INTRODUCCIÓN

Las capas de rodadura de las vías pavimentadas del país, en su mayoría son del tipo flexible a base de mezcla asfáltica en caliente. La mayoría de mezclas asfálticas son tipo densa y/o abierta, el principal método de diseño que se utiliza es: método Marshall.El método Marshall fue desarrollado por Bruce Marshall, Ex-Ingeniero de Bitumenes del Departamento de Carreteras del Estado de Mississipi.El Ensayo Marshall, surgió de una investigación iniciada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos en 1943. Varios métodos para el diseño y control de mezclas asfálticas fueron comparados y evaluados para desarrollar un método simple.Dicho cuerpo de ingenieros decidió adoptar el método Marshall, desarrollarlo y adaptarlo para el diseño y control de mezclas de pavimento bituminoso en el campo, debido, principalmente a que este método utilizaba equipo portátil. A través de una extensa investigación de pruebas de tránsito, y de estudios de correlación, en el laboratorio, se mejoraron y agregaron ciertos detalles al procedimiento del Ensayo Marshall, y posteriormente se desarrollaron los criterios de diseño de mezclas. Este procedimiento de diseño continúa siendo el principal método utilizado en el país.

Hoy, el pavimento asfáltico es la alternativa más usada en la infraestructura vial del Perú, razón por la cual es importante conocer y estar al tanto de nuevos avances que

permitan incrementar la vida útil y la calidad de este, ya que el país es muy vulnerable a

desastres naturales. Los principales factores de daño de las vías son: La lluvia y las

elevadas cargas de tránsito dañando las estructuras de pavimento y reduciendo su vida

útil, generando mayores gastos para su mantenimiento y reparación.

MARCO TEÓRICO

METODOLOGÍA:

El concepto del método Marshall para diseño de mezclas asfálticas fue formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseño de mezclas.

PROPÓSITO DE LA METODOLOGÍA:

El propósito del Método Marshall es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en caliente, y establece densidades y contenidos óptimos de vació que deben ser cumplidos durante la elaboración de la mezcla. El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas en caliente que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1 pulg) o menor. El método puede ser usado para el diseño en laboratorio, como para el control de campo de mezclas asfálticas en caliente.

OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL.

Mediante el Método de Marshall realizar el diseño y control de mezclas de pavimento

bituminoso en el campo, mediante pruebas realizadas en ensayos de laboratorio con el

objetivo de crear los parámetros de mayor aproximación como si se estuviera realizando

en obra.

OBJETIVO ESPECÍFICO.

Conocer el diseño correcto de la mezcla.

Conocer las características de cada uno de los intervinientes en la mezcla de

Marshall.

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO DE LABORATORIO DEL MÉTODO MARSHALL

Preparación para efectuar los Procedimientos Marshall diferentes agregados y asfaltos presentan diferentes características. Estas características tienen un impacto directo sobre la naturaleza misma del pavimento. El primer paso en el método de diseño, entonces, es

determinar las durabilidades (estabilidad, durabilidad, trabajabilidad, resistencia al deslizamiento, etc.) que debe tener la mezcla de pavimentación, y seleccionar un tipo de agregado y un tipo compatible de asfalto que puedan combinarse para producir esas cualidades. Una vez efectuado lo anterior, se procede con la preparación de los ensayos.

1.1. SELECCIÓN DEL AGREGADO

1.1.1. Selección de las Muestras de Material

La primera preparación para los ensayos consta de reunir muestras del asfalto y del agregado que van a ser usados en la mezcla de pavimentación. Es importante que las muestras de asfalto tengan características idénticas a las del asfalto que va a ser usado en la mezcla final. Lo mismo debe ocurrir con las muestras de agregado. La razón es simple: los datos extraídos de los procedimientos de diseño de mezclas determinan la fórmula para la mezcla de pavimentación. La receta será exacta solamente si los ingredientes ensayados en el laboratorio tienen características idénticas a los ingredientes usados en el producto final.

