Diseño de Mezclas Asfálticas HMA

Método MARSHALL

PAVIMENTOS

Ing. Augusto García

10

Concreto asfáltico

Definición

El concreto asfáltico es una mezcla íntima, elaborada

en caliente, de agregados pétreos, llenante mineral y un

cemento asfáltico, de manera que la superficie de todas

y cada una de las partículas minerales quede recubiertade manera homogénea por una película de ligante.

Mezclas Asfálticas

en caliente

Mezcla

Densa

gradación continua o

HMA convencional

large-stone mix

mezcla arena-asfalto

Mezcla Abierta

Open graded

open-graded

friction course

OGFC

base permeable

tratada con asfalto

Mezcla Granulometria

Incompleta gap-graded

gap-graded

stone mastic asphalt

Si las mezclas se clasificasen según el porcentaje de

vacíos atrapada en la mezcla luego de la compactación se

clasificarían de la siguiente manera:

�Mezclas Densas Vacíos de aire, Va < 6%

• Mezclas convencionales

• Mezclas Superpave

• Mezclas SMA

�Mezclas semi-cerradas 6% < Va < 12%

�Mezclas abiertas Va > 12%

�Mezclas porosas Va > 20%

Clasificación de Mezclas Asfálticas

Dense-graded

Open-graded Gap-graded

Clasificación de Mezclas Asfálticas

�Suficiente asfalto para asegurar un pavimento durable.

�Suficiente estabilidad bajo cargas de tránsito.

�Suficientes vacíos con aire:

• límite superior para prevenir desintegración de la

capa

• límite inferior para dar espacio a la densificación

producida por el tránsito.

�Suficiente trabajabilidad para prevenir segregaciones

durante la elaboración y la colocación de la mezcla.

�Suficiente flexibilidad para adaptarse a asentamientos

y movimientos graduales de las capas inferiores

Requerimientos de una mezcla de concreto asfáltico

Consideraciones del Diseño de Mezclas

La característica del diseño de mezclas

comprende:

� Densidad de la mezcla.

� Vacíos de aire.

� Vacíos en el agregado mineral.

� Contenido de asfalto.

DISEÑO DE MEZCLAS

- Densidad de la mezcla: Característica muy importante ,debido aque es esencial tener una alta densidad en el pavimentoterminado para obtener un rendimiento duradero.

- Vacíos de aire o simplemente vacíos: Son espacios pequeños deaire presentes entre los agregados revestidos en la mezcla finalcompactada. El porcentaje permitido de vacíos está entre 3 y5%.

- Vacíos en el agregado mineral: El VMA son los espacios de aireque existen entre las partículas de agregado en una mezclacompactada, incluyendo los espacios que están llenos de asfalto.

- Contenido de asfalto: La proporción de asfalto en la mezcla esimportante y debe ser determinada exactamente en ellaboratorio y luego controlada con precisión en la obra.

Diseño de mezclas

• Ensayos empleados para establecer las

proporciones de los diferentes componentes

de la mezcla y el posterior control de

producción y de construcción de la misma.

– Marshall

– Hveem

– SUPERPAVE

Método Marshall

� El ensayo se realiza de acuerdo con el procedimiento

descrito en el manual MS2 del Instituto del Asfalto y es

aplicable a mezclas con agregado de tamaño máximo no

mayor de 25mm.

� Emplea probetas de 4 pulgadas de diámetro y 2.5 pulgadas

de altura, compactadas a alta temperatura, con diferentes

proporciones de asfalto, las cuales son ensayadas a 60°C

mediante deformación lateral hasta alcanzar la falla

� La carga de falla de las probetas se denomina estabilidad y la

deformación máxima se llama flujo

Objetivo del Método Marshall

Determinar el contenido óptimo de asfalto para una mezcla

específica de agregados; así como también proporcionar información

sobre las características físicas y mecánicas de mezcla asfáltica en

caliente, de tal manera que sea posible establecer si cumple en lo

referente al establecimiento de densidades y contenidos óptimos de

vacío durante la construcción de la capa del pavimento.

Método Marshall

En el método Marshall se elaboran tres tipos de

pruebas para conocer tanto sus características

volumétricas como mecánicas.

A. Determinación de la gravedad específica.

B. Prueba de estabilidad y flujo.

C. Análisis de densidad y vacíos.

Propiedades Peso-Volumen

Propiedades Peso-Volumen

� Un contenido demasiado altode vacíos proporcionapasajes , a través de lamezcla, por los cuales puedeentrar el agua y el aire, ycausar deterioro.

