Diseño de Mezclas Asfálticas

Tipos de Mezclas Asfálticas

Mezclas densas Va20% Diseño : Cántabro

Autopista Bs.As.-Mar del Plata Tramo de 100 Km de Mezcla Porosa

• Cemento asfáltico : 4,2-4,4 % • Va > 22%

Dr. Jorge Agnusdei, VII Congreso Nacional del Asfalto

DISEÑO DE MEZCLAS CARACTERISTICAS

Densidad de la mezcla Vacíos de aire Vacíos en el agregado mineral Contenido de asfalto

PROPIEDADES CONSIDERADAS EN EL DISEÑO Estabilidad Durabilidad Impermeabilidad Trabajabilidad Flexibilidad Resistencia a la fatiga Resistencia al deslizamiento

Diseño de Mezclas 1.- Relaciones volumetricas en HMA 2.- Diseño de Mezclas Convencionales 3.- Diseño de Mezclas Superpave 4.- Diseño de Mezclas SMA

1.- Relaciones Volumétricas en HMA

• • • •

Gravedad Específica Seca Bulk Gravedad Específica SSS Bulk Gravedad Específica Seca Aparente Absorción

Agregado grueso Agregado fino Filler

• Gravedad Esp. Teór. Máx. (RICE) • Gravedad Específica Efectiva

Mezcla suelta

• Gravedad Específica Seca Bulk de HMA compactada

Mezcla compactada

Gravedades Específicas en los Agregados

Vpp

Esquema pesovolumen de la partícula de agregado

Vap Vpp-Vap

Vs Ws

Gravedad Específica Seca Bulk

Vacíos impermeables

Wss Gsb= (Vss+Vpp)

Volumen Suelo Seco (Vss) Vacíos permeables (Vpp)

Gravedad Especifica Saturada Superficialmente Seca Bulk Vacíos impermeables

Gsssb=

Wsss (Vs+Vpp)

Volumen Suelo Seco (Vss)

Vacíos permeables (Vpp)

Gravedad Específica Seca Aparente

Vacíos impermeables

Gsa=

Wss Vss

Volumen Suelo Seco (Vss) Vacíos permeables

ENSAYO DE GRAVEDAD ESPECIFICA AGREGADO GRUESO ASTM C127 Y AASHTO T85

GRAVEDAD ESPECIFICA AGREGADO GRUESO

CALCULO DE GRAVEDADES ESPECIFICAS AGREGADO GRUESO Gravedad Específica Seca Bulk Gsb =

A B -C

Gravedad Específica Saturada Superficialmente Seca Bulk B

Gsssb =

B-C

Gravedad Específica Aparente Gsa =

A A-C

Absorción de Agua, % Absorción, % =

B-A A

x 100 A = peso seco horno B = peso sss C = peso bajo agua

ENSAYO DE GRAVEDAD ESPECIFICA AGREGADO FINO ASTM C128 Y AASHTO T84

GRAVEDAD ESPECIFICA AGREGADO FINO

CALCULO DE GRAVEDADES ESPECIFICAS AGREGADO FINO Gravedad Específica Seca Bulk Gsb =

A B+S-C

Gravedad Específica Saturada Superficialmente Seca Bulk Gsssb =

S B+S-C

Gravedad Específica Aparente Gsa =

A B+A-C

Absorción de Agua, % Absorción, % =

S-A A

x 100

A = peso seco horno B = peso picnómetro lleno con agua C = peso del picnómetro, agregado sss y agua S = peso del agregado sss

Conclusiones : • La diferencia entre la Gsb y Gsa es el volumen del agregado usado en los cálculos. La diferencia entre esos dos volumenes es igual al Vpp. • La diferencia entre la Gsb y Gsssb es el peso del agregado usado en los cálculos. La diferencia entre esos dos pesos es igual al peso del agua que ocupa los Vpp.

Gravedad Específica en la Mezcla Suelta

Gravedad Específica Teórica Máxima, RICE Vacíos impermeables

Wmezcla suelta Gmm= Vmezcla suelta

Vacíos permeables llenos de asfalto

Vacíos permeables que no se llenaron de asfalto

Ensayo Rice en el Laboratorio Wfrasco con agua=B

Wmuestra al aire =A

Ensayo Rice en el Laboratorio (cont….)

