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• Pedro Armando Perez Vargas

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UNIVERSIDAD CATÓLICA BOLIVIANA SAN PABLO Unidad Académica Cochabamba Ingeniería Civil

GRUPO 1

PAVIMENTOS Y LABORATORIO (CIV- 252) ENSAYO MARSHALL (AASHTO-T245) INTEGRANTES: LOZADA SCHULZA ALVARO PEREZ VARGAS PEDRO ARMANDO POQUECHOQUE ARNEZ FABIAN RIVADINEIRA ORELLANA ALEXANDRA SIACARA MARTINEZ GREBY TITICHOCA SANTANA RONALD DOCENTE:

ING. CHACON AGUILAR LUCY MABEL

Cochabamba – Bolivia 2017

Método para determinar la resistencia a la deformación plástica de mezclas asfálticas utilizando el aparato Marshall (AASTHO T 245)

1 INTRODUCCION. El método describe la medición de la resistencia a la deformación plástica de probetas cilíndricas de mezclas asfálticas, cargadas sobre su mano lateral, usando el aparato Marshall. Este método es aplicable a mezclas asfálticas con árido máximo 25mm. En el presente informe se muestra los resultados obtenidos a partir de la utilización del método Marshall para realizar dosificaciones, y para luego verificar la resistencia a deformación plástica de la mezcla dosificada según el mencionado método. Este método permite la determinación de la resistencia a la deformación plástica de una determinada mezcla, de esa forma al combinar una serie de ensayes de diversas mezclas, cuyo contenido porcentual de betún asfáltico varía entre cada grupo de mezclas, se puede encontrar el porcentaje óptimo de asfalto para la mezcla. De esta forma, se puede lograr un desempeño óptimo para cada mezcla, dependiendo de las prestaciones que se requiera de ésta. 2 OBJETIVOS. El presente tiene como objetivos: -

Explicar el método de ensaye Marshall y su aplicación en la ingeniería

-

Determinar el porcentaje óptimo de asfalto de una mezcla, dosificada según especificaciones dadas de agregado (banda granulométrica dada).

-

Determinar los valores relevantes para una dosificación tales como vacíos de aire en la mezcla (VAM), vacíos en el agregado mineral (Va), densidad de la mezcla (Dmms), y otros valores de gran utilidad para realizar una correcta dosificación de mezclas.

-

Conocer el procedimiento mediante el cual se realizan las pruebas correspondientes al método Marshall.

3 MARCO TERICO.

El Método de dosificación Marshall desarrollado por el Ing. Bruce Marshall, inicialmente fue utilizado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército Norteamericano, actualmente es el método más utilizado para la elaboración de fórmulas de mezcla. El criterio para conseguir una mezcla satisfactoria está basado en requisitos mínimos de estabilidad, fluencia, densidad y porcentaje de vacíos.

Este método determina el procedimiento para realizar los ensayos de estabilidad y fluencia de mezclas asfálticas preparadas en caliente, utilizando el equipo Marshall, determina características físicas de las

mezclas y analiza los parámetros que definen el contenido de asfalto. La estabilidad se determina empleando el principio de corte en compresión semi-confinada, sometiendo a la muestra a esfuerzos de compresión diametral a una temperatura de 60 ºC (140 ºF). La aplicación de esfuerzos y la rotura de las muestras se consiguen con un dispositivo especialmente proyectado para las pruebas de estabilidad.

El valor de estabilidad representa la resistencia estructural de la mezcla compactada y está afectada principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo de agregado. El valor de estabilidad es un índice de la calidad del agregado.

Además, la mezcla debe tener la fluidez necesaria para que pueda compactarse a la densidad exigida y producir una textura superficial adecuada. El valor del Flujo representa la deformación producida en el sentido del diámetro del espécimen antes de que se produzca su fractura. Este valor es un indicador de la tendencia para alcanzar una condición plástica y consecuentemente de la resistencia que ofrecerá la carpeta asfáltica a deformarse bajo la acción de las cargas que por ella transiten.

