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Diseño de Mezclas Asfálticas

Ing. Augusto Jugo B. Venezuela

Concepto Fundamental de Diseño de Mezclas

Objetivo del Diseño: Seleccionar la mejor combinación agregado – asfalto que produzca la mezcla requerida a un costo razonable.

Propiedades de una mezcla de CA: • Estabilidad/ resistencia / rigidez • Flexibilidad • Durabilidad / resistencia al medio ambiente • Resistencia a la fatiga • Resistencia a la deformación permanente • Impermeabilidad • Resistencia a la humedad • Fricción (capa de rodamiento) • Trabajabilidad • Costo razonable

Esquema Conceptual:

Buen comportamiento en servicio

Una mezcla durable que resista los esfuerzos y condiciones de trabajo.

Definición: Mezcla asfáltica: Unión homogénea de un agregado pétreo y un ligante asfáltico. Tipos: – En frío – En caliente Arena asfalto en caliente Grava asfalto Base asfáltica Concreto Asfáltico Mezclas Drenantes Mezclas Stone Matrix

Definiciones y Conceptos: – Agregado: constituye un esqueleto pétreo que da resistencia y rigidez a la mezcla. – El ligante asfáltico, aglutina las partículas del agregado y conforma, con los finos, un mastique que llena los vacíos entre las partículas gruesas y reduce la permeabilidad.

Se conforma un

Sistema

El Ligante asfáltico: Material orgánico: – Se oxida (rigidiza) en presencia de aire y agua. – La oxidación es más rápida en alta temperatura.

Es viscoelástico: – Sus propiedades son altamente dependientes de la temperatura.

Aspectos fundamentales en el comportamiento de una mezcla de pavimentación.

Temperatura

Comportamiento del asfalto: 135

Líquido

60

Líquido viscoso Comportamiento plástico

25

Sólido elástico Comportamiento elástico

4

Rígido/ frágil

Servicio en pavimento

Mezclado y compactación

El Agregado: Tiene significativa importancia en las propiedades de la mezcla. – – – – –

Estabilidad, resistencia mecánica. Resistencia a la deformación. Propiedades volumétricas. Resistencia al deslizamiento. Trabajabilidad.

El Agregado: Propiedades controlables en explotación y producción de agregados: – Tamaño – Gradación Distribución de tamaños

– Forma – Limpieza

Resumen Histórico del Diseño de Mezclas Asfálticas

Historia: 1860: Se comienza a usar asfalto como ligante 1868: Primeras mezclas usadas en Washington – Mezclas no mecanizadas – Se usó brea (tar) como ligante – No se consideraban las propiedades del agregado

1905: Richard Clifford – Entendió la importancia del agregado – Estudió y documentó los principios de las mezclas en caliente, incluso VAM y % vacíos. – Comienza a usarse asfalto de Lago como ligante – Desarrolla y documenta el Pat Test – Escribe el libro: The Modern Asphalt Pavements

Historia: 1905: Pat Test – El primer ensayo o método de diseño para “determinar” el contenido óptimo de ligante en una mezcla en caliente. – Usado en mezclas finas sheet asphalt o lámina asfáltica (arenosas) Se presiona la mezcla sobre un papel absorbente

Se observa la mancha en el papel

Estimación de contenido de ligante: Era común el empleo de ecuaciones como la de Stanton:

P = 0.02 a + 0.045 b + 0.18 c Donde: P = % de asfalto en peso a = % retenido en tamiz #10 b = % que pasa el tamiz #10 y es retenido en # 200 c = % que pasa el tamiz #200

Ensayo de Indentación

Historia: 1909: Frederick Warren patenta los Pavimentos Bituliticos. – Usa agregados de 3/4 “ y 1 ¼” – Logra mezclas de mejor comportamiento ante deformaciones por ruedas metálicas y de goma maciza. – Mezclas “duras” difíciles de trabajar.

1920: Comienzan a usarse mezclas densas. – Típicamente: de ¾” y 1” de tamaño máximo. – Se desarrolla el neumático, lo que apoya el uso de estas mezclas. – El contenido de ligante se determinaba visualmente

Equipo extendedor de mezcla. 1930.

