7/26/2019 Trabajo sobre Diseo Marshall
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DISEO MARSHALL (Investigacin sobre el mtodo)
RESUMEN
El propsito del Mtodo de dosificacin Marshall es determinar el contenido ptimo de
asfalto para una combinacin especfica de materiales ptreos, y se basa en un ensayo
mecnico que consiste en romper probetas cilndricas de 101,6 mm de dimetro por 63,5
mm de altura, compactadas mediante un martillo de peso y altura de cada normalizados,
y precalentadas a 60 C, mediante la aplicacin de una carga vertical a travs de una
mordaza perimetral y a una velocidad de deformacin constante de 50,8 mm/min. Elmtodo establece densidades y contenidos ptimos de vaco que deben ser cumplidos
durante la construccin del pavimento.
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INTRODUCCIN
En una mezcla asfltica en caliente de pavimentacin, el asfalto y el agregado son
combinados en proporciones exactas: Las proporciones relativas de estos materiales
determinan las propiedades fsicas de la mezcla y, eventualmente, el desempeo de la
misma como pavimento terminado. Existen dos mtodos de diseo comnmente
utilizados para determinar las proporciones apropiadas de asfalto y agregado en una
mezcla. Ellos son el mtodo Marshall y el Mtodo Hveem. En el presente estudio slotrataremos el mtodo Marshall.
Ambos mtodos de diseo son ampliamente usados en el diseo de mezclas asflticas
de pavimentacin. La seleccin y uso de cualquiera de estos mtodos de diseo de
mezclas es, principalmente, asuntos de gustos en ingeniera, debido a que cada mtodo
contiene caractersticas y ventajas singulares. Cualquier mtodo pude ser usado con
resultados satisfactorios.
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1. DISEO DE MEZCLA ASFALTICA.
Debido a que el diseo de mezcla asfltica, aun tratndose de un pas que tiene
carencias pero que de ninguna manera estas deben ser causa de que se olvide la calidad
ni mucho menos que se siga llevando por mtodos que han demostrado ser obsoletos y
que han llevado a una durabilidad de la mezcla muy pobre, se propone realizar el diseo
por mtodos ms modernos que nos garanticen un buen comportamiento.
Para la propuesta de diseo debemos considerar que se deber recurrir a contar con un
agregado ptreo de calidad adecuada y una granulometra que permita que la mezcla se
mantenga estable dependiendo del tipo de trnsito, clima y la vida til que se pretende
de la mezcla en el pavimento.
Para lograr una calidad adecuada de los materiales ptreos se considera que lo ms
importante es lo siguiente:
a) Angularidad del agregado grueso que corresponde al porcentaje de partcula
triturada en una o dos caras que depender del tipo de trnsito, la vida til y la
profundidad de la capa pudiendo tener de 60% de dos caras y hasta 100%
triturado con dos caras nuevas en donde en el periodo de diseo se tendrn ms
de 30 millones de ejes equivalentes.
b) Angularidad del agregado fino que se mide por los vacos que se tienen en laarena y ser de 40 para poco trnsito y de 45 para alto trnsito a mayor
angularidad, mayor porcentaje a vacos.
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c) Porcentaje de partculas alargadas o lajeadas es importante sobre todo en alto
transito dado que se pueden romper estar partculas y modificar el valor del VAM
por lo que se recomiendo que el valor mximo de la que sea mayor no rebase el
15% (esto ayudara a mejorar los conjuntos de trituracin).d) Porcentaje de arcilla en el agregado fino, que se determina por la prueba del
equivalente de arena cuyo valor mnimo ser de 50 a 60% dependiendo del tipo
de mezcla asfltica a elaborar.
e) Dureza del material ptreo, determinado por medio de la prueba de desgaste a la
mquina de los ngeles con valores de 30% para carpetas 40% para bases
asflticas y 25% para carpetas delgadas, abiertas y tratamientos superficiales.
f) La prueba de durabilidad o sanidad por medio del intemperismo acelerado con
valores de perdida mximas de 12%.
g) Por ltimo, el contenido de materiales deletreos o contaminantes como madera,
mica, carbn con valores de 0% para capas de rodamiento y 1% para bases
asflticas.
Por ltimo, la graduacin o granulometra del agregado ptreo en el cual se busca que
se tenga la graduacin adecuada de acuerdo al tipo de pavimento a utilizar ya sea de
graduacin abierta o cerrada, as como intermitente con el objeto de que el material tenga
un buen esqueleto mineral. De acuerdo a la estructura que busca el SHRP tiene unos
puntos de control que corresponde a las mallas No. 200 (0.075); No. 8 (2.36 mm) y el del
tamao nominal. Para efectos de control de la curva si tiene manejo promedio de tamices
con una malla elevada al 0.45.
h) Es importante incorporar la prueba de azul de metileno, mxime en aquellas
muestras que tienen un alto contenido de
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Para efectos de tener un buen esqueleto mineral se requiere que la parte de grava
sea la ms importante por lo que se requiere que su clasificacin SUCS empiece
por la letra G (grava) Gravel y que la arena ocupe los huecos dejados por la
grava.
Tambin es importante tomar en cuenta lo que corresponde a tratar de evitar que
la curva granulomtrica pase por lo que se ha dado en llamar la zona restringida
dado que forman una joroba (curva de la felicidad) en los agregados producto de
cribados o triturados parciales principalmente de ros. Las curvas que pasan por
la zona restringida indica la presencia de un alto contenido de arena que
desemboca en mezclas debeles con una difcil compactacin y resistencia baja ala deformacin (formacin de roderas y corrimientos) durante la vida de servicio
siendo inestables teniendo tendencia a perder fcilmente los vacos; este tipo de
mezclas difcilmente pueden cumplir con la norma de que al fin de la vida til
conserven algn porcentaje de vacos, las granulometras tambin son variables
de 9.5 a 37.5 mm (3/8 a 1 ) y su eleccin deber depender del espesor de la
capa a colocar.
Para determinar si la granulometra de la mezcla es de forma adecuada se determina a
el agregado mineral, el valor del VAM (vacos de aire en el material ptreo) cuyo
porcentaje depender del tamao nominal mximo del agregado y que luego parte de
estos vacos puedan se ocupados por el asfalto en un porcentaje que depender del
nmero de ejes equivalente durante la vida de diseo ESALs.
