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Capítulo

Tipos de Mezclas Asfálticas 4.1 ANTECEDENTES

L

as mezclas asfálticas en caliente o hot-mix asphalt, HMA se utilizan para diferentes tipos de tráfico y diferentes condiciones medioambientales, debiendo los materiales y diseño cumplir con los requisitos del proyecto. El término hot-mix asphalt, HMA o mezcla asfáltica en caliente, se usa generalmente para incluir mezclas de agregado y cemento asfáltico que se producen en plantas de asfalto a altas temperaturas.

HMA se divide en tres tipos de mezclas: de gradación densa, open-graded o mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometría incompletas. La Tabla 4.1 presenta los tipos de mezclas de acuerdo a las características granulométricas. Las gradaciones densas se subdividen en gradación continua o HMA convencional, large-stone mix, y mezcla arena-asfalto. Las mezclas open-graded se dividen en open-graded friction course, OGFC y base permeable tratada con asfalto. El tipo gap-graded abarca mezclas de concreto asfáltico gap-graded y mezclas stone mastic asphalt, SMA. Algunas mezclas HMA deben ser diseñadas para casos particulares. Un ejemplo de este tipo son las mezclas open-graded friction course OGFC, que se diseñan para mejorar la fricción, evitar encharcamientos y emanaciones de vapor del pavimento, y disminuir los niveles de ruido. La Federal Highway Administration, FHWA junto con la National Asphalt Pavement Association, NAPA prepararon una guía para la apropiada selección del tipo de

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mezcla que considera factores como el tráfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su preparación, y evaluación económica.

Tabla 4.1 Tipos de Mezclas Asfálticas en Caliente Gradación densa Convencional Tamaño máximo nominal usualmente de 12.5 a 19mm (0.5 a 0.75 pulg.) Large-stone Tamaño máximo nominal usualmente de 25 a 37.5mm (1 a 1.5 pulg.) Arena asfalto Tamaño máximo nominal menos que 9.5 mm (0.375pulg.)

Open-garded Porous friction course

Gap-graded Gap-graded convencional

Base permeable tratada Stone Mastic Asphalt con asfalto (SMA)

4.2. DEFINICIONES Mezclas de gradación densa HMA HMA de gradación densa están compuestas por ligante de cemento asfáltico y agregado de gradación continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25 mm (1 pulg.). Como se ve en la Fig. 1.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (más grandes que el tamiz 4.75 mm o no. 4). Por el mayor tamaño de los agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactación. Asfalto-arena está compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (Fig. 1.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales porque se incrementan los vacíos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es típicamente muy bajo.

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a. Gradación densa

b. Open-graded

c. Gap-graded

Fig. 4.1 Gradaciones representativas de HMA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Mezclas open-graded Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (Fig. 1.1b). El principal propósito de este tipo de mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento. Como se indicó, hay dos tipos de mezclas open-graded. El primer tipo de mezcla son utilizadas como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC –19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradación densa. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocación de este tipo de mezclas es convencional. El esfuerzo de compactación por lo general es menor que las mezclas de gradación densa. Mezclas gap-graded La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque estas también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la Fig. 1.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la Fig. 1.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o no. 200. Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con SMA para prevenir el draindown.

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4.3 TIPOS DE PAVIMENTO ASFÁLTICOS Los pavimentos asfálticos son estructuras flexibles que distribuyen las cargas a la subrasante preparada. Los pavimentos flexibles consisten de capas de HMA colocadas sobre la subrasante preparada. La subrasante es la capa de fundación que consiste del suelo existente o material de préstamo a una densidad específica. Las capas de pavimento generalmente se dividen en: capa superficial, capa intermedia o ligante y capa base. Estas capas son diferentes en composición y se colocan en operaciones separadas. Las capas de pavimento de dos tipos comunes son: full-depth HMA y HMA sobre bases granulares se muestra en la Figura 4.2.

