7 0,6

Límite superior 100 100 100 90 70 50 29 23 16 10Límite inferior 100 100 80 70 50 35 18 13 8 4



Tabulación de los Pesos Específicos de los Agregados de la mezcla

Fracción Retenida en el Tamiz # 8

Polvillo"Maco-Maco"

Polvillo Negro"El Gavilán"

Arena"El Topo"

Peso Muestra SSS en Aire (gr) 680,6 474,1 530,7Peso en Agua (gr) 417 294,9 332,3Peso Seco en Aire (gr) 659 470 524,6Agua Absorbida (gr) 21,6 4,1 6,1Volumen de Muestra (cc) 242 175,1 192,3Porcentaje de Absorción 3,28 0,87 1,16Peso Específico Bulk (gr/cc) 2,72 2,68 2,73Peso Específico aparente (gr/cc) 2,99 2,75 2,82

Fracción Pasa # 8 –Retenida en el Tamiz # 200

Polvillo"Maco-Maco"


Arena"El Topo"

Peso Matraz + Muestra SSS (gr) 509,1 516,8 522,9Peso Matraz (gr) 248,9 248,9 248Peso Muestra SSS (gr) 260,2 267,9 274,9Peso Muestra Seca (gr) 255,5 265 270,3Peso Matraz + Muestra después de vacío 911,9 912,6 918,9Peso Matraz + Agua 746,1 746,1 747,4Volumen de Muestra (cc) 89,7 98,5 98,8Agua Absorbida (gr) 4,7 2,9 4,6Porcentaje de Absorción 1,84 1,09 1,7Peso Específico Bulk (gr/cc) 2,85 2,69 2,74Peso Específico SSS (gr/cc) 2,9 2,72 2,78Peso Específico Aparente (gr/cc) 3,01 2,77 2,87

Fracción Pasante del Tamiz # 200

Polvillo"Maco-Maco"


Arena"El Topo"

Peso Matraz + Muestra (gr) 385,4 376,9 311,1Peso Matraz (gr) 256,3 262,9 256,3Peso Muestra Seca (gr) 129,1 114 54,8Peso Matraz + Muestra después de vacío 830,3 832,7 783,3Peso Matraz + Agua 748,7 762,8 748,7Volumen de Muestra (cc) 47,5 44,1 20,2Peso Específico Bulk (gr/cc) 2,72 2,59 2,71Peso Específico Aparente = Bulk (gr/cc) 2,72 2,59 2,71



Peso Específico Bulk y Aparente de cada uno de los agregados

Peso Específico Bulk (gr/cc)Retenido en 8 Pasa 8 Pasa 200

Piedra Picada 3/4" "El Topo" 2,59 2,59 -Polvillo Negro "El Gavilán" 2,68 2,69 2,59Polvillo "Maco-Maco" 2,72 2,85 2,72Arena "El Topo" 2,73 2,74 2,71

Peso Específico Aparente (gr/cc)Retenido en 8 Pasa 8 Pasa 200

Piedra Picada 3/4" "El Topo" 2,75 2,75 -Polvillo Negro "El Gavilán" 2,75 2,77 2,59Polvillo "Maco-Maco" 2,99 3,01 2,72Arena "El Topo" 2,82 2,87 2,71

Peso Específico Bulk y Aparente ponderado por fracción de agregado

Piedra Picada 3/4" "El Topo"Ensayo Fracción P.E. Bulk P.E. Aparente % Retenido

MOP E-107 Ret. 8 2,59 2,75 99,27MOP E-106 Pasa 8 2,59 2,75 0,73MOP E-110 Pasa 200 - - 0

TOTAL 2,59 2,75 100

Polvillo Negro "El Gavilán"Ensayo Fracción P.E. Bulk P.E. Aparente % Retenido

MOP E-107 Ret. 8 2,68 2,75 58,46MOP E-106 Pasa 8 2,69 2,75 40,53MOP E-110 Pasa 200 2,59 2,59 1,01

TOTAL 2,68 2,75 100

Polvillo "Maco-Maco"Ensayo Fracción P.E. Bulk P.E. Aparente % Retenido


TOTAL 2,8 3 100



Arena "El Topo"Ensayo Fracción P.E. Bulk P.E. Aparente % Retenido


TOTAL 2,74 2,85 100

Pesos específicos de la mezcla de agregados

Materiales Fracción (%) P.E. Bulk P.E. AparentePiedra Picada 3/4" "El Topo" 5 2,59 2,75Polvillo Negro "El Gavilán" 40 2,68 2,75Polvillo "Maco-Maco" 40 2,8 3Arena "El Topo" 15 2,74 2,85

Mezcla 100 2,73 2,86



Método Marshall para el Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente

Los conceptos del método Marshall para el proyecto de mezclas de pavimentación, fueron formulados por Bruce Marshall, Ingeniero de mezclas asfálticas del Departamento Vial del Estado de Missisippi (E.E.U.U.). El cuerpo de Ingenieros de la Armada Norteamericana mejoró y añadió ciertas características del ensayo inicial de Marshall, y gracias a ello, lo conocemos hoy día como el método usado más ampliamente para el diseño de mezclas asfálticas.

Este método es aplicable solo a mezclas asfálticas en caliente, donde el tamaño máximo del agregado no supere a 1 pulgada. Además de resultar útil en el laboratorio, los conceptos del método pueden emplearse para el control en obra de proyectos de pavimentación.