� Por otro lado, un contenidodemasiado bajo de vacíospuede producir exudaciónde asfalto; una condición endonde el exceso de asfalto esexprimido fuera de la mezclahacía la superficie.

VACIOS DEL AIRE (simplemente vacíos)

Efecto de la Exudación de asfalto

� La densidad y el contenidode vacíos están directamenterelacionados, entre mas altala densidad, menor es elporcentaje de vacíos en lamezcla y viceversa.

� Las especificaciones de laobra requieren , usualmenteuna densidad que permitaacomodar el menor númeroposible (en la realidad) devacíos, preferiblementemenos del 8 por ciento.

VACIOS DEL AIRE (simplemente vacíos)

� Los vacios en el agregadomineral, están definidospor el espacio intergranularde vacios que seencuentran entre laspartículas de agregado dela mezcla de pavimentacióncompactada, incluyendo losvacios de aire y elcontenido efectivo deasfalto y se expresan comoun porcentaje del volumende la mezcla.

VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL (VMA)

VACIOS DE AIRE

ASFALTO

AGREGADO

� El VMA es calculado en base al peso especifico total del

agregado y se expresa como un porcentaje del volumen

total de la mezcla compactada.

� El VMA puede ser calculado al restar el volumen de

agregado (determinado mediante el peso especifico total del

agregado) del volumen total de la mezcla compactada.

VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL (VMA)

1. Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM C127) y de

los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128).

2. Gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y del

filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854).

3. Cálculo de la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la

mezcla.

4. Gravedad específica teórica máxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o

AASHTO T209).

5. Gravedad específica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o ASTM

D2726 o AASHTO T166).

6. Cálculo de la gravedad específica efectiva del agregado.

7. Cálculo de la gravedad específica máxima de la mezcla a otros contenidos de

asfalto.

8. Cálculo del asfalto absorbido por el agregado.

9. Cálculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla.

10.Cálculo del porcentaje de vacíos en el agregado mineral en la mezcla

compactada.

11.Cálculo del porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada.

12.Cálculo del porcentaje de vacíos llenados con asfalto en la mezcla compactada.

Análisis de Mezclas Compactadas

DOSIFICACION AGREGADOS

GRAVA CHANCADA 35 %

ARENA CHANCADA 35 %

ARENA ZARANDEADA 30 %

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

Análisis de Mezclas Compactadas

METODO MARSHALL DE DISEÑO DE MEZCLAS

PREPARACION PARA EFECTUAR LOS PROCEDIMIENTOS MARSHALL:

-Selección de las muestras de material: Consiste en reunir muestras

del asfalto y del agregado que van a ser usados en la mezcla depavimentación.

-Preparación del agregado: Secar el agregado, determinar su pesoespecífico, y efectuar un análisis granulométrico por lavado.

-Preparación de las muestras o probetas de ensayo: Haciendo que

cada una contenga una ligera cantidad diferente de asfalto.

PREPARACION DE LAS MUESTRAS

• El asfalto y el agregado se calientan y mezclan completamentehasta que todas las partículas de agregado estén revestidas, estosimula los procesos de calentamiento y mezclado que ocurren enla planta.

• Las mezclas asfálticas calientes se colocan en los moldesprecalentados Marshall como preparación para la compactación,en donde se usa el martillo Marshall.

• Las briquetas son compactadas mediante golpes del martilloMarshall. El número de golpes del martillo(35,50 ó 75) dependede la cantidad de tránsito para la cual la mezcla está siendodiseñada. Ambas caras de cada briqueta reciben el mismo númerode golpes. Después de completar la compactación las probetasson enfriadas y extraídas de los moldes.

Método Marshall

Compactación de la mezcla

Colocación de la mezcla dentro

del molde de compactación

Método Marshall

Método Marshall

�DETERMINACION DEL PESO ESPECIFICO TOTAL.

�MEDICION DE LA ESTABILIDAD Y FLUENCIA

MARSHALL.

�ANALISIS DE LA DENSIDAD Y EL CONTENIDO DE

VACIOS DE LA PROBETA.

Método Marshall

• El valor de estabilidad Marshall es una medida de la

carga bajo la cual una probeta cede o falla

totalmente.