Fig. 4.2 Tipos de Pavimentos Asfálticos más comunes

Capa Superficial o Carpeta La carpeta superficial normalmente está formada por materiales de alta calidad. Proporciona características friccionantes, control de ruido, lisura, resistencia a las deformaciones y drenaje. Además, previene el ingreso de excesivas cantidades de agua superficial a las capas intermedias del pavimento. Capa Intermedia La capa intermedia consiste de una o más capas estructurales de HMA colocadas debajo de la carpeta. Su finalidad es distribuir las cargas de tráfico a la fundación sin que ésta se deforme permanentemente. Esta capa puede o no ser usada, dependiendo de la selección del tipo de mezcla. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Capa Base La capa base consiste de una o más capas de HMA ubicadas en la base de la capa estructural de HMA. Tambié, puede ser base granular o base estabilizada. Su principal función es proporcionar el principal soporte a la estructura del pavimento. Capa Nivelante La capa nivelante, es una delgada capa de HMA usada en rehabilitaciones para corregir pequeñas variaciones del perfil longitudinal y transversal del pavimento existente. Tráfico Las cargas de tráfico se calculan para definir los espesores y el tipo de mezcla HMA que será usada en la estructura del pavimento. La American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO expresó el tráfico en número de ejes equivalentes de 18-kip denominado ESAL. La FHWA considera los siguientes niveles de tráfico: Tráfico Bajo Intermedio Alto

ESAL 10’000,000

4.4 APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS Las conclusiones que llegaron un grupo de expertos de las instituciones más representativas en los EE.UU. (NCAT, FHWA, NAPA, y DOTs de Florida, Georgia, Maryland, Arizona y New York) sobre cuales son los tipos de mezclas asfálticas más apropiadas para las diferentes capas que componen la estructura de pavimento en función del tráfico se presentan en la Fig. 4.3 Las recomendaciones se dan en 03 niveles: Altamente Recomendable, Medianamente Recomendable y Poco Recomendable. También se señalan 03 niveles de tráfico: Alto, Intermedio y Bajo nivel de Tráfico de acuerdo al criterio de la FHWA. Las mezclas asfálticas consideradas son: las mezclas de HMA densas tanto gruesas como finas, las mezclas del tipo gradación abiertas o mezclas porosas denominadas open-grade, las mezclas de gradación abierta de alto nivel de fricción superficial o open-graded friction course OGFC, las mezclas tipo SMA y las bases tratadas con asfaltos, ATPB.

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Fig. 4.3 Recomendación del Tipo de Mezclas Asfálticas

Las recomendaciones del grupo de expertos fueron aún más al detalle. La Fig. 4.4 considera además del tipo de mezcla asfáltica, el espesor mínimo de capa relacionado al tamaño máximo nominal del agregado.

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Fig. 4.4 Espesor Mínimo de Capa

4.5 ELECCIÓN DEL TIPO DE MEZCLA ASFÁLTICA Los siguientes pasos permiten elegir un tipo de mezcla apropiado para una aplicación específica: 1. Determinar el espesor total del HMA requerido. Construcción nueva diseño estructural de acuerdo a los procedimientos establecidos Rehabilitación evaluación del comportamiento o performance y diseño estructural del pavimento. 2. Determinar el tipo de mezcla apropiado para la carpeta basado en función del tráfico y costo.

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a) Identificar en la Fig. 4.3 la categoría del tráfico del pavimento. Por ejemplo, para trafico bajo, el grupo de expertos recomienda solamente mezclas densas. Sin embargo, para tráfico alto, se puede considerar un SMA o OGFC. Para tráficos altos todos los tipos de mezclas son apropiados b) Determinar el tamaño del agregado que se usará en la mezcla. La principal consideración para esto es el tráfico. A mayores cargas de tráfico, la mezcla de agregado debe tener mayor tamaño máximo nominal. c) Consideraciones de apariencia. Mezclas con tamaño de agregado mayores con frecuencia tienen textura superficial gruesa y puede ser más susceptible a la segregación. Por eso, para pavimentos en calles, se recomienda usar mezclas más finas como mezclas de gradación densa de 9.5 a 12.5 mm, mientras que las mezclas 19.0 mm puede ser la más apropiada para áreas industriales. Sin embargo, nunca se debe sustituir la performance por la apariencia. d) Flujo de tráfico. Otra consideración es seleccionar el tamaño de agregado en una mezcla minimizando el impacto del flujo de tráfico durante rehabilitación de la carretera existente. 3. Descontar el espesor de la carpeta del espesor total de diseño. Determinar qué mezcla o mezclas son apropiadas para capas intermedias y/o base. 4. Descontar la capa intermedia/base del espesor total, hasta que los espesores de capa de la mezcla sean seleccionados para la sección de pavimento requerido. Ejemplo de Aplicación A continuación se muestra un ejemplo del proceso de selección para dos pavimentos que requieren 150 mm(6”) de HMA cada uno. Uno de los pavimentos está ubicado en el centro de la ciudad en una zona comercial con tráfico moderado. La otra está en un área industrial con tráfico moderado pero mayor porcentaje de tráfico de camiones y traileres.