Otra condicionante de control es lo que se ha denominado como el porcentaje de
filler/asfalto que es una relacin entre el porciento en peso que pasa la malla No. 200 yel % de asfalto efectivo en la mezcla, cuyo valor debe oscilar entre 0.6 y 1.2 para
cualquier tipo de mezcla asfltica.
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Por ultimo algo que puede ser muy importante es la afinidad del material ptreo con el
asfalto en la mezcla para lo cual si no tiene afinidad se deber utilizar de algn agente
externo para que no se desprenda la mezcla asfltica, pueden ser los aditivos contra la
falta de adherencia que normalmente son aminas. Tambin la cal hidratada, aun enocasiones el uso de polmeros en el asfalto puede ayudar a la adherencia esto es
evaluado por medio de la prueba de resistencia de las mezclas asflticas a los daos
producidos por la humedad
Para la decisin del ligante asfltico SHRP se basa principalmente con relacin a la
temperatura ms baja y ms alta del lugar donde se va a colocar el producto con las
siguientes observaciones.
o SHRP hace su clasificacin de asfaltos por temperatura de 6 en 6 anteponiendo
el prefijo PG seguido de la temperatura alta y luego de la baja con un guion
intermedio. Para el alta, considera el promedio de los 7 das de mxima
temperatura del ao ms caliente cuando menos en los ltimos 20 aos y la ltima
se calcula por la ms fra a 20 mm de profundidad de los ltimos 20 aos.
Se calcula con unas formulas la temperatura del pavimento que se auxilia con las
temperaturas del aire y se corrigen en la temperatura alta con la velocidad (+ 1
grado PG) y las lentas (hasta 2 grados ms PG).
o SHRP considera en temperaturas altas de 46 a 82C para nuestro pas, el de 64
a 82C es suficiente.
o Para temperaturas bajas se tienen grados de10 a46C para nuestro pas los
rangos de10 a22C nicamente.
o Se determinar la temperatura de elaboracin y compactacin (en laboratorio y
en el campo) de acuerdo a la viscosidad que ser determinada por el viscosmetro
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rotacional del SHRP (Brookfield) cuyo rango oscilar del orden de 0.15 a 0.4
pascales y que se adecuar en parmetros de trabajo en el campo.
Para el diseo de la mezcla se considera una serie de valores. Pero no considero quesea pertinente dar una descripcin total del mtodo de diseo nicamente y
considerando que hay otros trabajos que lo describen y lo comparan dar nicamente
algunas ideas de la columna vertebral del SHRP.
o SHRP considera que para el nivel de diseo del pavimento existan tres niveles de
acuerdo a lo siguiente:
Nivel Trnsito Requerimientos
1Transito hasta 1 de ejes
equivalentesDiseo volumtrico
2Transito hasta 10 de ejes
equivalentes
Diseo Volumtrico + ensayes de prediccin de
comportamiento
3Transito ms de 10 de ejes
equivalentes
Diseo Volumtrico + ensayes completos de
prediccin de comportamiento
Y esto depender tambin del periodo de diseo de pavimento, 10 y 15 o ms
aos y para reconstruccin al nivel mayor ser de 10 a 15 aos.
o Para nuestro pas que se considera una tasa de retorno de 10 aos para el diseo
de un pavimento nicamente la autopista que entrara al nivel 3 es la Mxico-
Quertaro, Monterrey, Guadalajara-Lagos de Moreno y Mxico-Puebla, as como
algunas Carreteras Federales como la Quertaro-Irapuato, Len-Irapuato,
Zapotlanejo, Guadalajara-Tepic, Zapotlanejo-Lagos de Moreno etc., y en el nivel2 estaran la mayora de autopistas de cuota faltantes y del orden de 20,000 km.,
de carreteras federales y falta ubicar perifricos y vas rpidas de las Ciudades de
Guadalajara, Monterrey y rea metropolitana de la Ciudad de Mxico.
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o Como vemos para la inmensa mayora de las mezclas asflticas un diseo
volumtrico es ms que suficiente en el cual se tiene que tomar en cuenta la
componente volumtrica, densidad, vacos, vacos con asfalto, densidad o
gravedad especfica, absorcin, absorcin de asfalto, para determinar laconsistencia de la mezcla.
o La compactacin del espcimen de diseo - un compactador giratorio que
compacte con un grado de ataque que permita analizar lo que sucede durante la
compactacin de campo que deje que se compacte de manera similar en ataque
y peso de compactacin de campo que permita que se le aplique carga de
acomodo de compactacin durante todo el periodo de diseo (vida til) con los
siguientes parmetros:
Acomodo Nmero inicial de giros (N inicial)
Compactacin Numero de giros de diseo (N diseo)
Vida til Nmero mximo de giros (N mximo)
Este nmero de giros depender del trnsito y la temperatura del are en el lugar
de diseo y la carga total.
o Con este sistema y las variaciones del asfalto (%) se van obteniendo los pesos
volumtricos y los vacos de la mezcla hasta llegar al optimo (4%) y el que se
tenga con el nivel mximo de carga (ESALs a la vida til) sin olvidar que la mxima
carga se debe mantener cuando menos el 2% de vacos.
Para el diseo volumtrico una vez seleccionado el asfalto y los agregados, se pasar a
la seleccin de la estructura de los agregados, para esta etapa debemos considerar que
mucho depende del trnsito esperado en la vida de diseo. Para esto al inverso de otros
mtodos de diseo de inicio se seleccionarn 3 granulomtricas (gruesa, media y fina)
que tienen las siguientes caractersticas:
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a) Granulometra gruesagrava retenida de de 30 a 40%, gravilla de 3/8 de
15 a 30%, arena de 25 a 30% y finos (pasa 200) de 3 a 4%.
b) Granulometra intermediagrava de de 25 a 35%, gravilla de 3/8de 20 a
35% y arena de 30 a 35% y finos de 4 a 5%.
c) Granulometra fina grava de media de 20 a 30%, gravilla de 3/8 de 25 a
40%, arena de 35 a 40% y finos de 5 a 6%.
