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