Paso 1: Determinación del Espesor Total Proyecto A: Calle del centro de la ciudad que será reconstruido. Tanto performance como apariencia son importantes. Espesor total de HMA requerido para este proyecto es 150 mm (6”). Tráfico moderado

Proyecto B: Zona industrial, parte de carretera rural existente. El incremento de tráfico requiere 150 mm (6”) de recapado. Tráfico moderado a alto.

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Paso 2: Determinación del tipo de mezcla de la carpeta y espesor 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm Proyecto A: Según las Fig. 4.3 y 4.4, la gradación fina densa (DFG) es la más recomendada para este nivel de tráfico. SMA también puede ser usado para este caso puede no justificar el gasto. Un DFG 9.5 mm, parcialmente por apariencia. El espesor es de 37.5 mm.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm Proyecto B: Según las Fig. 4.3 y 4.4, todas las mezclas son adecuados para este tráfico. Como el tráfico es lento, OGFC no se considera. La resistencia a las deformaciones permanentes es el principal mecanismo de falla por el alto porcentaje de camiones y traileres, de esa manera una mezcla de piedra grande puede usarse para la carpeta porque la apariencia no es muy importante. Mezcla de gradación gruesa densa 12.5 mm se selecciona para la carpeta. El espesor de la mezcla es 37.5 mm.

Paso 3: Determinación del tipo de mezcla de la capa intermedia y espesor 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DFG o DCG, espesor 57 mm Proyecto A: Según las Fig.4.3 y luego 4.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0 mm son adecuados para este tráfico y capa El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm. Si se usa mezcla 25.0 mm, sería mejor colocarla en una sola capa porque el espesor mínimo es 75 mm, que es más de la mitad del espesor restante. Con mezcla 19.0 mm de DFG o DCG se colocaría alrededor de la mitad del espesor restante total. Un 19.0 mm DFG o DCG se selecciona para mejorar la performance. El espesor seleccionado es 57 mm para facilitar la compactación.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DCG, espesor 57 mm Proyecto B: Según las Fig.4.3 y luego 4.4, se puede usar 19.0 mm o 25.0 mm de DFG o DCG para la carga de tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm. Si se usa mezcla 25.0 mm, sería mejor colocarla en un espesor de 75 mm que es más que la mitad del espesor restante. Tanto DFG y DCG de 19.0 mm pueden colocarse en la mitad del espesor restante. Un 19.0 mm DCG se seleccionó para prevenir la deformación permanente. La capa es de 57.0 mm.

Paso 4: Determinación del tipo de mezcla de la capa base y espesor 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DFG o DCG, 2 capas de 57 mm de espesor cada capa. Proyecto A: Según la Fig. 4.3 y luego 4.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0 mm son adecuadas para este tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm. Mezcla 25.0 mm no se usa porque el espesor restante es menor que el espesor mínimo (75 mm). Mezcla DFG y DCG de 19.0 mm pueden colocarse como espesor restante, cualquiera de las dos proporcionan adecuada performance. El espesor de la capa es 57.0 mm para facilitar la compactación de mezclas DCG. El espesor total del pavimento sería ligeramente mayor que el requerido (151.5 mm vs. 150 mm) que es aceptable.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DCG, 2 capas de 57 mm cada capa. Proyecto B: Según la Fig. 4.3 y luego 4.4, mezcla densa DFG o DCG puede usarse para este tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm-37.5mm57.0mm), 55.5 mm. Una mezcla 25.0 mm no puede usarse porque el espesor restante es menos que el mínimo (75 mm). Tanto DFG y DCG de 19.0 mm pueden emplearse con el espesor restante. La mezcla DCG de 19.0 mm se selecciona para evitar deformaciones permanentes. El espesor total del pavimento es ligeramente mayor que el requerido (151.5 mm vs. 150 mm) que es aceptable.