Historia: 1920: Roy Green desarrolla un procedimiento para obtener una gradación óptima: – El gráfico de gradación: % pasante –vstamaño – Similar al gráfico de potencia 0.45 Difundido 42 años después por Goode y Lufsey y empleado en SUPERPAVE

Línea de máxima densidad para agregado de tamaño max. 25 mm

Equipo mezclador y extendedor de mezcla.

Historia: 1920´s: El método Hubbard-Field. – Método para diseño de mezclas con arena – Emplea briquetas de 2” que se forzaban a través de un orificio de 1.75” – Las briquetas se compactan a presión

– Primer intento empírico de cuantificar estabilidad – En los 50´s una nueva versión usa briquetas de 6” y permite agregados hasta ¾”

Ensayo Hubbard-Field y equipo original.

Mezcla de Arena asfalto en frío Ensayo Hubbard-Field de 2”

Equipo de ensayo Hubbard-Field de 2”

Historia: 1940´s: Francis Hveem, el método Hveem. – Desarrolla el estabilometro para evaluar la estabilidad y habilidad de una mezcla para resistir fuerzas de corte. – Las briquetas se compactan mediante amasado (kneading) – Desarrolla el cohesiometro, para evaluar la cohesión de la mezcla, un indicador de “resistencia a tracción”. – Requiere equipos costosos y estacionarios que no permiten su uso en control de calidad. – El procedimiento nunca llegó a ser ampliamente utilizado.

Estabilometro Hveem.

Compactadora Hveem (amasado)

Cohesiometro

Ensayo Triaxial Smith.

Ensayos de deformación permanente. TRRL.

El Método Marshall

Historia: 1940´s: Desarrollado por Bruce Marshall. – La primera versión desarrollada en 1939. – En 1943, desarrolla un equipo portátil para el diseño de mezclas para aeropuertos. Requerido por aumento de peso y presión de inflado de aviones en la II Guerra Mundial.

– Los primeros objetivos fueron dirigidos a determinar energías y densidades de mezclas en obra y laboratorio para asegurar un buen comportamiento. – En los 40´s y 50´s nuevos y mas pesados aviones obligan modificaciones, llegando prácticamente- a los criterios hoy conocidos.

– Le asigna gran importancia a las propiedades volumétricas de la mezcla.

Propiedades Volumétricas Conceptos Básicos

Propiedad Volumétricas:

Importancia de las Propiedades Volumétricas

Aire Asfalto

% Vacíos

Asfalto efectivo

Agregado

Diagrama de fases en volumen.

% VAM Agregado

Agregado

Diagrama de fases en volumen.

Bajo % de VAM permite poco asfalto efectivo: • Película delgada de cobertura del agregado; poca durabilidad.

Aire Asfalto

% Vacíos

Asfalto efectivo

Agregado

Mezcla mas susceptible a oxidación y fatiga.

Diagrama de fases en volumen.

Al incrementar el asfalto efectivo, se aumenta la resistencia a la oxidación, medio ambiente y fatiga. Aire Asfalto

% Vacíos

Asfalto efectivo

Agregado

Mezcla mas durable.

Diagrama de fases en volumen.

VAM

La Especificación de mezcla indica ~ 4 % de Vacíos Totales

Agregado Vacíos

Asfalto

Agregado

VAM

Agregado

Vacíos 4 %

VAM

Asfalto efectivo

Agregado

VAM

Vacíos 4 %

Asfalto efectivo

El asfalto efectivo se reduce para cumplir con el % de Vacíos.

Briqueta de laboratorio

Ensayo DMT

Vaire Pasf Pagreg

asfalto

aire

aire

Vasf

agregado

Vagreg

0 % vacíos (aire)

Dlab= P

eso

4 % vacíos 96 % de DMT

/ Vol 3 % vacíos 97 % de Dlab

Dobra

Briqueta de laboratorio

Ensayo DMT

Vaire Pasf Pagreg

asfalto

Capa extendida y compactada aire

aire

Vasf

agregado

Vagreg

0 % vacíos (aire)

Dlab= P

4 % vacíos

eso

/ Vol 3 % vacíos

7 % vacíos

Dcampo

VAM, limita la cantidad de asfalto que puede aceptar la mezcla.

