laboratorio de marshall
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1. INTRODUCCION
El asfalto es un material de petróleo líquido de color negro pardusco que se endurece
al enfriarse.
En este informe se demuestra de forma detallada el ensayo Marshall, los equipos y
materiales utilizados, el procedimiento y los cálculos respectivos.
El ensayo de laboratorio “Marshall” desarrolla un mejor criterio para determinar el
contenido óptimo de asfalto en la etapa de diseño
Este ensayo de laboratorio se realizo de acuerdo a las normas de ensayos de
materiales especificadas por el INVIAS, dado que toda obra de ingeniería debe cumplir
con los estándares de dicha entidad.
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar una mezcla asfáltica densa en caliente y obtener una formula de
trabajo correspondiente, mediante el método Marshall de manera tal que se
consiga cumplir con los requisitos mínimos de calidad de un pavimento.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar el porcentaje óptimo de asfalto para realizar una mezcla con
materiales finos y granulares para la realización de briquetas.
Calcular los diferentes porcentajes de vacíos y las gravedades específicas de
las briquetas realizadas.
Reconocer correctamente el procedimiento a seguir para que no hayan errores
posibles durante el ensayo.
3. MARCO DE REFERENCIA
Agregados pétreos y llenante mineral
Los agregados pétreos empleados para la ejecución de cualquier tratamiento o mezcla
bituminosa deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicársele una capa del material
asfaltico por utilizar en el trabajo, esta no se desprenda por la acción del agua y del
transito. Solo se admitirá el empleo de agregados con características hidrófilas, si se
añade algún aditivo de comprobada eficacia para
proporcionar una buena adhesividad.
Se denomina agregado grueso la porción del agregado retenida en el tamiz de 4.75
mm (No.4); agregado fino la porción comprendida entre los tamices de 4.75 mm y 75
μm (No.4 y No.200) y llenante mineral la que pase el tamiz de 75 μm (No.200). El
agregado grueso debe proceder de la trituración de roca o de grava o por una
combinación de ambas; sus fragmentos deben ser limpios, resistentes y durables, sin
exceso de partículas planas, alargadas, blandas o desintegrables.
Esta exento de polvo, tierra, terrones de arcilla u otras sustancias objetables que
puedan impedir la adhesión completa del asfalto.
El agregado fino esta constituido por arena de trituración o una mezcla de ella con
arena natural. La proporción admisible de esta última dentro del conjunto se encuentra
definida en la respectiva especificación. Los granos del agregado fino deben ser duros,
limpios y de superficie rugosa y angular. El material debe estar libre de cualquier
sustancia que impida la adhesión del asfalto. *
Cemento asfáltico
El cemento asfaltico a emplear en las mezclas asfálticas elaboradas en caliente será
seleccionado en función de las características climáticas de la región y las condiciones
de operación de la vía *
El agregado mineral que se utiliza para la realización de las briquetas es poroso, y
puede absorber agua y asfalto a un grado variable. Además, el cociente de absorción
entre el agua y el asfalto varía con cada agregado. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
La estabilidad de la mezcla como una medida de su capacidad para resistir las
deformaciones plásticas provocadas por cargas impuestas por el paso de los
vehículos, es un parámetro importante que se evalúa especialmente cuando la
magnitud de la estabilidad de una mezcla asfáltica es controlada con el fin de evitar
ahuellamientos, corrimientos y ondulaciones de las capas de rodadura. De manera
similar se evalúa por el Método Marshall el flujo como indicativo de la capacidad de la
mezcla para soportar deformación y así adaptarse a sentamientos graduales y
movimientos en la base y en la subrasante, sin quebrarse. El concepto Estabilidad
Marshall intenta relacionar dicha estabilidad con la fluencia, cuya relación define
prácticamente , un modulo de rigidez, además permite determinar el contenido de
asfalto optimo para cada tipo de mezcla, precisar los niveles de estabilidad, flujo,
propiedades volumétricas, sensibilidad a la humedad, entre otros criterios para un
agregado definido, establecer la densidad y gravedad. *
* Tomado del cap. 400 de las especificaciones del INVIAS
4. EQUIPOS Y MATERIALES
Material granular.
Material fino
Serie estándar de tamices, 1 ½ „‟, 1‟, ¾‟, ½‟, 3/8‟,
Platones metálicos.