El procedimiento para la aplicación del método Marshall se inicia con la preparación de las muestras para ser ensayadas, las cuales se deben haber hecho previo al ensayo. Estas muestras consisten en briquetas normalizadas de 2,5 pulgadas de altura y 4 pulgadas de diámetro. Se construyen, atendiendo a un procedimiento especificado para calentar, mezclar y compactar la mezcla de asfalto y agregados. Los dos elementos principales del método Marshall son: el análisis de las relaciones entre la densidad y el volumen de vacíos de la mezcla, y la determinación de la estabilidad y flujo de las briquetas compactadas.

La estabilidad de las briquetas se define como la máxima carga en libras que puede resistir la briqueta normalizada a 60º C., bajo las condiciones específicas del ensayo.

El flujo, es el movimiento o deformación total que se produce en la mezcla entre el inicio de la prueba y cuando se le aplica la máximacarga durante el ensayo de estabilidad, expresado en centésimas de pulgada.

Contenido Óptimo de Asfalto

Para determinar el contenido óptimo de asfalto correspondiente a una mezcla o granulometría según el método Marshall, se prepara una serie de briquetas con diferentes contenidos de asfalto, de manera que, las curvas en las que se representan los resultados de los ensayos muestren un valor bien definido. Las pruebas han de efectuarse sobre la base de incrementos de contenido de asfalto del 0,5%, empleándose al menos dos contenidos de asfalto, tanto por encima, como por debajo del óptimo. Para fijar el contenido de asfalto, debe estimarse el valor óptimo.

Con el objetivo de lograr resultados confiables, se preparan tres briquetas para cada contenido de asfalto. Para cada briqueta se emplea un aproximado de 1200g. de agregados.

Materiales y equipos empleados

En primer lugar se hará mención al Aparato Marshall, el cual, consiste en un dispositivo de ensayo accionado por electricidad, concebido para aplicar cargas a las briquetas mediante mordazas semicirculares a una tasa de 2 pulgadas por minuto. Este comprende un anillo de carga calibrado para el registro de la carga transferida y un medidor de flujo, para determinar la deformación cuando se aplica la máxima carga.

Cubeta de temperatura constante, para realizar el calentamiento de las briquetas hasta los 60ºC. Este puede ser controlado de forma manual o mediante un termostato.



Preparación de las briquetas

En primer lugar, deben secarse todos los agregados a peso constante, a una temperatura que oscile entre los 100 y los 110 grados centígrados, para luego proceder a determinar su repectiva distribución granulométrica mediante tamizado.

Posteriormente, se calienta el cemento asfático a utilizar, de manera de producir viscosidades entre los 80+10 y 140+15 segundos Saybolt Furol. En caso de no poseer la relación viscosidad temperatura del material, se pueden calentar los materiales a las siguientes temperaturas:

Cemento Asfáltico: 120-140º C.Agregados: 135 - 163º C.

Luego de calentados los agregados y el cemento asfáltico según las especificaciones de las normas, estos se mezclan a una temperatura de 140º C, hasta que el asfalto haya cubierto por completo todo el agregado.

Seguidamente, se procederá a limpiar cuidadosamente y a calentar el molde y la pesa del martillo hasta una temperatura de 90º C. Luego, se coloca un papel parafinado en la base del molde y se vierte la mezcla dentro de este.

Posterior al vertido de la mezcla dentro del molde, se procede a la compactación, donde se aplicará un total de 75 golpes con un martillo compactador de peso y altura de caída estandarizada, a cada cara de la briqueta.

Después de la compactación de las briquetas, se espera a que se enfríen para retirarlas del molde, para luego someterlas al ensayo Marshall.

En la próxima tabla se detallan los resultados obtenidos del ensayo Marshall para cada una de las briquetas ensayadas en el laboratorio. Asimismo, una serie de gráficas necesarias para la interpretación de los resultados y para la evaluación de la calidad de la mezcla asfáltica.


Análisis de Resultados

Para estimar el porcentaje más adecuado de concreto asfáltico, se toma del gráfico de vacíos en el agregado mineral vs. Porcentaje de concreto asfáltico el porcentaje de asfalto que aporte la menor cantidad de vacíos a la mezcla, y a este valor restarle el 0,5%, de manera de, contar con un rango de contenido de concreto asfáltico aceptable.

En este caso, tenemos que el contenido de concreto asfáltico que mejor describe esta realidad, está alrededor del 6%. Si a esta cifra le restamos 0,5%, se llega a la conclusión de que el óptimo contenido de asfalto, oscila entre 5,5% y 6% respectivamente.

Comparando estos valores con los suministrados por las normas, tenemos los siguientes resultados.

Referente al valor de estabilidad, la norma tolera un mínimo de 1800 lbs. Para este caso, leemos del gráfico un mínimo de 2800 lbs, con lo cual se cumple con esta especificación.

El rango de variación de peso unitario leído en el gráfico está entre los 2300kg/m3 y 2400 kg/m3, lo cual está en conformidad, con los valores teóricos suministrados por los libros de texto. Sin embargo, las normas ASTM, no condicionan este rango a valores específicos.

El flujo para un contenido de asfalto de 6% es de 15 y para 5,5% de asfalto 13,5. Este valor debe estar entre


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