Conclusión % VAM Agregado

Agregado

Diagrama de fases en volumen.

El procedimiento Marshall

Usos de método Marshall:

•Información para lograr una mezcla óptima. Mezcla

Ensayo Marshall •Información para control de calidad en obra.

Compactación de briquetas:

Ensayos: Propiedades Volumétricas • Densidad • VAM • % Vacíos totales • “Propiedades” Mecánica • Estabilidad • Flujo

Peso unitario

Curvas de diseño Marshall

Estabilidad

% vacíos

% VAM

% de ligante

Flujo

Criterio Marshall para selección de contenido óptimo de ligante.

Peso unitario

a Estabilidad

% vacíos

b

% óptimo de ligante:

% VAM

Promedio de: • % de max. Densidad • % de max. Estabilidad • % medio de vacíos

c % de ligante

Flujo

% op = (a+b+c)/3

SUPERPAVE

Historia: 1990´s: SUPERPAVE. – Primera versión desarrollada en los 90´s – Determinación de propiedades mecánicas: Procedimiento complejo – Fue poco aceptado

Considera el uso de compactador giratorio

– Se ratifica la importancia de las propiedades volumétricas

Procedimiento de diseño propuesto para Nivel 3: Ensayos: • Corte simple y barrido de frecuencias • Deformación especifica uniaxial • Corte repetido a relación de tensiones constante • Resistencia a tracción indirecta •Resistencia a creep

Criterio Superpave para selección de contenido óptimo de ligante.

Criterio volumétrico: Mezclas con 4 % de vacíos en laboratorio. No se indicó ningún ensayo de evaluación mecánica de la mezcla. Sólo se indicó: evaluación de susceptibilidad al agua, mediante resistencia retenida por tracción indirecta.

Ensayo de Tracción Indirecta en mezclas asfálticas.

Tendencia actual Hacia donde se quiere ir ?

Preparar muestras que simulen la densidad, orientación de partículas y características estructurales obtenidas en los procesos constructivos de pavimentos. Compactador Giratorio.

Ensayos para determinar las propiedades fundamentales de los materiales, Módulos Elásticos.

Equipo SPT, Simple Performance Test, desarrollado por SUPERPAVE 2007 para la caracterización de mezclas asfálticas. Evalúa: • Módulo Dinámico • Número de flujo (deformabilidad) • Tiempo de fluencia (creep)

Concepto Mecanístico- Empírico:

Realimentar y validar procesos y modelos

Laboratorio Evaluar comportamiento real Desarrollar procedimientos

Predecir Comportamiento

• Evaluar propiedades • Definir modelos

Mecanístico

Empírico

Superpave 2009

Turner-Fairbank FHWA Research Center. Virginia. Mayo 2009

Muestra preparada e instrumentada para el ensayo SPT.

Ensayo SPT. Turner-Fairbank FHWA Research Center. Mayo 2009

Determinación de Módulo Gráfico Esfuerzo-Deformación

Determinación de Número de Flujo

Núcleos

Comportamiento en pavimento Evaluación de laboratorio

Criterio actual de selección de mezcla Superpave: Selección de materiales Definir estructura granulométrica Seleccionar % de ligante – % de vacíos: 3 a 5 % – VAM Incrementar % mínimo (0.5 a 1 %) VAM: establecer máximo

Determinar parámetros para alimentar modelos de predicción de daños y el MEPDG.

Objetivos del Diseño de Mezclas.

Objetivos del Diseño: Seleccionar la mejor combinación agregado – asfalto que produzca la mezcla requerida a un costo razonable. Suministrar información para el control de calidad en producción y en obra.