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4.6 MEZCLAS ASFÁLTICAS DENSAS Una mezcla densa es una mezcla bien gradada (distribución uniforme de las partículas de agregados grueso a fino) de agregado y ligante de cemento asfáltico. Las mezclas apropiadamente diseñadas y construidas son relativamente impermeables. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). ƒ Tamaño Máximo Nominal (TMN) Con la finalidad de definir adecuadamente los términos, todas las mezclas densas se identifican por el tamaño máximo nominal del agregado en la mezcla. Este término se define por Superpave como un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene más del 10%. ƒ Mezclas densas de gradación fina y gruesa Las mezclas densas pueden clasificarse como de gradación fina o gruesa. Las mezclas de gradación fina tienen mas arena fina que las mezclas de gradación gruesa. La Tabla 4.2 puede ser usada para definir la granulometría que deben cumplir estas mezclas. Tabla 4.2 Definición de Mezclas Densas de Gradación Fina y Gruesa Mezcla TMN 37.5 mm (1 ½”) 25.0 mm (1”) 19.0 mm (3/4”) 12.5 mm (1/2”) 9.5 mm (3/8”) 4.75 mm (No. 4)

Gradación Gruesa

Gradación Fina

< 35% pasa el tamiz 4.75 > 35% pasa el tamiz 4.75 < 40% pasa el tamiz 4.75 > 40% pasa el tamiz 4.75 < 35% pasa el tamiz 2.36 > 35% pasa el tamiz 2.36 < 40% pasa el tamiz 2.36 > 40% pasa el tamiz 2.36 < 45% pasa el tamiz 2.36 > 45% pasa el tamiz 2.36 Gradación no estandarizada por Superpave

HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA

La Tabla 4.3 presentan algunas ventajas de las un tipo de mezclas con respecto a la otra.

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Tabla 4.3 Ventajas de la Mezclas Densas Gruesas y Finas Gradación Fina Baja permeabilidad Trabajabilidad (TMN < 25mm)

Gradación Gruesa Permite espesores cerca de (TMN < 25mm) Textura macro incrementada (TMN < 25mm)

Espesor delgado (TMN < 25mm) Buena durabilidad para bajos volúmenes de tráfico (TMN < 25mm) Textura lisa (TMN < 25mm) HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA

Características Se considera que las mezclas densas HMA son usadas de manera efectiva en todas las capas del pavimento y para todas las condiciones de tráfico. Una mezcla densa puede ser usada para cumplir con alguna o todas de las siguientes necesidades del proyectista: Estructural Este es el primer objetivo de las mezclas densas y es la principal función de los espesores de capa. Fricción Esta es una consideración importante para superficies gruesas. La fricción es una función del agregado y las propiedades de la mezcla. Nivelación Estas mezclas pueden ser usadas en capas delgadas o gruesas para llenar depresiones en la carretera. Materiales La Tabla 4.4 proporciona una guía de los materiales empleados en mezclas densas.

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Tabla 4.4 Materiales empleados en Mezclas Densas Capa Superficial

Material Agregado Ligante asfáltico Otros

Intermedia/ ligante

Agregado Ligante asfáltico Otros

Base

Agregado Ligante asfáltico Otros

Tráfico bajo ƒ Grava (limitada) ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ Típicamente no modificada ƒ Se pueden hacer modificaciones para tráfico pesado , intersecciones para tráfico alto. ƒ RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) ƒ Antistripping si los ensayos lo indican ƒ Grava (limitada) ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ Típicamente no modificado

Tráfico medio ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ Típicamente no modificada

Tráfico alto

ƒ Probablemente modificado ƒ Asfaltos no modificados basados en experiencias locales

ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos

ƒ RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado) ƒ Antistripping si los ensayos lo indican No estandarizado No estandarizado ƒ Típicamente no modificada No estandarizado

ƒ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos ƒ RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado) ƒ Antistripping si los ensayos lo indican

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Las mezclas densas se diseñan en los EE.UU. usando el método Superpave. Las Fotos 4.1 y 4.2 ilustran muestras densas. El método Marshall aún se utiliza en el Perú. Información sobre el Marshall, puede remitirse al “Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I” de S. Minaya y A. Ordóñez en la Biblioteca de la FIC-UNI.

Foto 4.1 Núcleo de muestra de 25.0 mm de mezcla densa

Foto 4.2 Muestras de 12.5 mm (izquierda) y 9.5 mm (derecha) de mezcla densas diseñadas con Superpave

Espesores recomendados La Fig. 4.5 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas densas.