El contenido óptimo de asfalto se determina, de acuerdo a recomendación del Instituto del Asfalto (Manual MS - 2), a través de la media aritmética de los porcentajes que llevan a:

-

La máxima estabilidad,

-

La máxima densidad de la mezcla y

-

Al volumen de vacíos de aire especificado.

Esta media debe ser verificada en relación al valor de la Fluencia y a los vacíos del agregado mineral (VAM), a fin de asegurar que la mezcla contenga un volumen de asfalto (Vb) suficiente, sin que el volumen de vacíos de aire (Vv) sea reducido a un valor inaceptable. Si no se cumplen las especificaciones, la granulometría del agregado debe ser modificada. 3.1 DESCRIPCION DEL METODO MARSHALL. -

El método Marshall usa muestras de prueba normalizadas (briquetas) de 2 y ½” de espesor por 4” de diámetro (64 x 102 mm).

-

Se selecciona el agregado que cumpla con las especificaciones requeridas. El tipo y grado del asfalto, de acuerdo al tipo de agregado y las condiciones climáticas.

Para determinar el contenido óptimo de asfalto se preparan y compactan una serie de muestras de prueba (briquetas), con distintos porcentajes de asfalto cuyo rango de variación no debe ser mayor a

0,5%. Como mínimo se debe incluir dos porcentajes por encima y dos por debajo del óptimo de contenido de asfalto estimado. En la práctica se observa que el contenido óptimo de asfalto se encuentra alrededor del 6 %, con referencia al peso de los agregados pétreos. Mayores porcentajes deben conducir a una verificación cuidadosa del diseño de la mezcla. Para verificar la idoneidad de los datos se deben hacer tres muestras (briquetas) por cada contenido de asfalto. Generalmente para un diseño, se deben tomar 6 porcentajes de asfalto diferentes, por lo cual se requerirán 18 briquetas. Adicionalmente se deben incluir 6 briquetas para determinar los efectos del agua en la estabilidad y el flujo. Aproximadamente para cada briqueta, se necesitan 1200 g de agregados, por lo cual la cantidad representativa de los agregados, debe tener un peso mínimo de 29 kg (65 lb). 3.2 DE LOS MATERIALES Y EQUIPO. Entre los elementos más importantes del equipo necesario para la elaboración de los núcleos de prueba, se pueden citar los siguientes:

a) Horno y placa calentadora eléctrica, para calentar los materiales, Horno aireador para el curado de las mezclas. b) Termómetro blindado de vidrio o dial con varilla para lecturas entre 50 ºF (10 ºC) y 450 ºF (232 ºC). c) Balanza de 2 kg de capacidad, con aproximación a 0,1 g. Balanza de 5 kg con aproximación a 1 g. d) Pedestal para compactación, que consta de un soporte de madera, sobre el cual descansa una placa de acero de 12” x 12” x 1” (305 x 305 x 25 mm). e) Molde de compactación que consta de una base, molde encofrado y collar de extensión. El molde tiene un diámetro interior de 4” (101,6 mm) y una altura aproximadamente 3” (76 mm). La base y el collar están diseñados para intercambiarse ya sea a uno u otro lado del molde. f)

Martillo de compactación, que consta de una barra achatada que cae deslizándose sobre una guía y un pisón de cara circular de 3 7/8” (98,4 mm). La barra pesa 10 libras (4,5 kg) y tiene una caída (guía) de 18” de altura.

g) Soporte del molde, que consta de un dispositivo de tensión elástica, diseñado para acoplar el molde sobre el pedestal de compactación. h) Extractor de muestra o prensa para extraer la muestra (briqueta) ya compactada.

i)

Accesorios como cucharas, espátula, mezclador mecánico, baño de agua hirviendo, etc.

j)

Máquina de ensayo Marshall, con dispositivo eléctrico, diseñada para aplicar las cargas a las muestras por medio de pesas de ensayo semicirculares, está equipada con un calibrador provisto de anillo para determinar la carga de ensayo, de un marco de carga para el ensayo de estabilidad y un medidor de flujo, para establecer la deformación bajo la carga máxima de ensayo.

k) Baño de agua con una profundidad mínima de 15 cm (6”), provisto de un termostato para mantener una temperatura de 60 ºC  1 ºC.