Wfrasco, agua y mezcla=C

Gmm=

A A+B-C

Gravedad Específica Efectiva Gse= Vacíos impermeables

Wss (Vs+Vpp-Vap)

Gse=

Ps Pmezcla - Pb Gmm Gb

Ps = % agregado del peso total de la mezcla Pb = % asfalto del peso total de la mezcla Pmez = % de la mezcla total (100%)

Vacíos permeables llenos de asfalto

Vacíos permeables que no se llenaron de asfalto

Ejemplo 1: Se tiene una muestra de 100 cm3, cuyo peso seco al aire es de 234.5 gr. Su volumen de vacíos es 10 cm3 y el volumen que alcanza a absorber asfalto es de 4 cm3. Calcular los diferentes pesos específicos.

Vpp=10 cm3 100 cm3

Vpp-Vap

Ws=234.5 g

Vs

Vap=4cm3

Gsa = Wss/Vs = 234.5/90 = 2.605 gr/cm3 Gsb = Wss/(Vs+Vpp) = 234.5/(90+10) = 2.345 gr/cm3 Gse = Wss/(Vs+Vpp-Vap) = 234.5/(90+10-6) = 2.442 gr/cm3

Ejemplo 2: Se desea combinar dos agregados en iguales proporciones de peso según especificaciones. Gsb de los agregados 1 y 2 son 2.5 y 3 gr/cm3. Determinar la Gsb de la combinación.

Solución: Gsb =

P1 + P2 P1 + P2 Gsb1 Gsb2

Gsb =

0.5 + 0.5 0.5 + 0.5 2.5 3

Gsb=2.725 gr/cm3

2.- Diseño de Mezclas Densas

Antecedentes

• Objetivos Conseguir una mezcla económica de agregados y asfalto, que cumplan los requisitos de diseño. • Métodos Marshall Hveem

Requisitos en Común • Cantidad de asfalto que asegure un pavimento durable • Estabilidad bajo cargas de tráfico • Suficiente cantidad de vacíos de aire - que permita una ligera densificación bajo cargas de tráfico - pero que sea lo suficientemente bajo para evitar fisuras en la carpeta • Trabajabilidad

Diseño de Mezclas Marshall

Diseño de Mezclas Marshall • Desarrollado por Bruce Marshall para el DOT Mississipi por los años 30. • Evalúa los efectos de la compactación - Nº de golpes, diseño de cimentación, etc. - Se decidió usar compactador de 10 lb, con 50 ó 75 golpes en cada cara de la briqueta. - 4% de vacíos luego de las cargas de tráfico • Se establecieron criterios iniciales que fueron modificados con el incremento de las presiones en las llantas y cargas

Diseño de Mezclas Marshall • Seleccionar y evaluar los agregados de la mezcla. • Seleccionar y evaluar el cemento asfáltico - Determinar las temperaturas de mezcla y compactación • Preparación de los especímenes Marshall - Calentar y mezclar el cemento asfáltico con agregado - Compactar los especímenes (100 mm de diámetro)

Temperatura de Mezcla y Compactación Viscosidad, Pa s 10 5

1 .5 .3 .2 .1

Tº de compactación Tº de mezcla

100

110

120

130

140

150 160

Temperatura, ºC

170 180 190 200

Equipo de Compactación

Eyector de muestras

Mordaza

Equipo de Estabilidad y Flujo

Mezclas de gradación densa

Propiedades Volumétricas de Mezclas Compactadas

Las propiedades volumétricas de las mezclas compactadas proporcionan algún indicativo del probable comportamiento del pavimento en servicio, estas son: vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto (VFA), contenido de asfalto efectivo (Pbe)

Estos conceptos se aplican tanto a mezclas compactadas en laboratorio como a especimenes no disturbados extraídos de campo.

Ilustración de gravedades específicas en mezclas compactadas

Esquemáticamente:

Donde: Vma = Volumen de vacíos en el agregado mineral Vmb = Volumen bulk de la mezcla compactada Vmm = Volumen de la mezcla suelta Vfa = Volumen de vacíos llenos de asfalto (volumen de asfalto efectivo) Va = Volumen de vacios llenos de aire (Vfa+Va = Vma) Vb = Volumen de asfalto Vba = Volumen de asfalto absorbido Vsb = Volumen del agregado mineral (para Gsb) Vse = Volumen del agregado mineral (para Gse)

Definiciones: VMA (voids in the mineral aggregate) Se define como el volumen ocupado por el asfalto efectivo y los vacíos de aire. Se expresa como un porcentaje del volumen total de la muestra.

Definiciones (cont..) : Pbe (Effective Asphalt Content) Es el contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto que se pierde por absorción dentro de la partícula de agregado.

Definiciones (cont..) : Va (Air Voids) Es el volumen de aire atrapado en la mezcla compactada. Se expresa como un porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada.

Definiciones (cont..) : VFA (Voids Filled with Asphalt) Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo ó el porcentaje de VMA ocupado por asfalto.