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Fig. 4.5 Espesores mínimos recomendados para mezclas densas 4.7 STONE MASTIC ASPHALT (SMA) Las mezclas tipo SMA introducido en los EE.UU. en los años noventa y últimamente en Canadá. Las mezclas SMA cada vez tiene mayor aceptabilidad, sobre todo en lugares de climas fríos y para niveles de tránsito pesado. El SMA es de origen alemán de los años sesenta y su propagación en Europa ha sido vertiginosa. El tipo de mezcla par americano viene a ser el gap-graded. La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años en los EE.UU. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gapgraded se muestra en la Fig. 4.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la Fig. 4.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm (No. 200). Al igual que en las mezclas opengraded, la temperatura de descarga de la mezcla debe ser controlada para prevenir el draindown del ligante durante el almacenamiento o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con mezclas SMA para prevenir el draindown. SMA es una mezcla asfáltica en caliente tipo gap-graded que maximiza la resistencia a las deformaciones permanentes y durabilidad con un estable esqueleto de piedra-piedra junto con una mezcla rica en cemento asfáltico, filler y agentes estabilizadores como fibras y/o asfaltos modificadores. SMA es un pavimento desarrollado en Europa, específicamente en Alemania, para incrementar la resistencia a las deformaciones permanentes y evitar el desgaste de llantas con cadenas en climas gélidos. Las mezclas SMA tiene un alto costo inicial debido al mayor porcentaje de asfalto y el uso de agregados más resistente. Sin embargo, este mayor costo inicial puede ser más que compensado con el incremento de la resistencia a las deformaciones permanentes bajo cargas de tráfico medio a alto. Además, se incrementa la durabilidad y se evita el agrietamiento por fatiga. Algunos reportes incluyen disminución del ruido al paso de las llantas y mejor resistencia friccionante por su textura superficial gruesa. El agrietamiento reflejado en las mezclas SMA con frecuencia no es severo como en las mezclas densas porque el agrietamiento tiene menor tendencia a esparcirse. Función Como se mencionó líneas arriba, el principal propósito de las mezclas SMA es mejorar su comportamiento ante las deformaciones permanentes e S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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incrementar su durabilidad. Además, estas mezclas son exclusivamente usadas por su superficie gruesa bajo tráfico alto. En casos especiales como tráfico lento de vehículos y carga pesada, las mezclas SMA pueden emplearse en las capas intermedias. El estado de Georgia, usa frecuentemente mezclas de SMA con open-graded friction courses, OGFC como superficie de desgaste. Materiales SMA es una mezcla de alta calidad de sus materiales. Agregados cúbicos, baja abrasión, piedra chancada y arena preparada porque la mezcla se beneficia más del desarrollo de la resistencia del esqueleto de agregado piedra-piedra. El 100% de los agregados deben tener una o más caras fracturadas. No se permite el uso de arenas naturales. Los agregados deben tener alto valor al pulimento para tener buena resistencia al patinaje. La matriz de arena, asfalto, filler mineral, y aditivos también es importante en su comportamiento. Las arenas chancadas, filler mineral, y aditivos (fibras y/o polímeros) rigidizan la matriz que es una importante propiedad en este tipo de mezclas. El filler mineral y aditivos también reducen la cantidad de asfalto que drena hacia abajo en la mezcla durante la construcción, incrementando la cantidad de asfalto usado en la mezcla, mejorando así su durabilidad. En la Tabla 4.5 se da una guía general de los materiales usados en las mezclas SMA.

Tabla 4.5 Materiales para Mezclas SMA Capa Superficial e intermedia /ligante

Material Agregado

Ligante asfáltico Otros

Tráfico medio Tráfico alto ƒ Grava chancada ƒ Piedra chancada ƒ Arena chancada ƒ Filler mineral ƒ Asfalto modificado ƒ Asfalto modificado ƒ El asfalto no modificado ƒ Asfaltos no modificados puede ser usado para dependiendo de la tráfico bajo. experiencia local. ƒ Fibras ƒ Antistrip en la cantidad definida en laboratorio

En la tabla 4.6 se presenta un rango típico de granulometría SMA, presentado en el Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction.

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Tabla 4.6 Granulometría Típica para Mezclas Tipo SMA Tamiz de Diseño 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 0.60 mm 0.30 mm 0.075 mm 0.020 mm

Porcentaje que Pasa 100 85-95 Máx. 75 20-28 16-24 12-16 12-15 8-10 Menos que 3

Diseño de Mezclas El procedimiento de compactación Marshall y Superpave pueden ser usados para el diseño de mezclas SMA. Espesores Mínimos La Fig. 4.6 muestra el rango mínimo recomendado para las mezclas SMA de acuerdo al tamaño máximo nominal de partículas.