En cada una de las mezclas propuestas se determinan densidades, y las
propiedades de cada agregado fino y grueso.
Normalmente las mezclas finas son seleccionadas para menos trnsito y con ms asfalto
y las mezclas gruesas para mayor trnsito y con menos asfalto dado que tienen mejor
esqueleto mineral y tardan ms en obtener la compactacin. En la mayora de los diseos
(gruesos, finos o intermedios) se pasa la zona restringida por la parte de abajo que aun
cuando no es obligatorio da mejores caractersticas de la mezcla eventualmente en la
granulometra fina puede pasar la curva por la zona restringida.
Del diseo volumtrico se obtienen los siguientes datos:
% ptimo de asfalto
Contenido de finos, arena, gravilla y grava.
Peso volumtrico y vacos.
Con los cuales podemos proceder a elaborar los especmenes Marshall para el control
de campo los cuales se elaboran seis con el ptimo de asfalto de los cuales 3 se
ensayarn a valores Marshall y los otros 3 a tensin indirecta (a una temperatura que
variar de acuerdo al clima del lugar siendo 10 para clima fro, 25C para climas
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templados y 40% para climas calientes), de lo anterior tenemos los siguientes datos que
se enviaran para el control de campo.
1. Estabilidad Marshall2. Flujo Marshall
3. Tensin indirecta (a temperatura de proyecto) a 25C (climas fros) o 40C
(climas calientes)
4. % del asfalto.
5. Peso volumtrico Marshall.
6. % de asfalto.
7. Todos los valores de la granulometra de diseo, as como la calidad de materialptreo y sus proporciones para el trabajo de campo
Nota: No necesariamente se tendr el mismo peso volumtrico del diseo dado que el
proceso de compactacin es diferente (dinmica en Marshall y de amasado en giratorio)
pero se puede homologar a seguir con la variante Marshall normal.
2. METODO DE DISEO MARSHALL
2.1 Metodologa.
El concepto del mtodo Marshall para diseo de mezclas para pavimentacin fue
formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del
estado de Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a travs de una
extensiva investigacin y estudios de correlacin, mejor y adicion ciertos aspectos al
procedimiento de prueba Marshall, a la vez que desarroll un criterio de diseo de
mezclas.
El mtodo original de Marshall slo es aplicable a mezclas asflticas en caliente para
pavimentacin que contengan agregados con un tamao mximo de 25 mm (1) o menor.
El mtodo Marshall modificado se desarroll para tamaos mximo arriba de 38 mm
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(1.5). El procedimiento est pensado para diseo en laboratorio y control en campo de
mezclas asflticas en caliente con graduacin densa. Debido a que la prueba de
estabilidad es de naturaleza emprica, la importancia de los resultados en trminos de
estimar el comportamiento en campo se pierde cuando se realizan modificaciones a losprocedimientos estndar.
El mtodo Marshall utiliza especmenes de prueba estndar de una altura de 64 mm (2
) y 102 mm (4) de dimetro. Estos se preparan mediante un procedimiento para
calentar, combinar y compactar mezclas de asfalto- agregado (ASTM D1559). Los dos
aspectos principales del mtodo Marshall son la densidad-anlisis de vacos y la prueba
de estabilidad y flujo de los especmenes compactados; cabe mencionar que esteproceso de diseo no tiene especificado pruebas para agregados minerales ni para
cementos asflticos.
La estabilidad del espcimen de prueba es la mxima resistencia en N (lb) que un
espcimen estndar desarrollar a 60 C cuando es ensayado. El valor de flujo es el
movimiento total o deformacin, en unidades de 0.25 mm (1/100) que ocurre en el
espcimen entre estar sin carga y el punto mximo de carga durante la prueba de
estabilidad.
2.2 Granulometra.
La metodologa Marshall utiliza una grfica semilogartmica para definir la granulometra
permitida, en la cual en la ordenada se encuentran el porcentaje de material que pasa
cierta malla, y en la abscisa las aberturas de las mallas en mm, graficadas en forma
logartmica.
La seleccin de una curva granulomtrica para el diseo de una mezcla asfltica cerradao densa, est en funcin de dos parmetros: el tamao mximo nominal del agregado y
el de las lneas de control (superior e inferior), Las lneas de control son puntos de paso
obligado para la curva granulomtrica. La Tabla 2.1 presenta los tamaos mximos
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nominales ms utilizados, as como sus lneas de control de acuerdo con la ASTM
D3515.
2.3 Especificaciones de la Metodologa.
La seleccin del contenido ptimo de asfalto depende de muchos criterios que se
discutirn en este captulo. Un punto inicial para el diseo es escoger el porcentaje deasfalto para el promedio de los lmites de vacos de aire, el cual es 4%. Todas las
propiedades medidas y calculadas bajo este contenido de asfalto debern ser evaluadas
comparndolas con los criterios para el diseo de mezclas (Tabla 1.2). Si todos los
criterios se cumplen, entonces se tendr el diseo preliminar de la mezcla asfltica, en
caso de que un criterio no se cumpla, se necesitar hacer ajustes, o redisear la mezcla
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Criterio de Mezcla Mn Mx Mn Mx Mn Mx
Compactacin, nmero de golpes en cadauno de los especmenes
Estabilidad, (N) 3336 5338 8006
(lb) 750 ----- 1200 ----- 1800 -----
Flujo, (0.25 mm) (0.01 in) 8 18 8 16 8 14
Porcentaje de vacos 3 5 3 5 3 5
Porcentaje de vacos rellenos de asfalto 70 80 65 78 65 75
35 50 75
Tabla 1. Criterio de diseo de mezclas Marshall
Trfico li gero
Carpeta y bas eMtodo Marshall
Trfico medio
Carpeta y bas e
Trfico pesado
Carpeta y base
mm in 3.0 4.0 5.0
1.18 No. 16 21.5 22.5 23.5
2.36 No. 8 19.0 20.0 21.0
4.75 No. 6 16.0 17.0 18.0
9.5 3/8 14.0 15.0 16.0
12.5 1/2 13.0 14.0 15.0
19 3/4 12.0 13.0 14.0
25 1.0 11.0 12.0 13.0
37.5 1.5 10.0 11.0 12.0
Tabla 2. Mnimo porcentaje de vacos de agregado mineral (VAM)
Mximo tamao de
partcula nominal
Porcentaje mnimo VAM
Porcentaje dseo vacos de aire
2.4 Evaluacin y ajustes de una mezcla de diseo.
Cuando se desarrolla una mezcla de diseo, es frecuentemente necesario hacer varias
mezclas de prueba para encontrar una que cumpla con todos los criterios de diseo.