3.3 DE LA GRANULOMETRIA. La dosificación de una mezcla asfáltica comienza por determinar la cantidad de agregado requerida, dada una determinada banda granulométrica. Esta banda granulométrica por lo general está dada en códigos tales como el manual de carreteras, y el agregado de distintos tamaños debe dosificarse de manera tal que el conjunto final de agregados cumpla con las especificaciones de tamaños que pasan por cada uno de los tamices establecidos en la banda. Para este caso se ha adoptado el uso de la banda. TAMIZ N° 2 1 1/2 1" 3/4 1/2 3/8 N°4 N°10 N°40 N°80 N°200

% que pasa en peso C. A

D. B

E. C

100 95 75 60

100 100 100 90

100 95 80

100 100 100

35 25 20 10 5 1

65 50 40 30 20 8

45 28 20 10 8 3

80 60 45 32 20 8

100 85 75 50 30 15 8 5

100 100 100 85 75 40 30 10

A continuación se presenta una tabla donde se muestra la granulometría de la especificación, los distintos agregados a utilizar para la mezcla, y la granulometría que estará presente en la mezcla, acompañada por la banda granulométrica de trabajo del agregado de la mezcla, en el fondo, la banda de trabajo de la mezcla es la que rige los tamaños aceptables para ser utilizados dentro de la mezcla asfáltica.

TAMIZ °N 2 1 1/2 1" 3/4 1/2 3/8 N°4 N°10 N°40 N°80 N°200

COMBINACION DE GRANULOMETRIAS % que pasa % combinado % que pasa % combinado % que pasa % combinado %3/8 arena arena 45 25 30 chancado boleada chancada 100,00 45,00 100,00 25,00 100,00 30,00 100,00 45,00 100,00 25,00 100,00 30,00 100,00 45,00 100,00 25,00 100,00 30,00 100,00 45,00 100,00 25,00 100,00 30,00 51,64 23,24 100,00 25,00 100,00 30,00 18,50 8,33 99,54 24,88 100,00 30,00 0,56 0,25 89,84 22,46 73,15 21,94 0,44 0,20 72,31 18,08 43,55 13,06 0,44 0,20 40,19 10,05 21,54 6,46 0,44 0,20 10,85 2,71 11,97 3,59 0,44 0,20 2,62 0,65 3,96 1,19

TOTAL 100,00 100,00 100,00 100,00 78,24 63,21 44,66 31,34 16,71 6,50 2,04

TAMIZ N° 2 1 1/2 1" 3/4 1/2 3/8 N°4 N°10 N°40 N°80 N°200 base

GRANULOMETRIA MUESTRAS COMBINADAS ABERTURA Peso retenido Ret acumulado (mm) (gr) gr % 50 0,00 0,00 0,00 40 0,00 0,00 0,00 25,4 0,00 0,00 0,00 19,05 0,00 0,00 0,00 12,7 772,70 772,70 19,32 9,525 600,90 1373,60 34,34 4,76 728,00 2101,60 52,54 2 540,60 2642,20 66,06 0,426 590,20 3232,40 80,81 0,18 432,10 3664,50 91,61 0,074 251,10 3915,60 97,89 72,8 3988,40

% pasa 100,00 100,00 100,00 100,00 80,68 65,66 47,46 33,95 19,19 8,39 2,11

3.4 ESPECIFICACIONES TECNICAS.

Para el respectivo ensayo se uso los parámetros siguientes:

VALORES OBTENIDOS DEL ENSAYO MARSHALL Caracteristicas VERIFICACION ESPECIFICACION DENSIDAD 2,36 % VACIOS 4,2 3_5 R.B.V 71,8 65_75 ESTABILIDAD (L.b) 2640 >1800Lb FLUENCIA 1/100 10,5 8_14

CUMPLE CUMPLE CUMPLE CUMPLE CUMPLE

5 PROCEDIMIENTO. 5.1 PREPARACION DE LA MEZCLA. -

Pesar por separado en bandejas, para cada muestra de ensayo, la cantidad adecuada de cada fracción que produzca una bachada que de cómo resultado una muestra compactada de 2,5 ± 0,1” de espesor (63,5 ± 1,3 mm).