Balanza con aproximación de 0.1 gramos.
Asfalto
Estufa
Probetas
Espátula
guante
5. PROCEDIMIENTO
GRANULOMETRIA DE LOS AGREGADOS.
Se realizó el tamizaje de los agregados pétreos a través de la serie ¾ ,1/2, 3/8 ,
No. 4, No. 10, No 40, No. 80, No. 200; se consignaron las fracciones
suficientes de cada intervalo que cumplan con la franja media de las
especificaciones para MDC-1 del INVIAS.
Se almacenaron los agregados ya tamizados para la realización de 3 briquetas
por grupo (por % de asfalto) para un total de 1200 gramos de muestra.
FABRICACIÓN DE LAS BRIQTAS MARSHALL.
Se prepararon 3 briquetas para cada contenido de asfalto.
Se mezclaron las diferentes fracciones previamente dosificadas para completar
una cantidad total de 100 - %ACASIGNADO en peso de los 1200 gramos
presupuestados para cada una de las briquetas.
Se calentó el cemento asfaltico hasta una temperatura entre 145 ºC y 150 ºC,
en la estufa eléctrica procurando hacerlo de forma gradual para evitar
sobrecalentamientos locales y controlando con un termómetro para evitar el
proceso de envejecimiento y oxidación. Igualmente en la estufa eléctrica se
calentaron los agregados hasta una temperatura entre 150 ºC y 160 ºC,
teniendo cuidado de no permitir perdidas y se revolvió uniformemente para
garantizar el calentamiento homogéneo de las partículas, cuando la tonalidad
de los agregados se tornó un poco mas oscura era un indicativo del punto
optimo de temperatura para la mezcla; de cualquier forma la temperatura se
monitoreócontinuamente con el termómetro de reloj.
Mientras se hizo el calentamiento de los agregados y el asfalto se calentó el
molde y el pisón del martillo de compactación a una temperatura similar, para
cuando la mezcla de ellos estuviera lista para su compactación.
Cuando los agregados y el asfalto estuvieron a la temperatura recomendada
para la fabricación de la mezcla, se hizo el vertimiento del asfalto a los
agregados hasta completar la cantidad indicada, y de manera seguida se
realizó el mezclado enérgico de los agregados y el asfalto con ayuda de una
varilla y contando con los implementos de seguridad adecuados para el caso,
como son los guantes.
La mezcla se llevó a cabo hasta que se obtuvo un color homogéneo.
Momentos previos a la adición de la mezcla en el molde, este se lubricó con
aceito tipo pesado para facilitar las acciones posteriores de retiro de la
briqueta.
Se armó el molde colocándolo sobre su base, con el filtro y su collarín.
Se adicionó la mezcla al molde de compactación procurando que no hubiera
pérdidas de material.
Se compactó la mezcla con 75 golpes por cada lado.
Al finalizar la compactación, se retiró el collarín, el filtro y se dejó enfriar a
temperatura ambiente.
Fig 5. Material tamizado y asfalto calentados Fig. 6. Moldes con aceite
Fig.7. mezcla agregados y asfalto calientes fig. 8. Mezcla vertida
en el molde de comp.
Fig.9.mezcla compactada por ambos lados fig.10. preparación de la briqueta fig.11. Briquetas fabricadas
ENSAYO DE DENSIDAD.
El ensayo de densidad consiste en determinar el peso especifico bulk de cada una
delas briquetas compactadas, para luego promediar y obtener un punto por cada uno
de los porcentajes de contenido de cemento.
Se registró 3 lecturas tanto del diámetro, como de altura de cada una de las
tres briquetas con un calibrador.
Se registró el peso de la briqueta en el aire, mediante la balanza mecánica.
Se procedió a derretir suficiente parafina como para que la mayor parte de la
superficie de la briqueta quede recubierta al sumergirla.
Una vez la parafina estuviera derretida, se sumergieron las briquetas
parcialmente hasta recubrirlas con la parafina y darles una condición
impermeable.
Se registrar el peso de la briqueta parafinada.
Se realizó el montaje del lastre para registrar el peso de la briqueta parafinada
sumergida en el agua, es decir, su peso aparente en el agua.