Una amplia variedad de problemas graves, que van desde una mala trabajabilidad de la mezcla hasta una falla prematura del pavimento, son el resultado histórico de variaciones ocurridas entre los materiales ensayados en el laboratorio y los materiales usados en la realidad.

1.1.2. Preparación del Agregado

La relación viscosidad-temperatura del cemento asfáltico que va a ser usado debe ser ya conocida para poder establecer las temperaturas del mezclado y compactación en el laboratorio. En consecuencia, los procedimientos preliminares se enfocan hacia el agregado, con el propósito de identificar exactamente sus características. Estos procedimientos incluyen secar el agregado, determinar su peso específico, y efectuar un análisis granulométrico por lavado.

• Secado del Agregado

El Método Marshall requiere que los agregados ensayados estén libres de humedad, tan práctico como sea posible. Esto evita que la humedad afecte los resultados de los ensayos. Una muestra de cada agregado a ser ensayado se coloca en una bandeja, por separado, y se calienta en un horno a temperatura de 110 º C (230 º F). Después de cierto tiempo, la muestra caliente se pesa, y se registra su valor.

La muestra se calienta por segunda vez, y se vuelve a pesar y a registrar su valor. Este procedimiento se repite hasta que el peso de la muestra permanezca constante después de dos calentamientos consecutivos, lo cual indica que la mayor cantidad posible de humedad se ha evaporado de la muestra.

• Análisis Granulométrico por Vía Húmeda El análisis granulométrico por vía húmeda es un procedimiento usado para identificar las proporciones de partículas de tamaño diferente en las muestras del agregado. Esta información es importante porque las especificaciones de la mezcla deben estipular las proporciones necesarias de partículas de agregado de tamaño diferente, para producir una mezcla en caliente final con las características deseadas.

El análisis granulométrico por vía húmeda consta de los siguientes pasos:

1) Cada muestra de agregado es secada y pesada.

2) Luego cada muestra es lavada a través de un tamiz de 0.075mm (No. 200), para remover cualquier polvo mineral que este cubriendo el agregado.

3) Las muestras lavadas son secadas siguiendo el procedimiento de calentado y pesado descrito anteriormente.

4) El peso seco de cada muestra es registrada. La cantidad de polvo mineral puede ser determinada si se comparan los pesos registrados de las muestras antes y después del lavado.

• Determinación del Peso Específico

El peso específico de una sustancia es la proporción peso-volumen de una unidad de esta sustancia comparada con la proporción peso-volumen de una unidad igual de agua. El peso específico de una muestra de agregado es determinado al comparar el peso de un volumen dado de agregado con el peso de un volumen igual de agua, a la misma temperatura. El peso específico del agregado se expresa en múltiplos peso específico del agua (la cual siempre tiene un valor de 1).

El cálculo del peso específico de la muestra seca de agregado establece un punto de referencia para medir los pesos específicos necesarios en la determinación de las proporciones agregadas, asfalto, y vacíos que van a usarse en los métodos de diseño.

1.2. Preparación de las Muestras de Ensayo

Las probetas de ensayo de las posibles mezclas de pavimentación son preparadas haciendo que cada una contenga una ligera cantidad diferente de asfalto. El margen de

contenido de asfalto usado en las briquetas de ensayo está determinado con base en experiencia previa con los agregados de la mezcla. Este margen le da al laboratorio un punto de partida para determinar el contenido exacto de asfalto en la mezcla final. La proporción de agregado en las mezclas está formulada por los resultados del análisis granulométrico.

Las mezclas se preparan de la siguiente manera:

1) El asfalto y el agregado se calientan y mezclan completamente hasta que todas las partículas de agregado estén revestidas. Esto simula los procesos de calentamiento y mezclado que ocurren en la planta.

2) Las mezclas asfálticas calientes se colocan en moldes pre-calentados Marshall como preparación para la compactación, en donde se usa el martillo Marshall de compactación, el cual también es calentado para que no enfríe la superficie de mezcla al golpearla.