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Fig. 4.6 Espesores mínimos recomendados para mezclas SMA

La Tabla 4.7 presenta que mezclas tipo SMA son apropiadas para diferentes capas y el propósitos por el que se usan.

Tabla 4.7 Aplicaciones de Mezclas Tipos SMA Mezcla propuesta Tamaño máximo nominal del agregado Capa superficial Capa intermedia

9.5 mm ƒ Desgaste superficial ƒ Fricción ƒ Estructura ƒ Lisura No

12.5 mm

19 mm

No

ƒ Estructura

La foto 4.3 ilustra la diferencia en la estructura de agregados entre mezclas densas diseñado con el Superpave y una mezcla SMA.

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Foto 4.3 Diferencia entre mezcla densa y SMA 4.8 MEZCLAS OPEN-GRADED En los Estados Unidos, desde 1950, se emplean las mezclas OGFC para mejorar la resistencia friccionante, minimizar los encharcamientos (acumulaciones superficiales de agua), reducir las salpicaduras y emanaciones de vapor, mejorar la visibilidad nocturna y disminuir el ruido. En 1974 la FHWA desarrolló un procedimiento de diseño de mezclas OGFC usado por varios estados. Muchos departamentos de transportes reportaron un comportamiento aceptable. Con un buen diseño de mezclas y buena práctica constructiva, las mezclas OGFC no deben tener problemas de raveling o delaminación y deben mantener su alta permeabilidad y macro textura. La NCAT investigó una nueva metodología de diseño de mezclas para OGFC y evaluó el tipo de fibra que se incorpora en estas mezclas para evitar el escurrimiento. Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (Fig. 4.1b). Las mezclas opengraded se diseñan para que sean permeables, mejorando las condiciones de manejo al permitir el drenaje del agua a través de su estructura porosa. Además, minimiza el encharcamiento durante las lluvias. Se tienen dos tipos de mezclas open-graded. La primera comprende mezclas con superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reducir las salpicaduras de las llantas y los ruidos de las llantas; este tipo de mezcla frecuentemente se define como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC -19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.)- y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de mezclas open-graded friction course, OCFG es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia entre estos dos tipos de mezcla es la gradación de los agregados. Los asfaltos con caucho

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Tipos de Mezclas Asfálticas

incorporados o rubberized se usan con frecuencia en la producción de mezclas OGFC para mejorar la capacidad de adhesión del asfalto al agregado. Aunque el contenido de vacíos es alto, el espesor de la película de asfalto es típicamente mayor que para las mezclas HMA de gradación densa. El contenido de asfalto total para mezclas OGFC es similar o ligeramente mayor que las mezclas densas con el mismo tamaño máximo de agregados. El procedimiento de diseño de mezclas OGFC consiste en seleccionar el contenido de asfalto necesario para un espesor de película de asfalto seleccionado. Una de las propiedades que generalmente se evalúan en el diseño de mezclas es su capacidad drenante a través de la matriz del agregado. La FHWA recomendó las siguientes gradaciones OGFC: Tamiz ½” (12.5 mm) 3/8” (9.5 mm) no.4 (4.75 mm) no.8 (2.36 mm) no.200 (0.075 mm)

%pasa 100 95-100 30-50 5-15 2-5

El contenido de asfalto se calcula con la capacidad superficial (Kc) del agregado retenido en el tamiz no.4 (4.75 mm). Kc se calcula con el porcentaje de aceite grado SAE no.10 retenido por el agregado que representa el efecto total del área superficial, las propiedades de absorción del agregado y rugosidad superficial. La capacidad de vacíos del agregado grueso es determinada utilizando un equipo de compactación vibratorio. La cantidad óptima de agregado fino es la que llena los vacíos entre las partículas de agregado grueso. La mezcla de agregados debe proporcionar el suficiente espacio para el contenido de asfalto requerido e interconectar los vacíos para el drenaje. El procedimiento de la FHWA establece temperaturas de mezcla óptima sobre la base de ensayos de drenaje realizados a diferentes temperaturas. . El empleo de asfaltos con caucho incorporados o rubberized con ligante resulta en temperaturas de mezcla generalmente mayores que las mezclas convencionales de asfalto. La temperatura de mezcla muy alta permite que el ligante drene a través del agregado, resultando en una alta variación del contenido de asfalto en la mezcla, formando manchas sobre el pavimento. Si la temperatura de mezcla es muy baja, el agregado no será completamente recubierto. El problema del drenaje de asfalto depende del tiempo de almacenamiento del OGFC. Un largo periodo de almacenamiento resulta en excesivo drenaje de asfalto a través de la mezcla. Cuando la mezcla tipo OGFC es almacenada en un silo por corto periodo de tiempo, el drenaje no ocurre.