Cada una de las mezclas de prueba sirve como una gua para evaluar y ajustar las
pruebas siguientes. Para diseo de mezclas preliminares o exploratorias, es aconsejable
comenzar con una graduacin de agregado que se acerque a la media de los lmites
establecidos. Las mezclas de prueba iniciales sirven para establecer la frmula de trabajoy verificar que la graduacin de agregado dentro de los lmites especificados puede ser
reproducida en una planta mezcladora.
Cuando las mezclas de pruebas iniciales fallan con los criterios de diseo en cualquier
contenido de asfalto seleccionado, ser necesario modificar o, en algunos casos,
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redisear la mezcla. Para corregir una deficiencia, la manera ms fcil de redisear una
mezcla es cambiar la graduacin de los agregados ajustando los porcentajes utilizados.
Frecuentemente este ajuste es suficiente para cumplir con las especificaciones. Si el
ajuste de los porcentajes no es suficiente, se debern realizar serias consideraciones.Existen lineamientos generales para ajustar las mezclas de prueba, aunque estas
sugerencias no funcionan en todos los casos:
2.4.1 Vacos bajos y estabilidad baja
Los vacos pueden incrementarse en diferentes formas. Como un
acercamiento general para lograr vacos altos en el agregado mineral (enconsecuencia, proveer de suficientes espacios, para una adecuada
cantidad de asfalto y vacos de aire), la graduacin del agregado debe
ajustarse mediante la adicin de ms agregado grueso o fino.
Si el contenido de asfalto es ms alto de lo normal y el exceso no es
necesario para remplazar el absorbido por el agregado, entonces el
contenido de asfalto deber reducirse a fin de incrementar el porcentaje de
vacos, proveyendo un adecuado VAM. Se deber recordar que disminuir
el porcentaje de asfalto podr tender a bajar la durabilidad del pavimento.
Demasiada reduccin en el contenido de asfalto puede ocasionar
fracturacin, oxidacin acelerada e incremento de la permeabilidad. Si los
ajustes anteriores no producen una mezcla estable, el agregado tendr que
cambiarse.
Es tambin posible mejorar la estabilidad e incrementar el contenido de
vacos en el agregado de la mezcla, mediante el incremento del agregado
grueso o reduccin de la cantidad de material que pasa la malla No. 200.Con la incorporacin de arena procesada, el contenido de vacos puede
mejorarse sin sacrificar la estabilidad de la mezcla.
2.4.2 Vacos bajos y estabilidad satisfactoria
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Bajos contenidos de vacos pueden eventualmente resultar en inestabilidad
debido a flujo plstico o despus de que el pavimento ha sido expuesto al
trnsito por un periodo de tiempo ante la reorientacin de las partculas y
compactacin adicional.Por su parte, insuficientes vacos pueden ser producto de la cantidad
requerida de asfalto para obtener una durabilidad alta en mezclas finas; sin
embargo, la estabilidad es inicialmente satisfactoria por el trnsito
especfico. Una degradacin de agregado pobre durante la produccin de
la mezcla y/o bajo la accin de trnsito puede ocasionar subsecuentemente
inestabilidad y flujo si el contenido de vacos de la mezcla no es suficiente.
Por estas razones, mezclas con vacos bajos tendrn que ajustarse por unode los mtodos dados, en el inciso anterior sin importar que la estabilidad
inicial sea satisfactoria.
2.4.3 Vacos satisfactorios y estabil idad baja
La baja estabilidad cuando los vacos y la graduacin del agregado son
satisfactorios, puede indicar algunas deficiencias en el agregado. Se
debern tomar consideraciones para mejorar la forma de la partcula de los
agregados utilizando material producto de trituracin o incrementando el
porcentaje de agregado grueso en la mezcla o posiblemente aumentando
el tamao mximo del agregado. Partculas de agregado con textura rugosa
y superficies menos redondeadas, presentan ms estabilidad cuando se
mantiene o incrementa el volumen de vacos.
2.4.4 Vacos altos y estabilidad satisfactoria
Altos contenidos de vacos se asocian frecuentemente con mezclas conalta permeabilidad; al permitir la circulacin de aire y agua a travs del
pavimento pueden ocasionar endurecimiento prematuro del asfalto,
desprendimiento del agregado, o posible desprendimiento del asfalto en el
agregado. Aun cuando la estabilidad es satisfactoria, se debern realizar
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ajustes para reducir los vacos. Pequeas reducciones se lograrn
mediante la adicin de polvo mineral a la mezcla. Podra ser necesario
seleccionar o combinar agregados para lograr una graduacin, la cual
deber estar cerca de la curva de mxima densidad.
2.4.5 Vacos altos y estabilidad baja
Se debern tomar en cuenta dos pasos para este tipo de condiciones; el
primero es ajustar el volumen de vacos mediante los mtodos discutidos
en los puntos anteriores; y en el segundo, si los ajustes no mejoran la
estabilidad, deber hacer una consideracin de la calidad de los materiales,
conforme en 1.4.1 y 1.4.2.
2.5 Pruebas a las mezclas asflticas compactadas
En el mtodo Marshall se llevan a cabo tres tipos de pruebas para conocer tanto sus
caractersticas volumtricas como mecnicas.
2.5.1 Determinacin de la gravedad especfica
La prueba de gravedad especfica puede desarrollarse tan pronto como el
espcimen se haya enfriado en un cuarto de temperatura. Esta prueba se
desarrolla de acuerdo con la Norma ASTM D1188, gravedad especfica de
mezclas asflticas compactadas empleando parafina; o ASTM D2726,
gravedad especfica de mezclas asflticas compactadas utilizando
superficies saturadas de especmenes secos.
