LABORATORIO DE PAVIMENTOSTeoría del Comportamiento de mezclas
asfálticas
Ing. Mauricio Salgado Torres M.Sc.
Composición de las mezclas asfálticas
Todas las mezclas asfálticas están compuetas por al menos tres elementos: el agregado, el ligante asfáltico y el aire, y sus propiedades ingenieriles dependen fuertemente de la proporción volumétrica de estos tres componentes, además de las características propias del ligante y del agregado.
Las proporciones se expresan en términos de porcentaje del peso, siendo muy importante las conversiones para determinar los respectivos volúmenes de cada uno de ellos.
1
Volumen Peso
γm
Mb=MB/100 *γm
Ma=MA/100 *γm
Vv
Vb=Mb/(Gb*γw)
Va=Ma/(Ga*γw)
VMAAire
Ligante asfáltico
Agregado
MB = porcentaje de ligante asfáltico con respecto al peso del total de la mezcla.
MA = porcentaje de agregado con respecto al peso del total de la mezcla.
Mb = peso del ligante asfáltico, kg..
Ma = peso del agregado, kg.
Gb = gravedad especifica del ligante asfáltico.
Ga = gravedad especifica del agregado.
γm = densidad de la mezcla compacta, kg/m3.
γw = densidad del agua, 1000 kg/m3.
Vb = volumen del ligante asfáltico, m3.
Va = volumen del agregado, m3.
Vv = volumen de vacios con aire, m3.
VB = porcentaje del volumen de ligante asfáltico.
VA = porcentaje del volumen de agregado.
VV = porcentaje del volumen de vacios con aire.
VMA = Volune de vacios de la mezcla.
Relación entre el contenido de ligante asfáltico y la densidad de la mezcla
2 4 86 10 12 14 162000
2200
2400
2600Densidad de la
mezcla, γm(kg/m3)
Contenido de ligante asfáltico, MB (%)
Máx. γm
Opt
imo
MB
Vv = 0
Vv = 5%
Vv = 10%
Curva de compactación con esfuerzo de
compactación constante
Relaciones básicas
El volumen de vacios es igual a:
Vv = 1- Vb – Va
La densidad de la mezcla se expresa como:
γm = (Ma+Mb)/(Vv + Vb + Va)
La densidad máxima de la mezcla que se presenta cuando Vv=0 es:
γmax= (MA+MB)*γw/ [(MA/Ga)+(MB/Gb)]
Otra forma de expresar la densidad de la mezcla es la expresión:
γm = (100γw) / [(MA/Ga)+(MB/Gb)+(100Vvγw)/(Ma+Mb)]
Relaciones importantesEl porcentaje del volumen de vacios se puede deducir con la expresión:
Vv%= (γmax-γm)*100 / γmax
El porcentaje del volumen del ligante bituminoso esta dado por la ecuación:
VB = (100-Vv%)*[(MB/Gb) / (MB/Gb+MA/Ga)]
Y se sabe que el volumen de de los vacios de la mezcla asfáltica son entonces:
VMA= VB+Vv%
Finalmente, el porcentaje de vacios de la matriz de agregado llenos de ligante asfáltico.
VFB =VB *100 / VMA
Gravedad especifica del agregado
Ga = 100/[x/Gx+y/Gy+z/Gz]
Ga = gravedad especifica de los agregados.
Gx,Gy,Gz = gravedades especificas de gravas, arenas y llennates.
Determinación del peso específico Bulk de las probetas compactas
Si la textura de la probeta es densa y compacta se calcula con la expresión:
Gbulk = Wa/(Wss-Ww)Donde: Gbulk : peso especifico bulk de la muestra compacta. Wa : peso de la probeta seca en el aire.Wss :peso de la probeta en el agua.Ww :peso en el aire de la probeta saturada y superficialmente seca.
Si la textura superficial de la probeta es abierta y permeable se calcula con la expresión:
Gb = Wa/[Wpa-Wwp-(Wap-Wa) /Gp]
Donde:Wpa : peso de la probeta parafinada en el aire.Wss :peso de la probeta en el agua de la probeta parafinada..Gp: peso especifico de la parafina
Peso especifico máximo teórico
Gh = 100/[(MA/Ga)+(MB/Gb)]Gh : peso especifico máximo teórico.
MA: porcentaje de agregado.
Ga: Gravedad especifica del agregado.
MB: porcentaje del asfalto.
Gb: Graveda especifica del asfalto.
Gh > Gbulk
Gmm : peso especifico máximo medido – método Rice.