-

Colocar las bandejas para el mezclado en el horno y calentarlas a una temperatura aproximada de 25 ºF (13,9 ºC), por encima de la de mezclado. Calentar el asfalto a una temperatura lo suficientemente alta para que fluya fácilmente, pero sin que ésta sea mayor que la de mezclado.

-

Colocar la bandeja de mezclado y su contenido en la balanza y pesar agregando el asfalto necesario. Luego se coloca el palustre en la bandeja y se determina el peso total de los componentes de la mezcla más el equipo de mezclado con aproximación a 0,2 g. Se mezclan los agregados y el asfalto con el palustre hasta obtener una mezcla homogénea.

5.2 COMPACTACION DEL NUCLEO DE PRUEBA. -

-

Colocar toda la mezcla preparada dentro del molde, emparejando la mezcla con la espátula, unas 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en la parte central. Se quita el collar y se alisa suavemente la superficie, hasta obtener una forma ligeramente redondeada. Inmediatamente antes del proceso de compactación la temperatura de la mezcla debe estar muy cercana a los límites de la temperatura de compactación establecida. Colocar nuevamente el collar de extensión, y ubicarlo en el pedestal de compactación. Se aplican 75 (35 ó 50) golpes con el martillo, según lo especificado para la categoría de tráfico. Se quitan la base y el collar se le da vuelta y se vuelva a armar el conjunto. Se aplica el mismo número de golpes a la cara opuesta de la muestra. Después de la compactación, se quita la base del molde y se expone la muestra a la temperatura ambiente dentro del molde. Se saca la muestra del molde por medio de un extractor.

5.3 ENSAYO MARSHALL. Después de obtenido el Peso Específico Bulk de la mezcla compactada, se procede a la ejecución de los ensayos de estabilidad y fluencia, de la siguiente manera: a. Calibrar el cero del flujómetro, previamente montado sobre uno de los guiadores, y luego de insertar la mordaza de 4” debajo del pivote. b. Sumergir la briqueta en baño de agua a 60 ºC (140 ºF), durante 30 a 40 minutos. c. Limpiar las guías y la superficie interior del anillo de prueba y lubricar las guías para garantizar que el segmento superior del anillo se deslice libremente sobre ellas. La temperatura de la mordaza debe mantenerse a una temperatura de 21 a 37,8 ºC (70 a 100 ºF), utilizando el baño de agua, si fuese necesario. d. Se saca la muestra del baño de agua, se coloca en la parte inferior de la mordaza, luego se inserta la parte superior de la misma. Se centra el conjunto en el dispositivo de carga y se coloca el medidor de flujo sobre el guiador superior de la mordaza. e. Aplicar la carga de ensayo a la muestra a una velocidad de deformación constante de 51 mm/min (2 pulg/min), hasta que ocurra la falla. El punto de falla se define como la carga máxima obtenida en el ensayo. El número total de Newtons (libras) necesario para producir la falla de la muestra se define como el valor de la estabilidad Marshall. La deformación vertical del espécimen producida por la carga, es el valor del Flujo (fluencia). f.

Durante el ensayo de estabilidad, sujétese firmemente el medidor de flujo en su posición sobre el guiador, y retírese en el instante mismo que la carga empieza a decrecer, se anota el valor de flujo en unidades de 0,25 mm (0.01”). Por ejemplo si la muestra se deforma 3,8 mm (0,15”), su fluencia será 15.

g. Se promedian los valores de estabilidad y flujo para todas las muestras con cada contenido de ligante.

Las pruebas de estabilidad y fluencia, a partir de la extracción de los núcleos del baño, no deben durar un tiempo mayor a 30 segundos. 6 CÁLCULO Y ANALISIS DE DATOS.