Para determinar cul norma se debe utilizar, se realizarn pruebas de
absorcin a la mezcla asfltica compactada; si la absorcin es mayor al 2%,
se utiliza la Norma ASTM D1188, en caso contrario, se recurre a la NormaASTM D2726.
2.5.2 Prueba de estabil idad y f lujo
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Despus de que la gravedad especfica se ha determinado, se desarrolla
la prueba de estabilidad y flujo, que consiste en sumergir el espcimen en
un bao Mara a 60 C 1 C (140 F 1.8 F) de 30 a 40 minutos antes
de la prueba.
Con el equipo de prueba listo, se remover el espcimen de prueba del
bao Mara y cuidadosamente se secar la superficie. Colocndolo y
centrndolo en la mordaza inferior, se proceder a colocar la mordaza
superior y se centrar completamente en el aparato de carga.
Posteriormente se aplica la carga de prueba al espcimen a unadeformacin constante de 51mm (5) por minuto, hasta que ocurra la falla.
El punto de falla est definido por la lectura de carga mxima obtenida. El
nmero total de Newtons (lb) requeridos para que se produzca la falla del
espcimen deber registrarse como el valor de estabilidad Marshall.
Mientras que la prueba de estabilidad est en proceso, si no se utiliza un
equipo de registro automtico se deber mantener el medidor de flujo sobre
la barra gua y cuando la carga empiece a disminuir habr que 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 ) ser el
valor del flujo Marshall.
2.5.3 Anlisis de densidad y vacos
Despus de completar las pruebas de estabilidad y flujo, se realiza el
anlisis de densidad y vacos para cada serie de especmenes de prueba.
Resulta conveniente determinar la gravedad especfica terica mxima
(ASTM D2041) para al menos dos contenidos de asfalto, preferentemente
aquellos que estn cerca del contenido ptimo de asfalto. Un valor
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promedio de la gravedad especfica efectiva del total del agregado se
calcular de estos valores.
Utilizando la gravedad especfica y la gravedad especfica efectiva del totaldel agregado; el promedio de las gravedades especficas de las mezclas
compactadas; la gravedad especfica del asfalto y la gravedad especfica
terica mxima de la mezcla asfltica, se calcula el porcentaje de asfalto
absorbido en peso del agregado seco, porcentaje de vacos (Va);
porcentaje de vacos llenados con asfalto (VFA) y el porcentaje de vacos
en el agregado mineral (VAM).
3. PRESENTACIN DE RESULTADOS.
3.1 Procedimiento para la Aplicacin del Mtodo Marshall
a) Seleccin de las Muestras de Material
El primer paso en el mtodo de diseo, es seleccionar un tipo de agregado y un
tipo compatible de asfalto que puedan combinarse para producir las cualidades
que se estn buscando para la carpeta (estabilidad, durabilidad, Trabajabilidad.
resistencia al deslizamiento, etctera). La relacin viscosidad-temperatura del
cemento asfltico que va a ser usado debe ser ya conocida para poder establecer
las temperaturas de mezclado y compactacin en el laboratorio. El procedimiento
incluye:
o Secar el agregado: hasta obtener un peso constante a una temperatura de
110 C.
o Determinar peso especfico: es determinado al comparar el peso de unvolumen dado de agregado, con el peso de un volumen igual de agua a la
misma temperatura. El peso especfico del agregado se expresa en
mltiplos del peso especfico del agua (la cual siempre tiene un valor de 1).
El clculo del peso especfico de la muestra seca de agregado, establece
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un punto de referencia para medir los pesos especficos necesarios en la
determinacin de las proporciones de agregado, asfalto y vacos que van
a usarse en el mtodo de diseo.
o Anlisis granulomtrico por lavado: mediante el cual se identifican lasproporciones de partculas diferente en las muestras de agregado.
b) Seleccin del Tipo de Mezcla
Tomando en cuenta el criterio del diseador, las clasificaciones de la tabla N 3
Tabla N 3. CAUSAS Y EFECTOS EN LAS PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS ASFLTICAS PARA MANTENIMIENTOS
BAJA ESTABILIDADCausas Efectos de la carpeta
Exceso de asfalto en la mezcla Ondulaciones, ahuellamiento y afloramiento o exudacin
Exceso de arena de tamao medio en la mezcla Baja resistencia durante la compactacin y posteriormentedurante un cierto tiempo; dificultad para la compactacin
Agregado redondeado sin, o con pocas superficies trituradasAhuellamiento
Ahuellamiento y Canalizacin
BAJA DURABILIDAD
Causas Efectos de la carpeta
Bajo contenido de asfalto Endurecimiento rpido del asfalto y desintegracin por prdidade agregado
Alto contenido de vacos debido al diseo o a la falta decompactacin
Endurecimiento temprano del asfalto seguido por agrietamientoo desintegracin
Agregados susceptibles al agua (hidroflicos) Pelculas de asfalto se desprenden del agregado dejando unpavimento desgastado, o desintegrado.
MEZCLADO DEMASIADO PERMEABLECausas Efectos de la carpeta
Bajo contenido de asfalto Las pelculas delgadas de asfalto causarn, tempranamente, unenvejecimiento y una desintegracin de la mezcla
Alto contenido de vacos en la mezcla de diseo El agua y el aire pueden entrar fcilmente en el pavimento,causando oxidacin y desintegracin de la mezcla
Compactacin inadecuada Resultar en vacos altos en el pavimento, lo cual conducir ainfiltracin de agua y baja estabilidad.