Análisis de densidades y vaciosCálculo del peso especifico
Bulk Gbulk
Cálculo del peso especifico
máx. teórico Gh
Obtener el peso especifico
máx medido Gmm
Cálculo del % de agregados
del volumen total
Cálculo del % de asfalto
absorbido Aa
Cálculo del % de vacios con
aire del volumen total
Cálculo del % de asfalto efectivo del volumen total
Cálculo del % de asfalto efectivo
Cálculo del % VAM
Ecuaciones para el análisis de densidades y vacios (1)
Para el cálculo del porcentaje de absorción de asfalto con respecto al peso del agreagado seco (Aa) se utiliza la ecuación:
Aa = (Gmm-Gh)/(Gmm*Gh*MA)
El porcentaje del volumen que ocupa el agreagado en la probeta (Va) se calcula mediante la expresión:
Va = (MA*Gbulk)/Ga
El porcentaje del volumen ocupado por vacios con aire en la mezcla (Vv) se calcula con la expresión:
Vv = (1-Gbulk)*100/Gmm
Ecuaciones para el análisis de densidades y vacios (2)
El porcentaje del volumen ocupado por el asfalto efectivo (Vae) se cálculo mediante la ecuación:
Vae= 100 -Vv - Va
Para determinar el volumen de los vacios del agregado mineral (VAM) se utiliza la ecuación:
VAM = 100-Va
Finalmente el porcentaje de asfalto efectivo con respecto al peso de la mezcla (Ae) se calcula con la expresión:
Ae = MB-(Aa*MA)/100
Diseño de mezclas asfálticasEl principal objetivo del procedimiento de diseño de una mezcla asfáltica es determinar la proporción óptima de los componentes de la mezcla que garanticen el mejor desempeño de estas durante la el periodo de servicio.
La mejor selección de estas proporciones debe garantizar los siguientes requerimientos:
– Suficiente ligante para garantizar una resistencia al agrietamiento por fatiga y tener mayor durabilidad.
– Suficiente estabilidad y rigidez de la mezcla que resista las deformaciones debidas al tránsito.
– Suficientes vacios colaboran a la compactación de la mezcla debido al tránsito sin que se presenten exudaciones o pérdidas de estabilidad. Así mismo un porcentaje de vacios bajo ayuda a prevenir el ingreso de agua y aire a la mezcla.
– Suficiente trabajabilidad que garantice la eficiente colocación de la mezcla sin segregación.
– Suficiente resistencia al deslizamiento si las mezclas van a ser usadas como capa de rodadura.
Requerimientos de las mezclasResumen de condiciones deseables para garantizar las principales
propiedades de las mezclas
XXXEstabilidad
XXXResistencia a las fracturas
XXXImpermeabilidad
XXXResistencia al deslizamiento
XXXResistencia al agrietamiento por fatiga
XXXFlexibilidad (resistencia al agrietamiento no debido a las cargas)
XXXXXDurabilidad
AltosBajosAbiertaDensaAltoBajo
Porcentaje de vacios con aire
Gradación del agregado
Contenido de asfalto
Propiedad de la mezcla
Relación esquematica entre la estabilidad y la durabilidad con respecto al contenido mezcla asfáltica
Curva de Durabilidad
Esta
bilid
ad
Dur
abili
dad
Curva de Estabilidad
Contenido de ligante asfáltico, %
Relación entre algunos tipos de deterioros y el contenido de asfalto
Ru
t D
epth
, mm
Fat
igu
e C
rack
ing,
%
Low
Tem
p C
rack
S
pac
ing
%
% Asfalto % Asfalto% Asfalto
Diseño de mezclas asfálticas por el método Marshall
El método fue desarrollado por Bruce Marshall inicialmente para el Mississippi State Highway Department y luego fue mejorado por el US Army Corps of Engineers. Este procedimiento fue estándarizado por la American Society Testing and Materials (ASTM) en la norma D1559.
El procedimiento Marshall fundamentalmente lo conforman los siguientes pasos:
– Ensayos sobre la muestra de agregado.– Mezcla de agregados.– Ensayos sobre la muestra de asfalto.– Preparación de los especimenes de las mezclas.– Ensayos de estabilidad y flujo.– Análsis de la mezcla.– Selección del porcentaje de asflato óptimo.
Método MarshallEl Método de Diseño Marshall permite obtener un contenido óptimo de asfalto para mezclas asfálticas en caliente.