3) Las briquetas son compactadas mediante golpes del martillo Marshall de compactación. El número de golpes del martillo (35, 50, ó 75) depende de la cantidad de tránsito para la cual la mezcla está siendo diseñada.

Ambas caras de cada briqueta reciben el mismo número de golpes. Así, una probeta Marshall de 35 golpes recibe, realmente, un total de 70 golpes. Una probeta de 50 golpes recibe 100 impactos. Después de completar la compactación las probetas son enfriadas y extraídas de los moldes.

1.3. Procedimiento del Ensayo

Existen tres procedimientos en el método del ensayo Marshall. Estos son: determinación de la gravedad específica, medición de la estabilidad y la fluencia Marshall, y análisis de la densidad y el contenido de vacíos de las probetas.

1.3.1. Determinación de la gravedad específica

Los tres métodos para medir la gravedad específica del agregado toman estas variaciones en consideración. Estos métodos son, la gravedad específica neta, la aparente, y la efectiva:

Gravedad específica neta, Gsb. – Proporción de la masa al aire de una unidad de volumen de un material permeable (incluyendo vacíos permeables e impermeables del material) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada (Figura 2.1).

Gravedad específica aparente, Gsa. – Proporción de la masa en aire de una unidad de volumen de un material impermeable a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada (Figura 2.1 ).

Gravedad específica efectiva, Gse. – Proporción de la masa en aire de una unidad de volumen de un material permeable (excluyendo vacíos permeables de asfalto) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada (Figura 2.1).

1.3.1.1. Gravedad específica neta del agregado

Cuando el agregado total consiste en fracciones separadas de agregado grueso; agregado fino; y filler, todos tienen diferentes gravedades específicas; la gravedad específica neta para el agregado total se calcula usando:

Dónde:

Gsb = gravedad específica neta para el agregado total

P1 ,P2 , Pn = porcentajes individuales por masa de agregado

G1 ,G2 ,Gn = gravedad específica neta individual del agregado

La gravedad específica neta del filler es difícil de determinar correctamente. De cualquier modo, si la gravedad específica aparente del filler es estimada, el error es usualmente insignificante.

1.3.1.2. Gravedad específica efectiva del agregado

Cuando se basa en la gravedad específica máxima de una mezcla de pavimento, Gmm, la gravedad específica efectiva del agregado, Gse, incluye todos los espacios de vacíos en las partículas del agregado, excepto aquellos que absorben el asfalto; Gse se determina usando:

Dónde:

Gse= gravedad específica efectiva del agregado

Gmm= gravedad específica teórica máxima (ASTM D 2041/AASHTO T 209) de

mezcla de pavimento (sin vacíos de aire)

Pmm = porcentaje de masa del total de la mezcla suelta = 100

Pb = contenido de asfalto con el cual ASTM D 2041/AASHTO T 209 desarrolló el

ensayo; el porcentaje por el total de la masa de la mezcla

Gb = gravedad específica del asfalto

El volumen de asfalto absorbido por los agregados es casi invariablemente menor al volumen de agua absorbida. Por tanto, el valor para la gravedad específica efectiva de un agregado debe estar entre su gravedad específica neta y su gravedad específica aparente. Cuando la gravedad específica efectiva sale de estos límites, su valor se debe asumir como incorrecto. El cálculo de la gravedad específica máxima de la mezcla mediante la ASTM D 2041/ASSHTO T 209; la composición de la mezcla en términos del contenido de agregado; y el total de asfalto se deben entonces, volver a inspeccionar para encontrar la causa del error.

1.3.1.3. Gravedad específica máxima de la mezcla asfáltica

En el diseño de una mezcla asfáltica para un agregado dado, se necesitará la gravedad específica máxima, Gmm, para cada contenido de asfalto con el fin de calcular el porcentaje de vacíos de aire para cada contenido de asfalto. Mientras que la gravedad específica máxima puede determinarse para cada contenido de asfalto mediante ASTM D 2041/ASSHTO T 209; la precisión del ensayo es mejor cuando la mezcla está cerca del contenido de asfalto de diseño. Además, es preferible medir la gravedad específica máxima por duplicado o triplicado.