Aspectos en conflicto en procesos de diseño y evaluación: Mecanismo de compactación de las briquetas: – – – –

Presión Amasado Impacto Giratorio

Desarrollo de modelos de predicción de comportamiento: – – – – –

Fatiga Deformación permanente Fatiga térmica Durabilidad Susceptibilidad al agua

Aspectos en conflicto en procesos de diseño y evaluación: Correlación: Laboratorio - Comportamiento – Caracterización de propiedades mecánicas

Resistencia – Dificultad de correlacionar: Propiedades mecánicas con comportamiento Laboratorio con obra

Apoyo en Propiedades Volumétricas

Importancia de las Propiedades Volumétricas: Son reconocidas por casi todos los procedimientos de diseño Aportan información sobre: – – – – – –

Fatiga Durabilidad Deformación permanente Susceptibilidad al agua Permeabilidad Oxidación- rigidización

Resumen del concepto: Definir la estructura granulométrica

Controlar % VAM y % Vacíos Adecuado ligante efectivo

Mezclas con propiedades buscadas

Criterios de Selección de una Mezcla Optima

Como trabaja una mezcla asfáltica ?? El ligante asfáltico actúa como aglutinante del agregado

Se produce y mantiene un contacto grano a grano –trabazón- del agregado.

Que produce una mezcla estable. No hay reacción química.

Aspectos a considerar en la selección de una mezcla asfáltica: Uso de la mezcla Ubicación en la estructura del pavimento Solicitaciones de servicio - esfuerzos-deformaciones - medio ambiente Espesor de la capa

Propiedades deseables de una mezcla según su ubicación en la estructura y sus solicitudes de servicio:

Rodamiento: Fricción - Durabilidad Impermeabilidad - Resistencia al medio ambiente / a la deformación permanente– Trabajabilidad

Intermedia: Resistencia mecánica Durabilidad

Base: Resistencia a la fatiga/ al agua - Durabilidad

La experiencia venezolana Evolución de la Norma

Evolución de los tipos y Normas de mezclas en Venezuela: 1.

COVENIN 12-10

1960´s

2.

Mezclas TN

1996

3.

Mezclas M

2002

SUPERPAVE

Mezclas COVENIN Criterio 60´s

Línea de máxima densidad

Propiedades de la mezcla:

Propuesta de Mezclas TN

www.inveas.org.ve

Objetivos de la propuesta: Venezolanizar las mezclas – Adaptarlas a nuestras condiciones particulares. – Hacerlas mas resistentes a las causas de deterioro mas importantes en Venezuela: Intensidad de tráfico y cargas Medio ambiente

Tropicalizar nuestras mezclas

Principales causas y mecanismos de deterioro: Tráfico: – Intenso tráfico y elevada sobrecarga que acelera la fatiga de las mezclas asfálticas.

Medio ambiente: – El medio ambiente tropical acelera la oxidación y rigidización de las mezclas, la hace menos flexible y menos resistente a fatiga. – Esta oxidación -además- propicia la disgregación de la mezcla.

Objetivo: Adecuar las mezclas a nuestros principales problemas:

Fatiga

Disgregación.

Mezclas TN: Tipo de mezcla y usos TRAFICO

Ejes equivalentes a 8.2 t. en periodo de
diseño.

ALTO

MEDIO

BAJO

> 20 mill. mill.

2 a 20 mill. mill.

< 2 mill. mill.

VALORES REFERENCIALES

Camiones/día por sentido. PDT por sentido

> 800

100100-800

< 100

> 3.000

500500-3.000

< 500

Posición de la capa en el pavimento

TIPO DE MEZCLA TN

5 cm superiores (rodamiento)

19 S 12 S

Otras capas y/o usos

19 S 12 S

TN: Tamaño nominal / S mezcla tipo Superior

19 S 12 S 9S

19 - 19 S 12 - 12 S 9- 9S

Puede emplearse cualquier mezcla

MEZCLAS TN: Propiedades de los agregados TRAFICO Nivel de Tráfico


ALTO

MEDIO

BAJO

Equivalente de Arena (%) Fracción pasante #4

min. 45

min.40

min. 35

Particulas alargadas y planas (%) Fracción retenida en #4

max. 10

max. 10

--

Uso de arena natural % en mezcla

max. 10

max. 15

--

DESGASTE LOS ANGELES Mezclas Tipo S

max. 35

max. 35

max. 40

Otras Mezclas

max. 40

max. 45

max. 50

Caras producidas por fractura (min. una cara) Mezclas Tipo S

min. 100

min.85

min. 85

Otras Mezclas

min. 100

min.60

--

Desgaste en Sulfato de Magnesio %

max. 10

max. 10

max. 20

Agregado angular

Agregado redondeado

Se destaca en la Especificación la importancia de emplear mayor % de agregado triturado.