Los parámetros que se estudian durante el diseño son:
– Estabilidad y Flujo Marshall.– Vacíos de la Mezcla (VMA).– Vacíos en el Agregado Mineral (VAM).– Vacíos Llenos de Asfalto (VFB).
Tendencias de las curvas de propiedades de la mezcla vs el contenido de asfalto
% de asfalto % de asfalto% de asfalto
% de asfalto % de asfalto
Esta
bilid
ad, N
Fluj
o, 0
.01
in
% V
AM
% V
acio
s con
aire
Peso
uni
tario
, kg/
m3
Grafico de porcentaje de vacios del agregado mineral VAM vs tamaño máximo del agregado
Mín
imo
VM
A, %
24
11.52”
121 ½”
131”
14¾”
15½”
163/8”
18No. 4
21No. 8
23.5No. 16
% mínimo de VAM
Tamaño máximo nominal del
agregado
5% vacios con aire
10 4% vacios con aire3% vacios con aire
2”No. 16 3/8”
Tamaño máximo nominal, in
Selección del contenido de asfalto óptimo
• Con base en las curvas de las propiedades de la mezcla, el contenido de asfalto óptimo se determina promediando los siguientes valores:– El porcentaje de asfalto que corresponda a la densidad máxima.– El porcentaje de asfalto que corresponda a la estabilidad máxima.– El que corresponda al valor medio del porcentaje de vacios con
aire permitido por las especificaciones.
• Con el porcentaje obtenido se verifica si los valores de flujo, estabilidad y vacios se encuentran dentro de los limites especificados.
Especificaciones de diseño Marshall Asphalt Institute
756578658070Porcentaje de vacios llenos de asfalto (VFB)
Según figuraPorcentaje de vacios del agregado mineral (VAM)
535353Porcentaje de vacios con aire
148168188Flujo, 0.25 mm (0.01 in)18001200750Estabilidad, Lb800653383335Estabilidad, N
755035Número de golpes a cada lado del especimen
Máx.Mín.Máx.Mín.Máx.Mín.
Tránsito pesadoTránsito medioTránsito livianoCriterio
Criterio de diseño Marshall del Instituto del Asfalto
Según el Instituto del Asfalto (USA) el criterio para la determinación del contenido de asfalto óptimo se basa principalmente en los Vacíos de la Mezcla.
El óptimo contenido asfáltico debe ser tal que los vacíos en la mezcla compactada sean de 3 a 5 %, y que se cumplan condiciones específicas según el tipo de tránsito. respecto de:
– Estabilidad y Fluencia: para asegurar que la mezcla no sufrirá deformación.
– Vacíos en el Agregado Mineral: para asegurar suficiente espacio en el agregado para alojar el asfalto.
– Vacíos Llenos de Asfalto: para asegurar la durabilidad de la mezcla.
Enfoque volumétrico del diseño de mezclas asfálticas
Una vez que la mezcla asfáltica ha sido colocada y compactada, comienza un proceso de densificación producido por las cargas de tráfico.
El criterio de diseño, que especifica un contenido de Vacíos en la Mezcla, considera los vacíos que debe alcanzar la mezcla tras algunos años de servicio (2 a 3 años).
– Vacíos en la Mezcla inferiores al 3% tienden a producir inestabilidad y exudación.
– Vacíos en la Mezcla mayores al 5% producen mezclas permeables al aire y agua, por lo que son propensas a sufrir envejecimiento prematuro y posterior desintegración.
Incidencia de la densificación de mezclas asfálticas
La densificación de la mezcla depende de:– El tipo de cemento asfáltico usado.– El nivel de tráfico.– Las condiciones climáticas.– La granulometría y propiedades del agregado.
La tasa de densificación decrece con el tiempo, ya que a medida que la mezcla se compacta se va haciendo más difícil aumentar la densidad.
De acuerdo a numerosas experiencias de terreno, el contenido inicial de Vacíos en la Mezcla (mezcla recién compactada) debe estar alrededor del 8%. Existe consenso en que niveles mayores al 8% dan lugar amezclas muy permeables al aire y agua, resultando en oxidación prematura, desprendimiento y desintegración.
Referencias
• Sánchez Sabogal, F. Curso de Laboratorio de Pavimentos.
• Instituto del Asfalto. Manual del asfalto
• Thenoux, G. Notas del curso de Tecnología del Asfalto. Pontificia Universidad Católica de Chile.
• Instituto Chileno del Asfalto. Boletín Técnico No.2. Control de densidad de mezclas diseñadas por el método Marshall