Después de calcular la gravedad específica efectiva del agregado para cada gravedad específica máxima medida; y promediando los resultados del Gse, la gravedad específica máxima para cualquier otro contenido de asfalto puede obtenerse con la siguiente ecuación, la cual supone que la gravedad específica efectiva del agregado es constante, y ésta es válida puesto que la absorción del asfalto no varía apreciablemente con los

cambios en el contenido de asfalto.

Dónde:

Gmm= gravedad específica teórica máxima de la mezcla del pavimento (Sin vacíos

de aire)

Pmm= porcentaje de la masa del total de la mezcla suelta = 100

Ps = contenido de agregado, porcentaje del total de la masa de la mezcla

Pb= contenido de asfalto, porcentaje del total de la masa de la mezcla

Gse= gravedad específica efectiva del agregado

Gb = gravedad específica del asfalto

1.3.2. Ensayos de Estabilidad y Fluencia

Después de que la gravedad específica se ha determinado, se procede a la prueba de estabilidad y flujo, que consiste en sumergir el espécimen en un baño María a 60 ºC ± 1 ºC (140 ºF ± 1.8 ºF) de 30 a 40 minutos antes de la prueba.

Con el equipo de prueba listo se remueve el espécimen colocado en baño María y cuidadosamente se seca la superficie. Ubicando y centrando el espécimen en la mordaza inferior, se coloca la mordaza superior y se centra completamente en el aparato de carga.

Posteriormente, se aplica la carga de prueba al espécimen a una deformación constante de 51 mm (5”) por minuto, hasta la falla. El punto de falla se define por la lectura de carga máxima obtenida. El número total de Newtons (lb) requeridos para que se produzca la falla del espécimen deberá registrarse como el valor de estabilidad Marshall.

Mientras la prueba de estabilidad está en proceso, si no se utiliza un equipo de registro automático, se deberá mantener el medidor de flujo sobre la barra guía y cuando la carga empiece a disminuir se deberá tomar la lectura, y registrarla como el valor de flujo final. La diferencia entre el valor de flujo final e inicial, expresado en unidades de 0.25 mm (1/100”), será el valor del flujo Marshall.

1.3.2.1. Valor de Estabilidad Marshall

El valor de estabilidad Marshall es una medida de la carga bajo la cual una probeta cede o falla totalmente. Durante un ensayo, cuando la carga es aplicada lentamente, los cabezales superior e inferior del aparato se acercan, y la carga sobre la briqueta aumenta al igual que la lectura en el indicador de cuadrante. Luego se suspende la carga una vez que se obtiene la carga máxima. La carga máxima indicada por el medidor es el Valor de Estabilidad Marshall.

Debido a que la estabilidad Marshall indica la resistencia de una mezcla a la deformación, existe una tendencia a pensar que si un valor de estabilidad es bueno, entonces un valor más alto será mucho mejor.

Para muchos materiales de ingeniería, la resistencia del material es, frecuentemente, una medida de su calidad; sin embargo, este no es necesariamente el caso de las mezclas asfálticas en caliente. Las estabilidades extremadamente altas se obtienen a costa de durabilidad.

1.3.3. Análisis de Densidad y Vacíos

Después de completar las pruebas de estabilidad y flujo, se lleva a cabo el análisis de densidad y vacíos para cada serie de especímenes de prueba.

Se debe determinar la gravedad específica teórica máxima (ASTM D2041) para al menos dos contenidos de asfalto, preferentemente los que estén cerca del contenido óptimo de asfalto. Un valor promedio de la gravedad específica efectiva del total del agregado, se calcula de estos valores.