Finalizada la prueba de estabilidad y fluencia se ordenan los datos en la respectiva tabla mostrada para ahí de ella obtener las gráficas necesarias para obtener el porcentaje óptimo de cemento asfaltico: Identificación

10 11 12

7 8 9

4 5 6

1 2 3

6,51 6,37 6,42

6,41 6,42 6,37

6,45 6,52 6,45

6,39 6,46 6,52

6,39 6,47 6,42

1209,6 1217 1216,2

1207,4 1213,8 1211,7

1205,8 1204,8 1200

1191,2 1197,6 1194,5

706 691,2 695

695 695,2 694,7

696,4 694,2 698,2

698,2 694,1 685

684,6 683,3 684,9

536,2 523,3 526,1

514,6 521,8 521,5

511 519,6 513,5

507,6 510,7 515

506,6 514,3 509,6

2,50 2,50 2,50 2,50 2,48 2,48 2,48 2,48 2,46 2,46 2,46 2,46 2,44 2,44 2,44 2,44 2,42 2,42 2,42 2,42

5,911 6,822 6,206 6,313 4,207 4,867 6,037 5,037 3,983 5,072 4,110 4,389 3,750 4,498 4,506 4,251 4,418 4,245 4,238 4,300

16,429 17,238 16,691 16,786 16,013 16,593 17,618 16,741 16,901 17,843 17,011 17,252 17,770 18,408 18,415 18,198 19,386 19,241 19,234 19,287

64,021 60,426 62,819 62,422 73,729 70,666 65,732 70,042 76,432 71,575 75,837 74,615 78,894 75,566 75,533 76,665 77,212 77,935 77,969 77,705

2,20331623 2,1827727 2,19682104 2,194 2,22773838 2,21225769 2,18446602 2,208 2,21604697 2,19168591 2,21363194 2,207 2,20481928 2,188578 2,18830297 2,194 2,1767997 2,17752723 2,17848318 2,178

1,31 1,297 1,284

1,513 1,271 1,362

1,415 1,362 1,323

1,317 1,297 1,336

0,96 0,995 0,983

0,985 0,983 0,995

0,975 0,958 0,975

0,99 0,973 0,958

0,99 0,97 0,983

1,151 1,239 1,191

1,290 1,275 1,278

1,475 1,218 1,328

1,401 1,325 1,267

1,304 1,258 1,313

2,874 2,774 2,895 2,848 3,088 2,922 2,794 2,935 3,252 2,684 2,928 2,955 2,845 2,811 2,817 2,824 2,538 2,731 2,627 2,632

Estabilidad Marshall (Lb) Factor corr. Corregida Altura Kg Lbs

1,199 1,245 1,212

Real

DISEÑO DE MEZCLAS ASFALTICAS EN CALIENTE / METODO MARSHALL AASHTO T-245 Pesos Especificos. Agregado total Gag. 2,687 % AGREG: Grava 3/4 Arena trit. Arena nat. Peso Especifico: Cemento asfaltico 1,006 30% 40% 30%

1242,2 1214,5 1221,1

2,351 2,329 2,344 2,341 2,375 2,359 2,330 2,355 2,363 2,336 2,360 2,353 2,351 2,332 2,332 2,338 2,317 2,321 2,321 2,320

% Asfalto Peso Peso Briq. Volumen Densidad briqueta % de Vacios Peso Altura de Base Briqueta en Sumergida Briqueta Máxima Agregados Llenos de unitario Base Mezcla Real (Dr) Mezcla (Vv) briqueta Agregado el aire (Gr) en el agua (cm3) teórica (VAM) asf. (RBV) agregados (cm) a b c d e f g h i j k

13 14 15

4,7 4,5 4,7 4,5 4,7 4,5 PROMEDIO 5,25 5 5,25 5 5,25 5 PROMEDIO 5,8 5,5 5,8 5,5 5,8 5,5 PROMEDIO 6,36 6 6,36 6 6,36 6 PROMEDIO 6,92 6,5 6,92 6,5 6,92 6,5 PROMEDIO