• La fluencia Marshall, medida en centésimas de

pulgada, representa la deformación de la briqueta,

aquellas que tienen valores altos de fluencia son

consideradas demasiado plásticas, y tienen

tendencia a deformarse fácilmente bajo las cargas de

tránsito.

Método Marshall

ANALISIS DE LOS RESULTADOS DEL ENSAYO MARSHALL

• Graficando los resultados: Se trazan los resultados

en gráficas para entender las características

particulares de cada probeta usada en la serie.

• Mediante el estudio de las gráficas se puede

determinar cuál probeta de la serie cumple mejor

los criterios establecidos para el pavimento

terminado.

• Las proporciones de asfalto y agregado se convierten

en las proporciones usadas en la mezcla final.

GRAFICOS DE LOS RESULTADOS MARSHALL

• Porcentaje de vacíos

• Porcentaje de vacíos en el agregado mineral

• Porcentaje de vacíos llenos de asfalto

• Pesos unitarios

• Valores de estabilidad Marshall

• Valores de fluencia Marshall

ITEM UNID. PROMEDIO

1 Nº 1 2 3

2 % 5.0 5.0 5.0

3 % 42.24 42.24 42.24

4 % 52.76 52.76 52.76

5 %

6 gr./cc. 1.013 1.013 1.013

7 gr./cc. 2.620 2.620 2.620

8 gr./cc. 2.686 2.686 2.686 2.653

9 gr./cc. 2.553 2.553 2.553

10 gr./cc. 2.699 2.699 2.699 2.626

11 gr./cc.

12 gr. 1235.1 1222.1 1228.5

13 gr. 1237.0 1223.7 1230.1

14 gr. 688.2 680.0 685.3

15 c.c 548.8 543.7 544.8

16 gr./cc. 2.251 2.248 2.255 2.251

17 gr./cc. 2.457 2.457 2.457

18 Máxima Densidad Teórica de los Agregados = 100/((2/6)+(3/8)+(4/10)+(5/11)) gr./cc. 2.442 2.442 2.442

19 % 8.4 8.5 8.2 8.4

20 gr./cc. 2.638 2.638 2.638 2.638

21 gr./cc. 2.656 2.656 2.656

22 Peso Específico Aparente del Agregado total = (100-20)/((3/8)+(4/10)) gr./cc. 2.760 2.760 2.760

23 % 0.265 0.265 0.265

24 % del Volumen del Agregado x Volumen Bruto de la Briqueta = (3+4)*(16/20) % 81.05 80.95 81.21

25 % 10.55 10.54 10.57

26 % Asfalto Efectivo - Peso de la Mezcla = 2-((23/100)*(3+4)) % 4.75 4.75 4.75

27 % 18.95 19.05 18.79 18.9

28 Relación Betún - Vacíos (% de Vacíos llenados con C.A.) = (25/27)*100 % 55.7 55.30 56.24 55.7

29 222 225 215

30 Kg. 748 757 725

31 0.89 0.93 0.93

32 Kg. 666 704 674 681

33 2.5 2.8 2.5 2.6

34 2663 2560 2697 2640

Flujo (mm)

Indice de rigidez (kg/cm.) = 32/(33/10)

Lectura del Dial Anillo Marshall

Estabilidad sin corregir (Según Carta de Calibración)

Factor de Estabilidad (Factor de Correción según alturas)

Estabilidad corregida (Kg) = (30*31)

LABORATORIO MECANICA DE SUELOS, CONCRETOS Y PAVIMENTOS

PASO

Peso Específico Máximo (RICE) ASTM D-2041

% de Vacíos = 100*(17-16)/17

Peso Específico Bulk del Agregado total = (100-2)/((3/Pr.8)+(4/Pr.10)+(5+Pr.11))

VMA = 100-24

Peso Específico Efectivo del Agregado total = (3+4)/((100/17)-(2/6))Peso Específico Efectivo del Agregado total = (3+4)/((100/17)-(2/6))

Asfalto absorvido por el Peso del Agregado = 100*6*(21-20)/(21*20)

% del Volumen Asfalto Efectivo / Volumen de Probeta = 100-(24+19)

% de cemento asfaltico en peso de la mezcla

% de Grava Triturada en Peso de la Mezcla

% de Arenas Combinadas en Peso de la Mezcla

Número de Probeta

ENSAYO MARSHALL

Volumen de la Briqueta = 13-14

ENSAYO

% de Agregado Filler en Peso de la Mezcla

(NORMAS: AASHTO T-245, ASTM D-1559)

Peso Específico Bulk de la Briqueta = 12/15

Peso Específico Aparente del Cemento Asfáltico

Peso Específico Bulk de la Grava Triturada

Peso Específico Bulk de la Arena Combinada

Peso Específico Aparente del Filler

Peso de la Briqueta al Aire

Peso de la Briqueta Superficialmente Seca

Peso de la Briqueta Sumergida

Peso Específico Aparente de la Grava Triturada ( AASHTO T85)

Peso Específico Aparente de la Arena Combinada ( AASHTO T84)

Determinación del optimo contenido de asfalto

• El contenido de diseño de asfalto se determina a

partir de los resultados(gráficas).