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El asfalto puede tender a drenar a través del agregado durante el transporte, desde la zona de mezclado hasta la obra. Si esto ocurre, el asfalto puede salirse del camión que lo transporta o puede formar un charco en la base del camión y causar una gran mancha debajo en el fondo de la mezcla cuando se descarga. Así, el asfalto del fondo resulta en una mancha sobre la superficie del pavimento. Cuando el OGFC llega al lugar de colocación, tiende a verse abundante debido al mayor espesor de película y la escasez de material fino. Esto es normal. Por lo general el espesor de OGFC colocado en obra es de ¾” (19 mm) usando gradación de tamaño máximo ½” (12.5 mm). Las mezclas OGFC no se usan sobre superficies de pavimentos desniveladas. El pavimento deberá ser nivelado con una mezcla de gradación densa. Otro problema que ocurre cuando se recapea pavimentos desnivelados es el daño sobre mezclas de espesor menor de ¾ pulg. ó 19mm. El OGFC no se coloca en climas fríos. Severas fallas se atribuyen a la pérdida de vínculo entre el OGFC y la superficie existente porque se colocó en climas fríos. Muchos estados especifican temperatura mínima de aire entre 60 y 70ºF (16 a 21ºC) para la colocación de mezclas OGFC. No se especifica densidades para mezclas OGFC. El procedimiento normal de compactación es 2 a 3 pasadas sobre la superficie con rodillo con llanta de acero. No se deben utilizar rodillos compactadores vibratorios o neumáticos. El rodillo vibratorio degrada el agregado y el rodillo neumático tiende a levantar el asfalto, especialmente cuando se usa asfalto rubberized. Otro problema con el rodillo neumático es que cierra excesivamente los vacíos debido a la acción de las llantas. Los valores bajos de vacíos no permiten un buen drenaje del agua a través de la superficie. El control de calidad de mezclas OGFC es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia es que no requieren controles de compactación de campo o laboratorio. Los ensayos generalmente realizados son: contenido de asfalto, granulometría, espesor y lisura. Estos ensayos se realizan rutinariamente para asegurar una mezcla satisfactoria. El proceso de control de calidad de campo debe ser realizada por un supervisor con experiencia en este tipo de mezclas. Las fallas más frecuentes que pueden ocurrir son: drenaje de asfalto, levantamiento de la mezcla detrás de la pavimentadora y el procedimiento inapropiado de compactación. La superficie del OGFC debe mostrar una adecuada resistencia al patinaje, sobre todo en climas lluviosos. Existen muchos estudios que indican problemas de stripping en la capa donde reposa el OGFC. Para salvar este problema, se usan agentes antistripping en las capas inferiores. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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friction course, OGFC para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La diferencia de las mezclas open-graded con las mezclas densas y SMA, es que estas mezclas usan solamente piedra chancada o, en algunos casos grava chancada con pequeño porcentaje de arena chancada. Se recomienda el uso de asfaltos modificados y fibras. Esto incrementa la cantidad de asfalto que puede ser usado con estas mezclas, mejorando su durabilidad y comportamiento. Materiales La Tabla 4.8 proporciona una guía general de los materiales usados en mezclas open-graded. Tabla 4.8 Materiales de Mezclas Open-graded Capa OGFC

Material Agregado Ligante asfáltico Otros

Tráfico medio Tráfico alto Piedra chancada, Grava chancada y Arena chancada Asfalto modificado Fibras y agentes antistripping

Espesores Mínimos La Fig. 4.7 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas open-graded.

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Fig. 4.7 Espesores Mínimos de mezclas open-graded

La Tabla 4.8 presenta el tipo de mezcla apropiada para diferentes capas y el propósito para el que se usan.

Tabla 4.8 Aplicación de tipos de mezclas open-graded Propósito Tamaño máximo nominal del agregado Capa superficial Capa base

9.5 mm

12.5 mm

ƒ Desgaste superficial ƒ Fricción ƒ Reducción de ruidos ƒ Reducción de salpicaduras No No

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19 mm

No ƒ Drenaje

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