Utilizando la gravedad específica y la gravedad específica efectiva del total del agregado, así como el promedio de las gravedades específicas de las mezclas compactadas, la gravedad específica del asfalto y la gravedad específica teórica máxima de la mezcla asfáltica, se calcula el porcentaje de asfalto absorbido en peso del agregado seco, porcentaje de vacíos (Va), porcentaje de vacíos llenados con asfalto (VFA), y el porcentaje de vacíos en el agregado mineral (VMA).

Vacíos en el agregado mineral, VAM.– Volumen de espacio vacío intergranular entre las partículas del agregado de una mezcla asfáltica compactada, que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado como un porcentaje del volumen total de la muestra (Figura 2.2).

Contenido de asfalto efectivo, Pbe.– Contenido de asfalto total de una mezcla asfáltica, menos la proporción de asfalto absorbido en las partículas del agregado.

Vacíos de aire, Va.– Volumen total de una pequeña bolsa de aire entre las partículas cubiertas del agregado en una mezcla de pavimento compactado, expresado como el porcentaje del volumen neto de la mezcla del pavimento compactado (Figura 2.2).

Vacíos llenados con asfalto, VFA.-– Porción del porcentaje del volumen de espacio vacío intergranular entre las partículas del agregado, que es ocupado por el asfalto efectivo. Se expresa como la porción de (VAM – V a) entre VAM. (Figura 2.2).

El procedimiento de diseño de mezcla, calcula los valores de VAM para las mezclas de pavimento en términos de la gravedad específica neta de los agregados, Gsb.

Los vacíos en el agregado mineral (VAM) y vacíos de aire (Va), se expresan como un porcentaje del volumen de la mezcla asfáltica. Los vacíos llenos de asfalto

(VFA) son el porcentaje del VAM llenado con el asfalto efectivo.

Dependiendo de cómo se específica el contenido de asfalto, el contenido de asfalto efectivo puede expresarse como un porcentaje de la masa total de la mezcla asfáltica, o como porcentaje de la masa del agregado de la mezcla asfáltica.

Debido a que el vacío de aire, VAM y VFA son cantidades de volumen; una mezcla asfáltica, primero debe ser diseñada o analizada sobre la base del volumen. Para propósitos de diseño, este acercamiento volumétrico puede ser fácilmente cambiado a valores de masas, para proveer una mezcla de diseño.

1.3.3.1. Porcentaje de vacíos en el agregado mineral

Los vacíos en el agregado mineral, VAM, se definen como el vacío intergranular entre las partículas del agregado en una mezcla asfáltica compactada, que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado como un porcentaje del volumen total. El VAM puede calcularse sobre la base de la gravedad específica neta del agregado, y expresarse como un porcentaje del volumen mezcla asfáltica compactada. Por tanto, el VAM puede estimarse restando el volumen del agregado determinado por su gravedad específica neta, del volumen neto de la mezcla asfáltica compactada.

Si la composición de la mezcla se determina como el porcentaje del total de la masa de la mezcla asfáltica:

Dónde:

VAM = vacíos en el agregado mineral (porcentaje del volumen neto)

G sb = gravedad específica neta del total de agregado

G mb = gravedad específica neta de la mezcla asfáltica compactada

P s = contenido de agregado, porcentaje del total de la masa de la mezcla asfáltica

O, si la composición de la mezcla es determinada como el porcentaje de la masa del agregado:

Dónde:

P b = contenido de asfalto, porcentaje de la masa del agregado

1.3.3.2. Absorción del asfalto

La absorción se expresa como un porcentaje de la masa del agregado, más que como un porcentaje del total de la masa de la mezcla.