• Primero se determina el contenido de asfalto para el

cual el contenido de vacíos es de 4%.

• Luego se evalúan todas las propiedades calculadas y

medidas para este contenido de asfalto y se comparan

con los criterios de diseño; si se cumplen todos los

criterios de diseño, este es el contenido de diseño de

asfalto, sino será necesario hacer algunos ajustes o

volver a diseñar la mezcla.

EJEMPLO DE GRAFICAS PARA LOS RESULTADOS DE UNA SERIE DE CINCO PROBETAS MARSHALL

Grafico N°01 % Vacíos Vs C.A %

Grafico N°04 PESO UNITARIO Vs C.A %

Grafico N°02 % VMA Vs C.A %

Grafico N°03 % VFA Vs C.A %

Grafico N°06 FLUJO Vs C.A %

Grafico N°05 ESTABILIDAD Vs C.A %

DESCRIPCION ENSAYO ESPECIFICACION

OPTIMO CONTENIDO C.A (%) 6.9 + 3

PESO UNITARIO ( gr/ cm3 ) 2.295

VACIOS ( % ) 4.0 3 - 5

V.M.A ( % ) 18.6 > 14

V.F.A ( % ) 79

FLUJO ( 0.01” / mm )

14. 0

3.589

8 – 16

2 - 4

ESTABILIDAD ( kg) 1250 > 815

Resultados de diseño

CRITERIOS DEL INSTITUTO DEL ASFALTO (U.S.A.) PARA EL DISEÑO MARSHALL

NOTAS

1 Todos los criterios y no solo estabilidad, deben ser considerados al diseñar una mezcla asfáltica de pavimentación. Las mezclasasfálticas en caliente de base que no cumplan esos criterios, cuando se ensayen a 60°C, se consideraran satisfactorias si cumplen loscriterios cuando se ensayan a 38°C, y si se colocan a 100mm o mas por debajo de la superficie. Estas recomendaciones se aplicansolamente a las regiones de EEUU. En las regiones que tengan condiciones climáticas mas extremas puede ser necesario usartemperaturas más bajas de ensayo.

2 Clasificación del Transito.Liviano Condiciones de transito que resultan en un EAL de diseño < 104Mediano Condiciones de transito que resultan en un EAL de diseño entre 104 y 106Pesado Condiciones de transito que resultan en un EAL de diseño > 106

3 Los esfuerzos de compactación en el laboratorio deberán aproximarse a la densidad máxima obtenida en el pavimento bajo el transito.

4 Los valores de fluencia se refieren al punto en donde la carga comienza a disminuir

5 Cuando se este calculando el porcentaje de vacios, deberá permitirse cierta tolerancia en la porción de cemento asfaltico perdida por absorción en las partículas del agregado.

6 El porcentaje de vacios en el agregado mineral debe ser calculado con base en el peso específico total ASTM del agregado.

Criterios para mezcla del método Marshall

Transito LivianoCarpeta y Base Transito Mediano Transito Pesado

Min. Max. Min. Max. Min. Max.

Compactación, número de golpes en cada cara de la probeta 35 50 75

Estabilidad N en (lb) 3336 5338 8006

Flujo, 0.25 mm (0.01 pulgadas) 8 18 8 16 8 14

Porcentaje de vacios 3 5 3 5 3 5

Porcentaje de vacios en el agregado mineral (VMA) (ver figura)

Porcentaje de vacios llenos de asfalto (VFA) 70 80 65 78 65 75

PORCENTAJE MINIMO DE VMA

1 Especificación Normal para Tamaños de Tamices usados en Pruebas, ASTM E 11 (AASTO M 92)

2 El tamaño máximo nominal de partícula es un tamaño más grande que el primer tamiz que retiene

mas de 10 % de material.