MEZCLAS TN: Propiedades Marshall de la mezcla TRAFICO Nivel de Tráfico
No. de golpes

Vacíos Totales (%) Vacíos Llenados (%) Estabilidad Marshall (lbs (lbs)) Flujo (pulg /100) (pulg/100)

Vacíos del Agregado Mineral (VAM)

ALTO

MEDIO

BAJO

75

75

50/75

3 –5

3 –5

3 –5

x

x

x

min. 2.500

min.1.800

min. 1.600

8 - 14

8 - 14

8 - 16

Ver Tabla de especificaciones granulométricas

MEZCLAS TN: Especificaciones granulométricas TN 19 Tipo de mezcla


19

Espesor capa compactada (cm)

TN 12

19 S

12

4-7

TAMIZ (mm)

TN 9

12 S

9

3.53.5-6

9S 2.52.5-5

GRADACION (% que pasa)

1” (25)

100

100

¾” (19)

9090-100

9090-100

100

100

½” (12.5)

max. max. 90

max. max. 90

9090-100

9090-100

100

100

max. max. 90

max. max. 90

9090-100

9090-100

max. max. 90

max. max. 90

3/8“ (9.5) #4 (4.75) #8 (2.36)

2323-49

2323-34

2828-58

2828-39

3232-67

3232-47

#16 (1.18)

28

max 22

31

max 22

37

max 22

#30 (0.6) #200 (0.075)

VAM % min.

max 17 2-8

2-8

13

max 29 2-10

2-10

14

max 23 2-10

2-10

15

Mezcla TN-19S

TN-19S

Mezcla TN-19

TN-19

A/P Cara Aeropuerto Caracas

A/P Caracas 2004

Av. Casanova Gogoy Maracay Construida en 1999 Con mezcla TN-19 S

Propuesta en Discusión Mezclas M INVEAS

Puntos de control granulometría

Mezcla M 19

MEZCLAS M: Propiedades Marshall de la mezcla TRAFICO Nivel de Tráfico
No. de golpes

Vacíos Totales (%) Capas de rodamiento Otras capas Vacíos Llenados (%) Estabilidad Marshall (lbs (lbs)) Flujo (pulg /100) (pulg/100)

Vacíos del Agregado Mineral (VAM)

ALTO

MEDIO

BAJO

75

75

50

3–5 2-4

3–5 2-4

3–5 2-4

x

x

x

min. 2.200

min.1.800

min. 1.600

8 - 14

8 - 14

8 - 16

Ver Tabla . Art. 12.10.14

Objetivos de la nueva especificación: Inducir la construcción de mezclas con mejor respuesta.  Resistencia al medio ambiente  



Mayor durabilidad Resistencia a humedad Menor permeabilidad Menos rigidización



Mejor resistencia a fatiga

  

Zona de Tracción

////////////

Durabilidad Mejor textura (fricción)

Conclusió n

Esquema Conceptual:

Buen comportamiento en servicio

Diseño de la mezcla • criterios pre-diseño • pre-selección de mezcla óptima

Criterios de Selección Basados en: Solicitudes y condiciones de Servicio

Propiedades deseables de las mezclas según su ubicación: Buena fricción (textura/agregado duro) (no pulimentable) 

Zona de Compresión

 

Impermeable. Estable (agregado triturado) Bajo espesor

Cumplir

con % VAM min.

Bajo % de vacíos  Adecuado % de ligante efectivo 

Tracción /////\\\\\//////

Resistente a fatiga y a la humedad

Resumen del concepto para Venezuela: Definir estructura granulométrica controla el % de VAM

Lograr un % de VAM que permita un adecuado % de ligante efectivo

Mezclas con mayor durabilidad y resistencia a la fatiga

Para lograr un buen pavimento se requiere además:

5° CONGRESO VENEZOLANO DEL ASFALTO Isla Margarita. Oct 2010. www.inveas.org.ve

Agradecido por su atención…