GRAVEDAD ESPECIFICA SECA BULK DE LA MEZCLA ASFALTICA COMPACTADA

Cemento asfáltico mezclado con agregado y compactado en una briqueta

W especimen seco al aire Gmb= V del especimen

Obtener el Peso de la Briqueta Seca Compactada

ENSAYO DE GRAVEDAD ESPECIFICA SECA BULK DE LA MUESTRA

Gmb =

A B-C

A = Peso de la muestra seca B = Peso de la muestra SSS C = Peso de la muestra bajo el agua

Obtener el peso de la briqueta Saturada Superficialmente Seca

ENSAYO DE GRAVEDAD ESPECIFICA SECA BULK DE LA MUESTRA

Procedimiento de Análisis de Mezclas Compactadas (a) Medir la gravedad específica bulk de los agregados grueso y fino. (b) Medir la gravedad específica del cemento asfáltico y del filler mineral. (c) Calcular la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla. (d) Medir el RICE.

Procedimiento de Análisis de Mezclas Compactadas (cont….) (e) Medir la Gravedad Específica Bulk de la mezcla compactada. (f) Calcular la Gravedad Específica Efectiva del Agregado. (g) Calcular la Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto.

Procedimiento de Análisis de Mezclas Compactadas (cont….) (h) Calcular el porcentaje de asfalto absorbido por el agregado, Pba. (i) Calcular el contenido de asfalto efectivo de la mezcla, Pbe. (j) Calcular el porcentaje de vacíos de la mezcla compactada, VMA. (k) Calcular el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada, Va (l) Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto, VFA.

Ejemplo de Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente

Datos básicos para muestras de mezclas asfálticas

1º Gravedad específica bulk de la combinación de agregados, Gsb Gsb =

P1 + P2 P1 + P2 Gsb1 Gsb2

Gsb =

0.5 + 0.5 0.5 + 0.5 2.716 2.689

Gsb=2.703 gr/cm3

2º Gravedad específica efectiva del agregado, Gse Gse=

Gse=

Ps Pmezcla - Pb Gmm Gb 94.7 100 - 5.3 2.535 1.03

Gse=2.761 gr/cm3 Ps = % agregado del peso total de la mezcla Pb = % asfalto del peso total de la mezcla Pmez = % de la mezcla total (100%)

3. Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto Gmm=

1 1-Pb + Pb Gse Gb

Por ejemplo para un contenido de asfalto del 4%:

Gmm=

1 1-0.04 + 0.04 2.761 1.03 Gmm=2.587 gr/cm3

4. Porcentaje de Asfalto Absorbido, Pba Pba=

Gse - Gsb

x Gb x 100

Gse Gsb

Pba=

2.761-2.703

x 1.030x100 = 0.8%

2.761x2.703 Pba se expresa como porcentaje en peso del agregado.

5. Porcentaje de Asfalto Efectivo, Pbe Pbe= Pb-

Pba Ps 100

Pbe= 5.3%-

0.8% x 94.7%

= 5.3%-0.758%=4.5%

100 Pbe se expresa como porcentaje en peso de la mezcla.

6. Porcentaje VMA en Mezcla Compactada VMA= 100 1-

Gmb (1-Pb) Gsb

VMA= 100 1-

2.442(1-0.053)

=100 (1-0.855)=14.4%

2.703 VMA se expresa como un porcentaje del volumen total de la mezcla.

7. Porcentaje de Vacíos de Aire en la Mezcla Compactada, Va = VTM Va= 1-

Gmb

x 100

Gmm VTM = Va= 1-

2.442

x 100=3.7%

2.535

Va se expresa como un porcentaje del volumen total de la mezcla.

8. Vacíos Llenos con Asfalto, VFA VFA=

VMA-VTM

x 100

VMA VFA=

14.4-3.7

x 100 = 74.3%

14.4

VFA se expresa como un porcentaje del VMA.

Tabulación y Gráfico de los Resultados

Optimo contenido de asfalto • Es la cantidad de asfalto que forma una membrana alrededor de las partículas, de espesor suficiente para resistir los elementos del intemperismo, evitando que el asfalto se oxide con rapidez. Por otro lado, no debe ser tan gruesa, porque la mezcla perdería estabilidad, deformándose excesivamente por flujo plástico y no soportaría las cargas de los vehículos.