MALA TRABAJABILIDAD
Causas Efectos de la carpeta
Tamao mximo de partcula: grande Superficie spera, difcil de colocar
Demasiado agregado grueso Puede ser difcil de compactar
Temperatura muy baja de mezcla Agregado sin revestir, mezcla poco durable; superficie speradifcil de compactar
Demasiada arena de tamao medio La mezcla se desplaza bajo la compactadora y permanece tierna
o blandaBajo contenido de relleno mineral Mezcla tierna, altamente permeable
Alto contenido de relleno mineral Mezcla muy viscosa, difcil de manejar; poco durable
MALA RESISTENCIA A LA FATIGA
Causas Efectos de la carpeta
Bajo contenido de asfalto Agrietamiento por fatiga
Vacos altos de diseo Envejecimiento temprano del asfalto, seguido por agrietamientopor fatiga
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Falta de compactacin Envejecimiento temprano del asfalto, seguido por agrietamientopor fatiga
Espesor inadecuado de pavimento Demasiada flexin seguida por agrietamiento por fatiga
POCA RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO
Causas Efectos de la carpeta
Exceso de asfalto Exudacin, poca resistencia al deslizamiento
Agregado mal graduado o con mala textura Pavimento liso, posibilidad de hidroplaneoAgregado pulido en la mezcla Poca resistencia al deslizamiento
Fuente: Serie de Manuales N 22 del Instituto del Asfalto (MS-22), Figuras: 3.3, 3.4, 3.5 y 3.6, Pginas: 61, 62, 63 y 64.
c) Evaluacin de la Granulometra de los Agregados
determinar por medio de ensayos granulomtricos, si los tamaos de agregados
estn dentro de los rangos tericos, propios de cada tipo de granulometra, de
acuerdo a las grficas con las curvas de graduacin.
d) Proporcionamiento de Agregados y AsfaltosSe mezclan los agregados en sus diferentes proporciones con los distintos
contenidos de asfalto que se evaluarn.
e) Preparacin de Especmenes de Ensayo
Las probetas de ensayo de las posibles mezclas de pavimentacin son
preparadas haciendo que cada una contenga una ligera cantidad diferente de
asfalto. El margen de contenidos de asfalto usado en las briquetas de ensayo estdeterminado con base en experiencia previa con los agregados de la mezcla. El
asfalto y el agregado se calientan y mezclan completamente hasta que todas las
partculas de agregado estn revestidas. Esto simula los procesos de
calentamiento y mezclado que ocurren en la planta. Las mezclas asflticas
calientes se colocan en los moldes pre-calentados Marshall, como preparacin
para la compactacin, en donde se usa el martillo Marshall de compactacin, el
cual tambin es calentado para que no enfre la superficie de la mezcla al
golpearla. Las briquetas son compactadas mediante golpes del pisn de
compactacin Marshall (fotografa 1).
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Foto 1. Pisn de compactacin Marshall
El nmero de golpes del pisn de compactacin (35, 50 o 75) depende de la
cantidad de trnsito para la cual la mezcla est siendo diseada (Tabla N 1).
Ambas caras de cada briqueta reciben el mismo nmero de golpes. Despus de
completar la compactacin las probetas son enfriadas y extradas de los moldes.
f) Determinacin de la Gravedad Especfica de los Especmenes Compactados
g) Ensayo EstabilidadFlujo
Como se mencion anteriormente, el ensayo de estabilidad, est dirigido a medir
la resistencia a la deformacin de la mezcla.
h) Determinacin de la Gravedad Especfica Terica Mxima de la Mezcla Suelta.
i) Anlisis DensidadVaco
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3.2 Ensayos Marshall
Existen tres procedimientos en el mtodo del ensayo Marshall, estos son:
a) Determinacin del peso especfico total,
b) Medicin de la estabilidad y el flujo Marshall, yc) Anlisis de la densidad y el contenido de vacos.
a) Determinacin del Peso Especfico Total El peso especfico total de cada probeta
se determina tan pronto como las probetas recin compactadas se hayan enfriado
a la temperatura ambiente. Esta medicin de peso especfico es esencial para un
anlisis preciso de densidad-vacos.
b) Ensayos de estabilidad y fluencia El ensayo de estabilidad est dirigido a medir la
resistencia a la deformacin de la mezcla. La fluencia mide la deformacin, bajo
carga, que ocurre en la mezcla (Ver fotografa 2).
Foto 2. Probeta Marshall y Pedestal de compactacin.
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Altura aproximada de
espcimen, en milimetrosFactor de coreccin
50 1.51
51 1.46
52 1.41
53 1.36
54 1.32
55 1.27
56 1.23
57 1.2
58 1.16
59 1.13
60 1.1
61 1.07
62 1.04
63 1.01
64 0.99
65 0.96
66 0.94
67 0.91
68 0.89
69 0.87
70 0.85
Tolerancias respectos de los promedios
correspondientes de cada serie:
NOTA: Multiplicando la estabilidad medida en un
espcimen por el factor de correccin, se obtiene la
estabilidad corregida para un espcimen de 63.5
mlimetros de altura.
c) Anlisis de Densidad y Vacos
El propsito del anlisis es el de determinar el porcentaje de vacos en la mezcla
compactada. Una vez que se completan los ensayos de estabilidad y fluencia, se
procede a efectuar un anlisis de densidad y vacos para cada serie de probetas
de prueba. Anlisis de Vacos Se calcula a partir de los pesos especficos del
asfalto y el agregado de la mezcla, con un margen apropiado para tener en cuenta
la cantidad de asfalto absorbido por el agregado; o directamente mediante un
ensayo normalizado (AASHTO T- 209) efectuado sobre la muestra de mezcla sin
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compactar. El peso especfico total de las probetas compactadas se determina
pesando las probetas en aire y en agua. La tabla N 1 proporciona valores lmite
de porcentaje de vacos segn intensidad de trnsito.
Anlisis de Peso Unitario
El peso unitario promedio para cada muestra se determina multiplicando el peso
especfico total de la mezcla por la densidad del agua 1000 kg/m3 (62.4 lb/ft3).
Anlisis de Vacos en el Agregado Mineral (VAM)
El VAM es calculado con base en el peso especfico total del agregado y se
expresa como un porcentaje del volumen total de la mezcla compactada. Por lotanto, el VMA puede ser calculado al restar el volumen del agregado (determinado
mediante el peso especfico total del agregado) del volumen total de la mezcla
compactada (tabla N 2.9).