3 Interpole el VMA mínimo para los valores de vacios de diseño que se encuentren entre los que están

citados.

TAMAÑO MÁXIMO En mm.

Porcentaje

VMA MINIMO, POR CIENTO Vacíos de Diseño, por ciento 3

mm In. 3.0 4.0 5.0 1.18 N° 16 21.5 22.5 23.5

2.36 N° 8 19.0 20.0 21.0

4.75 N° 4 16.0 17.0 18.0

9.50 3/8 14.0 15.0 16.0

12.50 1/2 13.0 14.0 15.0

19.00 3/4 12.0 13.0 14.0

25.00 1.0 11.0 12.0 13.0

37.50 1.5 10.0 11.0 12.0

50 2.0 9.5 10.5 11.5

63 2.5 9.0 10.0 11.0

% LIGANTE

RE

SIS

TE

NC

IA P

OR

CO

HE

SIO

N

(CO

HE

SIM

ET

RO

)

RE

SIS

TE

NC

IA P

OR

FR

ICC

ION

(ES

TA

BIL

OM

ET

RO

)

60

50

40

30

20

10

0

RESISTENCIA POR FRICCIÓN

RESISTENCIA POR COHESIÓN

VALOR MINIMO EXIGIDOPARA RESISTENCIA POR FRICCION

3 4 5 6 7 8 9

150

100

50

VALOR MINIMO EXIGIDOPARA RESISTENCIA POR COHESION

% ASFALTO

ES

TA

BIL

IDA

D (

RE

SIS

TE

NC

IA P

OR

FR

ICC

ION

) 60

50

40

30

20

10

0

ARENISCA TRITURADA

3 4 5 6 7 8 9 10

GRANITOTRITURADO

GRAVADE RIOSIN TRITURAR

% ASFALTO

ES

TA

BIL

IDA

D (

RE

SIS

TE

NC

IA P

OR

FR

ICC

ION

)

60

50

40

30

20

10

0

C.A 40-50

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

C.A 85 - 100

% VACÍOS

PE

NE

TR

AC

ION

a

25

°C

, d

mm

100

80

60

40

20

0

0 5 10 15

Penetración inicial – 100 dmmPenetración después de al mezcla – 70 dmm

PENETRACION a 25 °C, dmm

ES

TA

BIL

IDA

D D

E M

AR

SH

AL

L ,

KN

8

7

6

5

4

030 40 50 60

PUNTO DE ABLANDAMIENTO °C

DE

FO

RM

AC

ION

mm

10754

3

2

1

0.7

0.5

0.4

0.3

0.2

0.145 50 55 60 65 70

ES

TA

BIL

IDA

D D

E M

AR

SH

AL

L

(L

bs)

2 golpes5 golpes

10 golpes

20 golpes

40 golpes

60 golpes

ASFALTO DE BAJA

VISCOCIDAD

ASFALTO DE BAJA

VISCOCIDAD

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

MEZCLA CON C.A. DE PENETRACION 60/70

% densidad de laboratorio (60 golpes)

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

Efecto de la densidad y de la viscosidad sobre mezclas asfálticas en caliente compactados siguiendo el Método Marshall

Fuente: U.S. Department of Trnasportation: Hot MixBituminous Paving Manual 1985

4

ES

TA

BIL

IDA

D D

E M

AR

SH

AL

L

(L

bs)

100 golpes75 golpes50 golpes

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0% C.A.

4500

4000

3500

2500

2000

1500

1000

500

0

Efecto de la energía de compactación (densidad) en la estabilidad

Fuente: Corredor, G & Sanchez L, F: información básica en el desarrollo del sistema Ramcodes 2002

350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100

Temperatura de compactación ( °F )

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Va

cio

sto

tale

s e

n m

ezc

la

co

mp

ac

tad

a (

% d

el va

lor

a 2

75

°F

)

Efecto de la temperatura en la densidad (contenido de aire) de una mezcla asfaltica

Fuente: U.S. Department of Trnasportation: Hot MixBituminous Paving Manual 1985

0 2 4 6 8 10 12

7

6

5

4

3

2

1

Ageing afer8 years service

Ageing during storageTransportation and application

Ag

ein

gd

uri

ng

mis

sin

g

Age, years

Ag

ein

g,

ind

ex

ŋa

/ŋ

o

Variación el índice de envejecimiento en las diferentes etapas de la vida de servicio de una mezcla asfáltica

Fuente: Shell Asphalt Hanbokl 1990