Una vez registrados los pesos necesarios, para calcular el Gbulk, se procedió a
secar las briquetas y a hacer el raspado de la parafina con ayuda de una
espátula teniendo cuidado de no alterar las condiciones de las briquetas.
Fig.12.toma de datos de briquetas fig.14. briqueta sumergida en parafina
Fig.15. briqueta parafinada fig.16. peso briqueta parafinada fig.17. peso briqueta parafinada en el agua
ENSAYO DE JAMES RICE
El ensayo Rice tiene su fundamento en el calculo del Peso especifico máximo medido
(Gmm) de cada una de las briquetas, que mas adelante servirá para hacer la curva
correspondiente frente al porcentaje de contenido de asfalto de cada uno de los
grupos.
Se registró el peso de la probeta (1000 cc) vacía.
Se tomó nota del peso de la probeta llena de agua hasta la marca de aforo
(1000 cc) a la temperatura media de servicio ( T - 25ºC), luego se vació y se
secó.
Se tomaron 700 gr de mezcla asfáltica.
Una vez se tuvo la mezcla asfáltica con las especificaciones propias del
ensayo, se dejó enfriar tan solo lo suficiente como para ser manipulada sin
guantes, procediendo inmediatamente a la disgregación de las partículas
mayores.
Se adicionó la muestra a la probeta previamente calibrada, mediante un
embudo (puede ser improvisado con papel filtro).
Se registró el peso de la probeta mas muestra, “sin asentar”.
Se adicionó una cierta cantidad de agua a la probeta de forma tal que la
mezcla quede completamente sumergida, pero sin llenarla.
Se eliminaron de vacios al interior de la mezcla realizando movimientos
oscilatorios con la muñeca en sentido de vaivén, hasta que se observe la
inexistencia de burbujas.
Finalmente se registró este peso y desechó la muestra inmediatamente para
evitar su adherencia a las paredes de la probeta, lavándola con gasolina.
Fig.18. 700 gr de material fig.19. peso de la probeta + agua
ENSAYO DE ESTABILIDAD Y FLUJO.
Con las 3 briquetas realizadas para el ensayo, y una vez desparafinadas, realizar el
siguiente procedimiento de falla en la Prensa Marshall para determinar su Estabilidad.
(Resistencia a la carga), y Flujo (deformación).
Se introdujo previamente las briquetas al Baño María a la temperatura media
máxima de servicio en verano (60 ºC), lo cual lleva un tiempo de 30 a 40
minutos aproximadamente.
Se limpiaron las mordazas de la prensa y lubricantes con aceite.
Una vez se alcanzó la temperatura especificada, se sacó una por una las
briquetas del Baño María (a medida que se fallaron); colocándolas en la
mordaza inferior de tal forma que se acomodaran lo mejor posible y enseguida
se ajustó la mordaza superior.
Teniendo el montaje de las mordazas con la muestra en la Prensa Marshall, se
ubicaron los diales de carga y deformación en su lugar y en ceros; para
proceder así a la aplicación de la precarga y luego carga a una velocidad de 2
pulg/min hasta que se presente la falla de la briqueta, registrando en este
momento la lectura de máxima carga (Estabilidad, Lb.) y su correspondiente
deformación (Flujo, 1/100”)
Fig.23. prensa Marshall
FORMULAS UTILIZADAS
Donde:
W1=peso briqueta en aire
W2=peso briqueta parafinada en el aire
W3=peso de la briqueta para-finada en el agua
Gp= peso especifica de la parafina (0.96)
Donde:
A=peso de la muestra seca suelta
B=peso del frasco más agua
C=peso del frasco más agua mas muestra
ANÁLISIS DE DENSIDAD Y VACIOS
VOLÚMENES PARCIALES
COMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA
CÁLCULOS
GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK
A= Peso briqueta en el aire
B= Peso briqueta parafinada en el aire