Flujo

1/100*

8,66 9,45 9,06 9,06 9,45 9,45 9,06 9,32 10,63 9,84 11,02 10,50 8,86 11,02 10,43 10,10 11,02 11,42 11,81 11,42

6.1 GRAFICAS.

Densidad-% asfalto 2.360 2.355

2.350 2.345 2.340

2.335 2.330 2.325

2.320 2.315

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

6.5

7

Estabilidad(Lb)-%asfalto 3.000 2.950 2.900

2.850 2.800 2.750 2.700 2.650 2.600 4

4.5

5

5.5

6

%vacios-%asfalto 6.500 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500

3.000 4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

6.5

7

Fluencia1/100"-%asfalto 12.00 11.50 11.00 10.50 10.00 9.50 9.00 8.50 8.00 4

4.5

5

5.5

6

De las gráficas se obtiene:

% OPTIMO DE ASFALTO % asflt. Valor max estabilidad= % asflt. Valor max densidad= % asflt. Valor de vacios al 4,5%= promedio Obtenemos un porcentaje óptimo de asfalto = 5.3%

5,38 5,16 5,36 5,3

RBV-%asfalto 80.000 78.000 76.000 74.000 72.000 70.000 68.000 66.000

64.000 62.000 60.000 4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

6.2 RESULTADOS. Se muestran a continuación los resultados de todo el ensayo Marshall, también la respectiva especificación técnica:

VALORES OBTENIDOS DEL ENSAYO MARSHALL Caracteristicas VERIFICACION ESPECIFICACION % DE ASFALTO 5,3 DENSIDAD 2,355 % VACIOS 4,5 3_5 R.B.V 73,04 65_75 ESTABILIDAD (L.b) 2965,38 >1800Lb FLUENCIA 1/100 10,11 8_14

CUMPLE CUMPLE CUMPLE CUMPLE CUMPLE

7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. De acuerdo al análisis realizado en el presente laboratorio para determinar los parámetros que se especifican en el método Marshall, se infieren las siguientes conclusiones que se consideran de importancia: 

El método de ensaye Marshall describe la medición de la resistencia a la deformación plástica de probetas cilíndricas de mezclas asfálticas que se cargan lateralmente mediante un aparato Marshall. Es importante mencionar que este método es aplicable a mezclas asfálticas con agregado pétreo de tamaño máximo 25 mm. Permite ser utilizado tanto para el diseño de mezclas en caliente con cementos asfálticos con agregados y se usa hoy en día tanto para el diseño en laboratorio como control en terreno.



Además estos método Marshall permiten encontrar el óptimo de componente asfáltico que debe tener una mezcla para que cumpla con características esperadas en cuanto a su desempeño. Para este el presente se logró encontrar un porcentaje óptimo de asfalto de: 5.3%. Al comparar con las especificaciones técnicas observamos que todas están dentro de los rangos requeridos: VALORES OBTENIDOS DEL ENSAYO MARSHALL Caracteristicas VERIFICACION ESPECIFICACION % DE ASFALTO 5,3 DENSIDAD 2,355 CUMPLE % VACIOS 4,5 3_5 CUMPLE R.B.V 73,04 65_75 CUMPLE ESTABILIDAD (L.b) 2965,38 >1800Lb CUMPLE FLUENCIA 1/100 10,11 8_14 CUMPLE



El Método Marshall, requiere que se cumplan determinadas condiciones constructivas y de procedimiento para producir una carpeta de calidad aceptable.



Una mezcla compactada adecuadamente puede producir que los agregados se encuentren lo más apegados entre sí (alta densidad), pero que exista una muy pobre adherencia entre ellos, lo cual se vería reflejado en la baja estabilidad de la misma.



Es necesario tener en cuenta que el Método Marshall no es originalmente un procedimiento diseñado para correlacionar ensayos de laboratorio con el comportamiento de una carpeta asfáltica, sino que consiste en un grupo de recomendaciones que permiten de una manera empírica – estadística, producir carpetas que muestren un comportamiento aceptable, si se construyen siguiendo estrictamente las reglas estipuladas en las especificaciones del Manual de Carreteras.