La absorción del asfalto, Pba, se determina mediante:

Dónde:

P ba = asfalto absorbido, porcentaje de la masa del agregado

G se = gravedad específica efectiva del agregado

G sb = gravedad específica neta del agregado

G b = gravedad específica del asfalto

1.3.3.3. Contenido de asfalto efectivo

El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de una mezcla de pavimento es el volumen total de asfalto, menos la cantidad de asfalto perdido por absorción dentro de las partículas del agregado. Es la porción del contenido total de asfalto que se queda como una capa en el exterior de la partícula del agregado y es el contenido de asfalto que gobierna el desempeño de una mezcla asfáltica. La fórmula es:

Dónde:

P be = contenido de asfalto efectivo, porcentaje de la masa total de la mezcla

P b = contenido de asfalto, porcentaje de la masa total de la mezcla

P ba = asfalto absorbido, porcentaje de la masa del agregado

P s = contendido de agregado, porcentaje total de la masa de la mezcla

1.3.3.4. Porcentaje de vacíos de aire

Los vacíos de aire, Va, en la mezcla asfáltica compactada consiste en los pequeños espacios de aire entre las partículas de agregado. El porcentaje del volumen de vacíos de aire en una mezcla compactada, puede determinarse usando:

Dónde:

V a = vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total

G mm = gravedad específica máxima de la mezcla asfáltica

G mb =gravedad específica neta de la mezcla asfáltica compactada

1.3.3.5. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto

El porcentaje de los vacíos en el agregado mineral que son llenados por el asfalto, VFA, no incluyendo el asfalto absorbido, se determina usando:

Dónde:

VFA = vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VAM

VAM = vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen total

V a = vacíos de aire en mezclas compactadas, porcentaje del volumen total

1.4. Presentación de resultados

Los valores de estabilidad, flujo y porcentaje de vacíos en la mezcla, se procesan como se indica a continuación:

a. Promediar los valores de flujo y estabilidad para todas las muestras de un porcentaje de asfalto dado. Valores errados en comparación con los otros, no se incluirán en el promedio.

b. Se elaboran gráficos, para presentar las relaciones entre los siguientes valores:

Estabilidad vs. Porcentaje de Asfalto (ver figura VII.2)

Peso Unitario vs. Porcentaje de Asfalto (ver figura VII.3)

Porcentaje de Vacíos en la Mezcla vs. Porcentaje de Asfalto (ver figura VII.4)

Flujo vs. Porcentaje de Asfalto (ver figura VII.5)

Porcentaje de Vacíos en el Agregado vs. Porcentaje de Asfalto (ver figura VII.6)

En cada gráfico se debe unir los puntos obtenidos mediante una curva promedio, procurando que todos los valores se ajusten a ella en forma adecuada.

1.5. Determinación del Contenido Óptimo de Asfalto

La práctica actual del diseño volumétrico de mezclas asfálticas elaboradas en caliente, recomienda como primer criterio de selección elegir aquel contenido de asfalto correspondiente al 4 % de vacíos de aire (Va), y verificar después que los parámetros volumétricos restantes se encuentren dentro de los rangos establecidos por el método.

Dado que el principal aspecto a tomar en cuenta en el presente diseño, es obtener una mezcla asfáltica que se desempeñe adecuadamente y que además sea resistente a la deformación permanente (roderas), se ha decidido cambiar el criterio en la selección del contenido óptimo, estableciendo aquel contenido de asfalto para el cual el VAF se encuentre a la mitad de su rango permitido (70 %), esto garantiza a nivel de diseño que la mezcla asfáltica no se encuentre cerca de su nivel de saturación. En la tabla 4.1 se presentan los resultados obtenidos bajo el criterio anterior.

Se puede ver que para este criterio de selección, se cumple con las especificaciones de los demás parámetros volumétricos de la mezcla en ambas metodologías. Cabe mencionar que en el método Marshall, el tipo de ligante asfáltico puede influir determinantemente en la selección del contenido óptimo, al intervenir otros parámetros en el criterio de selección a parte de los volumétricos, como son la estabilidad y el flujo, pruebas que se realizan a 60°C independientemente del tipo de ligante que se utilice.

CONCLUSIONES

 

Debemos tener especial cuidado cuando se proyecte y ejecute la construcción de

una carretera, por ello el Método Marshall contribuye a la realización de mejores

carreteras con características adecuadas.

Diseño y control de mezclas de pavimento bituminoso en el campo gracias a

las pruebas realizadas en el laboratorio.