Anlisis de Vacos Llenos de Asfalto (VFA)
El VFA, es el porcentaje de vacos nter granulares entre las partculas de
agregado (VMA) que se encuentran llenos de asfalto. El VAM abarca asfalto y
aire, y por lo tanto, el VFA se calcula al restar los vacos de aire del VAM, y luego
dividiendo por el VAM, y expresando el valor final como un porcentaje. La tabla N
1 proporciona valores lmites de VFA en funcin de la intensidad de trnsito para
el cual de disear la carpeta.
Previo a la ejecucin del mtodo se deben tener en cuenta los siguientes
aspectos:
o Los materiales a usar deben cumplir con las especificaciones del proyecto.o La mezcla de agregados debe cumplir con las especificaciones
granulomtricas del proyecto.
o Se deben determinar las densidades reales secas de todos los agregados
y las del asfalto para ser usados en el anlisis de huecos de la mezcla. Las
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dos caractersticas principales del mtodo de diseo son el anlisis
densidad vacos y el ensayo de fluencia y estabilidad de las probetas.
3.2.1 Anlisis de Resultados Ensayo Marshall
Se procede a trazar los resultados del ensayo en grficas, para poderanalizar las caractersticas particulares de cada muestra. Mediante el
estudio de las grficas se puede determinar cual muestra de la serie,
cumple mejor los criterios establecidos para el pavimento terminado. Las
proporciones de asfalto y agregado en estas muestras se convierten en las
proporciones usadas en la mezcla final. Las grficas que se deben trazar
para el diseo son:
o Porcentajes de vacos
o Porcentajes de vacos en el agregado mineral (VAM)
o Porcentajes de vacos llenos de asfalto (VFA)
o Pesos unitarios (densidades)
o Estabilidad Marshall
o Flujo Marshall
En cada grfica, los puntos representan los diferentes valores que debenser conectados mediante lneas para formar curvas suaves. (Foto N 3).
NOTA: Lo ms prctico es tomar una serie de cinco muestras.
LA ESTABILIDAD DE LA PROBETA DE ENSAYO: ES LA CARGA MXIMA EN NEWTON QUE STA
ALCANZA A 60 C
EL FLUJO:ES LA DEFORMACIN, EN DCIMAS DE MILMETROS, QUE OCURRE DESDE EL INSTANTE
QUE SE APLICA LA CARGA HASTA LOGRAR LA CARGA MXIMA.
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Foto 3. Graficas usadas por el mtodo Marshall
3.3 Seleccin del Diseo de Muestra Adecuado
El diseo de mezcla seleccionado para ser usado en un Recarpeteo es, generalmente,
aquel que cumple, de la manera ms econmica, con todos los criterios establecidos.
Sin embargo, no se debe disear una mezcla para optimizar una propiedad en particular.
Por ejemplo, las mezclas con valores muy altos de estabilidad son, con frecuencia, poco
deseable, debido a que los pavimentos que contienen este tipo de mezclas tienden a ser
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menos durables y pueden agrietarse prematuramente bajo volmenes grandes de
trnsito. Cualquier variacin en los criterios de diseo deber ser permitida solo bajo
circunstancias poco usuales, a no ser que el comportamiento en servicio de una mezcla
en particular indique que dicha mezcla alternativa es satisfactoria. En la Tabla N 4 sepuede observar de una forma sintetizada, los pasos necesarios que son solicitados por
el Mtodo Marshall.
Tabla N 4. PASOS PARA EL DISE O DE MEZCLAS ASF LTICAS POR EL M TODO MARSHALL
1. SELECCIN DE LAS MUESTRAS DE MATERIAL:
SECAR EL AGREGADO
HACER UN ANLISIS GRANULOMTRICO POR VA HMEDA DETERMINAR EL PESO ESPECFICO DEL MATERIAL
2. SELECCIN DEL TIPO DE MEZCLA:
EL ASFALTO DEBE ESTAR CLASIFICADO PREVIAMENTE POR VISCOSIDAD O POR
PENETRACIN.
3. EVALUACIN DE LA GRANULOMETRA DE LOS AGREGADOS:
(El Tamao Mx. del agregado debe ser de 1 Pulgada.)
4. PROPORCIONAMIENTO DE AGREGADOS Y ASFALTOS
5. PREPARACIN DE ESPECIMENES DE ENSAYO
DETERMINACIN DEL PESO ESPECFICO TOTAL
MEDICIN DE LA ESTABILIDADY EL FLUJO
ANLISIS DE LA DENSIDAD Y DEL CONTENIDO DE VACOS
ANLISIS DE VACOS
ANLISIS DEL PESO UNITARIO
ANLISIS DE VACOS EN EL AGREGADO MINERAL (VAM)
ANLISIS DE VACOS LLENOS DE ASFALTO (VFA)
6. DETERMINACIN DE LA GRAVEDAD ESPECFICA DE LOS ESPECIMENES
COMPACTADOS.
7. ENSAYO ESTABILIDADFLUJO
8. DETERMINACIN DE LA GRAVEDAD ESPECIFICA TERICA MXIMA DE LA MEZCLA
SUELTA
9. ANLISIS DENSIDADVACOS
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3.4 Mtodo Marshall Modi ficado
Existe un Mtodo Marshall modificado que ha sido desarrollado por Kandhal, del Centro
Nacional para la Tecnologa del Asfalto de E.E.U.U. , el cual se aplica para mezclar
compuestos de agregados con tamaos mximos arriba de 38 mm (1.5 pulg.). Esteprocedimiento est documentado en forma de borrador en el Documento de
Procedimientos de la Asociacin de Tecnlogos de Pavimentos Asfltico (AAPT), 1990.
El procedimiento es bsicamente el mismo que el mtodo original, excepto por las
diferencias que se establecen debido al tamao ms grande del espcimen que se usa:
1. El peso del martillo es de 10.2 Kg. (22.5 lb.) y tiene una superficie plana de
compactacin de 149.4 mm (5.88 pulg.) de dimetro.
2. El espcimen tiene un dimetro de 152.4 mm (6 pulg.) por 95.2 mm (3.75 pulg.) dealtura.
3. El peso de la mezcla por bachada es generalmente de 4 Kg.
4. El equipo para compactar y ensayar (moldes y cabezal partido) son proporcionalmente
ms grandes, para acomodar los especmenes ms grandes.