Criterios de Diseño Marshall Tráfico Ligero (ESAL106)

Mín

Mín

Máx

Máx

Compactación 35

50

75

Estabilidad, lb(N)

750(3336)

1200(5338)

1800(8006)

Flujo, 0.25 mm

8

18

8

16

8

14

% VTM ó Va

3

5

3

5

3

5

Nº golpes/lado

% VMA % VFA

Varia con el tamaño del agregado 70

80

65

78

65

75

VMA min, % Tamaño Máximo Nominal

% Va de diseño

mm

in

3.0

4.0

5.0

1.18

No.16

21.5

22.5

23.5

2.636

No.8

19.0

20.0

21.0

4.75

No.4

16.0

17.0

18.0

9.5

3/8”

14.0

15.0

16.0

12.5

1/2

13.0

14.0

15.0

19.0

¾”

12.0

13.0

14.0

25.0

1.0

11.0

12.0

13.0

37.5

1.5

10.0

11.0

12.0

50

2.0

9.5

10.5

11.5

63

2.5

9.0

10.0

11.0

PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO

2.290 2.280

Método de la NAPA

2.270 2.260 2.250 2.240 2.230 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ES TABILIDAD V S . % DE AS FALTO

ASFALTO (%) 2900 2850 2800 ESTABILIDAD (Lb)

PESO ESPECIFICO (gr/cm3)

2.300

2750

2750 2700 2650 2600 2550 2500 6,9

2450 2400 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

ASFALT O (%)

7.0

7.5

8.0

FLUJO VS. % DE ASFALTO

17 16

14 14 13 12 11 6,9

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

10 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

9.0 8.0 7.0

VACIOS VTM (%)

FLUJO (0.01")

15

6.0 5.0

4,0

4.0 3.0 2.0 1.0

6,9

0.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

VOLUMEN LLENO CON ASFALTO VFA (%)

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO 100.0 90.0 79 80.0 70.0 60.0 50.0 6,9 40.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO

ASFALTO (%)

21.0 20.0 18,6

19.0 18.0 17.0 16.0

6,9 15.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

3.- Diseño de Mezclas Superpave

Etapas del Sistema Superpave

Considera tres etapas: • • •

Selección de Materiales (Agregados y Ligante) Diseño de la Estructura Granular Determinación del Contenido de Ligante

Selección de materiales Propiedades Consensuales (agregado): Angularidad del agregado fino. • Partículas chatas y alargadas • Equivalente de arena • Porcentaje de caras fracturadas del agregado grueso Propiedades de Fuente (agregado): • Abrasión Los Angeles • Ensayo de durabilidad Asfalto • Propiedades reológicas del asfalto

Diseño de la estructura granular Carta potencia 0.45 para TM 19 mm línea máx. densidad

80

40

tamaño máx nominal

tamaño máx

19

60

12.5

zona restringida

puntos control

20

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0 0.075 0.15 0.3

Porcentaje que pasa

100

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Determinación del contenido del ligante

Presión de pisón 600 kPa

Molde 150 mm 1.25º

30 rev/min

Optimo Contenido de Ligante asociado a Va=4%

4.- Diseño de Mezclas SMA

Referencia histórica Las mezclas SMA fueron concebidas para resistir el ahuellamiento y abrasión de neumáticos que llevan cadenas, clavos, etc., usados en carreteras cubiertas por nieve. Nace en julio de 1968. Compuesta por 75% piedra, 15% arena, 10% filler y 7% asfalto. Escurrimiento durante la etapa de mezclado, para evitarlo se incorporaron fibras como aditivo estabilizante. Las mezclas SMA están normalizadas desde 1984 en Alemania con la última actualización en 2001 (ZTV Asphalt-StB 01).

Referencia histórica (cont.) En EE.UU desde 1991 se han construido autopistas con este tipo de mezcla, y están verificando su excelente comportamiento ante deformaciones permanentes y agrietamientos por fatiga. En Argentina se han construido carpeta con mezcla SMA en la autopista Ricchieri que corresponde al acceso sur de la ciudad de Buenos Aires. Otra zona en la que se aplicó fue el corredor bioceánico, Ruta Nacional 8, que atraviesa de Este a Oeste la república y se nutre de tráfico pesado del Brasil y Chile.

Referencia histórica (cont.) En Brasil (2000) con SMA se recapeo el autodromo de Interlagos en Sao Paulo, de 3 cm de espesor, se empleo asfalto modificado con polímero SBS al 6.0%, contenido de ligante de 6.7%, 0.5% de fibra celulosa y filler calcáreo. En 2001 se revistió la pista experimental en la vía Anchieta (600 m), tramo de fuerte pendiente y en curva, donde los vehículos pesados pasan a baja velocidad, deteriorando el pavimento de manera prematura; las evaluaciones realizadas en 2003 indican que el tramo pavimentado tiene un excelente comportamiento mecánico.

Ensayo de escurrimiento

Mezcla SMA : %Va = 4%