C= Peso briqueta parafinada en el agua
F= Gravedad específica de la parafina
GRAVEDAD ESPECÍFICA MÁXIMA TEORICA (Gmm)
A= Masa en el aire
D= Masa recipiente con agua
E= Masa Recipiente lleno con agua + muestra
DATOS OBTENIDOS
Gbulk Gmm Estabilidad Flujo
ITEM % Asfalto % Agregado Espesor (cm) P
briqueta aire (g)
p (b+p) aire (g)
P (b+p) sumergida
(g)
Peso seco de
la muestra
(g)
Peso Recipiente
+agua a 25ºC (g)
Peso Recipiente + muestra + agua a 25ºC (g)
Medida Kg
Corregida Promedio 0.01" Gmb Gmb
Promedio Gmm Gmt
1 5 95
6.855 6.690 6.790 67.8 1113 1114 587.81
1934 5640 6780
959 865.977
907.654
1.84
2.65
2.120
2.141 2.436 2.375 6.770 6.775 7.025 68.6 1137 1150 603.75 1032 912.288 4.20 2.137
6.720 6.880 6.790 68.0 1143 1154 614.8 1052 944.696 1.89 2.168
2 5.5 94.5
7.180 7.150 7.170 71.7 1143 1151 596.26
1912 5640 6757
981 812.268
740.616
4.05
4.58
2.093
2.051 2.405 2.359 7.250 7.190 7.260 72.3 1151 1162 591.74 887 727.34 3.80 2.062
7.130 7.190 7.110 71.4 1162 1159 580.61 820 682.24 5.88 1.998
3 6 94
6.600 6.800 6.700 67.0 1157 1170 616.7
1975 5847 7019
1998 1844.154
1256.993
4.13
4.20
2.146
2.101 2.460 2.343 6.900 6.980 6.700 68.6 1147 1160 594.05 1289 1139.476 3.45 2.079
6.800 6.800 6.700 67.7 1156 1164 599.02 870 787.35 5.03 2.078
4 6.5 93.5
6.650 6.590 6.730 66.6 1155 1161 610.46
2049 5640 6818
1013 944.116
917.688
9.85
5.49
2.123
2.207 2.352 2.327 6.700 6.720 6.690 67.0 1167 1173 661.60 949 873.08 1.20 2.311
6.720 6.630 6.600 66.5 1164 1168 631.40 1002 935.868 5.41 2.187
5 7 93
6.250 6.330 6.310 63.0 1155 1163 622.30
1963 5640 6797
889 900.557
895.512
9.96
6.28
2.171
2.162 2.435 2.311 6.960 6.890 6.950 69.3 1161 1169 613.42 1159 1009.489 5.93 2.123
7.000 6.900 7.100 70.0 1159 1163 630.10 905 776.49 2.96 2.193
CALCULOS VOLUMÉTRICOS
COMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA
TABLA CALCULOS VOLUMETRICOS
TABLA DE RESULTADOS COMPOSICIÓN
VOLUMÉTRICA
%
Asfalto
%
Agregado
Gmb
Promedio
Gmm Gmt Vt Vmm Vmt Vasf Vagr Va %Vt
m
Vba Vbe %Vb
e
%
Vagr
%
VFA 5 95 2.141 2.436 2.375 46.698 41.055 42.109 4.854 37.255 5.644 12.085 1.054 3.800 8.137 79.778 23.921
5.5 94.5 2.051 2.405 2.359 48.760 41.579 42.399 5.340 37.059 7.180 14.726 0.819 4.521 9.271 76.003 23.488
6 94 2.101 2.460 2.343 47.600 40.658 42.688 5.825 36.863 6.942 14.583 2.030 3.795 7.974 77.443 20.652
6.5 93.5 2.207 2.352 2.327 45.307 42.509 42.977 6.311 36.667 2.799 6.177 0.469 5.842 12.894 80.929 48.606
7 93 2.162 2.435 2.311 46.248 41.068 43.267 6.796 36.471 5.180 11.201 2.199 4.597 9.940 78.859 29.099
% Asfalto Gmb
Promedio Estabilidad Flujo %Vtm % Vagr % VFA
5 2.141 907.65 2.6 12.085 79.778 23.921
5.5 2.051 740.62 4.6 14.726 76.003 23.488
6 2.101 1256.99 4.2 14.583 77.443 20.652
6.5 2.207 917.69 5.5 6.177 80.929 48.606
7 2.162 895.51 6.3 11.201 78.859 29.099
PbA= Valor Óptimo Densidad
PbB= Valor Óptimo Estabilidad
PbC = Punto Medio Especifico por Flujo
2,000
2,050
2,100
2,150
2,200
2,250
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
De
nsi
dad
(gr
/cm
3)
% Asfalto
% Asfalto Vs Densidad Bulk
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Esta
bili
dad
(K
g)
% Asfalto
% Asfalto Vs Estabilidad
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Flu
jo 0
.01
"
% Asfalto
% Asfalto Vs Flujo
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
% V
TM
% Asfalto
% Asfalto Vs % VTM
75,000
76,000
77,000
78,000
79,000
80,000
81,000
82,000
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
% V
AM
% Asfalto
% Asfalto Vs % VAM
0,000
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
% V
FA
% Asfalto
% Asfalto Vs % VFA