5. La mezcla es colocada dentro del molde en dos incrementos aproximadamente
iguales, con aplicacin de acomodamientos con la esptula despus de cada incremento
para evitar segregacin.
6. El nmero de golpes necesario para estos especmenes es de 1.5 veces (75 112
golpes) que el requerido para los especmenes estndar (50 75 golpes) para obtener
una compactacin equivalente.
7. El criterio de diseo tambin debe modificarse. La Estabilidad mnima debe ser 2.25
veces y el rango de Flujo debe ser 1.5 veces que el criterio establecido para especmenes
de tamao normal.
8. Similar al procedimiento normal, estos valores deben usarse para convertir los valores
medidos de Estabilidad a un valor equivalente para un espcimen con un espesor de95.2 mm, si existe variacin en los especmenes de ensayo.
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4. CONTROL DE CALIDAD.
Para el control de calidad en el campo se deber seguir con los siguientes lineamientos:
4.1 Se obtiene un diseo de mezcla asfltica que se obtuvo de un diseo volumtrico de
Superpave (SHRP con compactador giratorio) en la mayora de los casos y que con
los datos de granulometra del material ptreo el grado de compactacin (peso
volumtrico compacto), los vacos y el contenido de asfalto de acuerdo al diseo se
puede transformar este a valores de Marshall para un control de campo se debe hacer
lo siguiente:
4.1.1 Como se mencion anteriormente se tienen con esos valores datos que al
llevarse a cabo en el compactador Marshall no van a dar un nuevo nmero de
golpes por cara para tener la misma compactacin y ser la nica variante con el
diseo Marshall (que daba un total de golpes de 75 golpes por cara) y en este
caso podrn ser ms o menos dependiendo del diseo del trnsito y lo inherente
al diseo.
4.1.2 Se checar que el peso volumtrico, contenido de asfalto, vacos, flujo, as
como el VAM que correspondan a las del diseo para tomar en cuenta que
estamos cumpliendo con el mismo.
4.1.3 Independientemente deber tenerse en cuenta que la granulometra deber
cumplir con la del diseo que fue determinada para las condiciones de cada
pavimento en particular y permitiendo nicamente las tolerancias de la norma
SCT.
4.2 Para poder cumplir lo anterior se deber checar que la calidad del asfalto sea la del
diseo de acuerdo con lo propuesto y lo solicitado.
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5. El control de calidad de la mezcla asfltica se lleva con los siguientes
lineamientos:
5.1 La periodicidad del muestreo ser determinada por la Dependencia siendoestos los valores de mezcla asfltica independientemente del muestreo y ensaye
de la granulometra y contenido de asfalto que se podr llevar por separado.
El ensaye de los especmenes de la mezcla asfltica, (pastillas Marshall) se har de la
forma en que se establezca ya sea por valores Marshall de estabilidad, flujo y vacos o
por el mtodo de tensin indirecta, para obtener tambin vacos, deformacin a la falla
con el aditamento del Lotman en la prensa Marshall y comparado estos datos con eldiseo propuesto.
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CONCLUSIONES
Interpretacin de los resultados
La densidad aumenta con el contenido de asfalto hasta un mximo despus del cual
comienza a decrecer.La curva de Estabilidad es similar al de la Densidad, salvo que la mxima estabilidad
ocurre normalmente (no siempre) a un contenido de asfalto ligeramente inferior al de la
mxima densidad.
Los valores del flujo aumentan con los incrementos en el contenido de asfalto.
El porcentaje de vacos con el aire en la mezcla total disminuye al incrementar el
contenido de asfalto, tendiendo hacia un mnimo.
El porcentaje de vacos en los agregados minerales disminuye al incrementarse elcontenido de asfalto, hasta alcanzar un mnimo a partir del cual comienza a aumentar.
No se debe exagerar en el tiempo del calentado de la mezcla asfltica, por que esta se
hace quebradiza. Es recomendable calentarla de 3 a 5 minutos.
La temperatura mnima a la cual la mezcla debe llegar al sitio de la obra debe ser de
120C, caso contrario se corre el riesgo de al ser compactada adquiere una superficie
porosa, esto aumenta la posibilidad de oxidacin y envejecimiento prematura del
concreto asfltico.
Sin embargo, es difcil hacer una interpretacin terica del mismo, con lo cual es mucho
ms complejo an el precisar la propiedad de la mezcla que se est evaluando a travs
de la estabilidad Marshall.
Se debe pugnar porque el sistema de contratacin de las obras cambie totalmente, dado
que al otorgar las licitaciones a quienes presentan la propuesta ms econmica es el
principal enemigo de la calidad de la obra si no se toma en cuenta la propuesta tcnica
y de calidad, as como buena experiencia y resultados de obras anteriores tanto en los
concursos de obras como en los de supervisin y control de calidad primordialmente enestos ltimos.
Pugnar, porque en la contratacin que viene derivada de la licitacin tenga todos los
candados necesarios para que no se pueda eludir la buena calidad y adems que la
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supervisin sea la suficientemente estricta y que cuente con los conocimientos tcnicos
y equipos necesarios a este respecto.
Si en los Estados Unidos llevaron a cabo una inversin de ms de 250 millones de
dlares y argumentaba que si los pavimentos duraran tan solo un 1% ms con esoquedaba pagada la inversin del programa del SHRP, que podemos esperar de un pas
como el nuestro en que la mayora de los pavimentos de mezclas asflticas duran menos
de 50% de los pavimentos de Europa y de Estados Unidos.
Nuestros pavimentos que con buena voluntad duran el 50% de ninguna manera con
todas estas deficiencias tienen un costo mayor al 80% de los que se pueden construir
con todos los requisitos de calidad y diseo.
Cuando se lleve a cabo el diseo de una mezcla asfltica que se tome en cuenta todo lorelacionado a clima, transito, materiales, equipo y personal adecuado para que la calidad
de la obra sea la requerida.
Implementar un mtodo que sea lo suficientemente confiable de la durabilidad del
pavimento, mxime el pavimento es el espejo del camino y que deficiencias estructurales
o de ndice de perfil son las que hacen que el transporte se vuelva ms lento y costoso
en su operacin.
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BIBLIOGRAFA
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