6. ANALISIS DE RESULTADOS
El porcentaje óptimo de cemento asfalto es de 5% del análisis de la graficas anteriores. Lo que quiere decir que el porcentaje no cumple con lo requerido para el método de dosificación de una muestra en caliente y no cumple con los requisitos exigidos por las especificaciones del INVIAS. . En la gráfica de %de asfaltos vs % de vacíos, el porcentaje de asfaltos 4.5% pero % de vacíos en agua da negativa, esto nos indica o que está mal hecho el ensayo, o que quedo bien compactado, las briqueta para que no haya vacíos. Podemos ver que para el 4,5% que todas cumplen con la Estabilidad, pero el porcentaje de asfaltos utilizados (4%, 4,5%, 5,5%y 6%) vacíos con aire no cumplen en la especificaciones, En cuanto a vacíos de los agregados minerales cumpliría para la mezcla 0 y mezcla 1 en Nivel de Transito 2 y Nivel e Transito 3 menos el % de asfaltos utilizado4%, En cuanto a Flujo cumpliría para Nivel de Transito 2 y Nivel de Transito 3. El porcentaje de vacíos está dentro del rango intermedio, de las especificaciones del INVÍAS ya que si es muy bajo puede presentarse una tendencia hacia la exudación del asfalto. También si es muy alto se puede presentar un envejecimiento prematuro al estar al interperismo
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio granulométrico de los materiales empleados en las obras de ingeniería además de ser uno de las pasos iníciales para una gran mayoría de ensayos, es de gran importancia para determinar con base en el tamaño de las características mecánicas del material a ensayar.
El laboratorio Marshall realizado para el diseño de mezclas asfálticas deja ver la importancia de lograr propiedades volumétricas adecuadas en la carpeta asfáltica terminada, ya que de esto depende en gran medida el desempeño de la superficie de rodamiento en su vida de servicio. De ahí, la trascendencia de simular de manera adecuada en el laboratorio la densificación que ocurre en campo, bajo la acción vehicular y de esta forma llegar a fórmulas de trabajo que permitan dosificar mezclas que exhiban un mejor comportamiento en condiciones específicas de tránsito y clima.
El principal estudio que se le debe realizar a un material debe ser su granulometría, por medio de elementos del laboratorio como lo son los tamices, para así conocer la clasificación de su tamaño, y luego proceder a estudios más específicos. Teniendo se tuvo en cuenta que las briquetas no fueron elaboradas por un solo laboratoristas se puede explicar el bajo grado de precisión en la elaboración de las mismas y por consiguiente en los resultados.
El criterio elegido para obtener el contenido óptimo de asfalto de la mezcla, se basó fundamentalmente en su contenido de vacíos, ya que su cantidad afecta directamente el comportamiento de un pavimento ante las deformaciones plásticas permanentes
Cuando la mezcla no cumple con los criterios de diseño en cualquier contenido de asfalto seleccionado, es necesario modificarlo o rediseñar la mezcla cambiando la graduación de los agregados ajustando los porcentajes utilizados
Podemos concluir que el diseño final de las mezclas es usualmente la más económica y que cumpla satisfactoriamente con todos los criterios establecidos
8. BIBLIOGRAFÍA
LABORATORIO DE SUELOS Y PAVIMENTOS – LSP. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Transporte y Vías. Curso de Materiales para Ingeniería. Tunja I semestre de 2008.
ESPECIFICACIONES GENERALES DE CARRETERAS. Instituto Nacional de Vías (INVIAS). 2007
NORMAS DE ENSAYO DE MATERIALES. Instituto Nacional de Vías (INVIAS). 2007