PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS PARA ENSAYO

Número de muestras: Por lo menos 3 para cada contenido de asfalto. Chequeo y preparación de agregados: - Determinar la gradación de los agregados propuestos, de acuerdo a los métodos de ensayo C-117 y C-136 de la ASTM. - Determinar el peso específico Bulk y el aparente de los agregados, de acuerdo a los métodos de ensayo C-127 y C-128 de la ASTM. 

- Seleccionar la dosificación de agregados que cumpla con la curva de densidad máxima para el tamaño máximo de partículas, además que cumpla el requisito del porcentaje mínimo de vacíos en el agregado mineral. 

- Calcular los pesos específicos Bulk y aparente de la combinación de agregados elegida. 

- Determinación de la temperatura de mezclado y de compactación: 

Sobre la base de la curva Viscosidad-Temperatura, se elige la temperatura a la cual el asfalto alcanzará una viscosidad cinemática de 170 

 20 Centistokes para la temperatura de mezclado y 280  30 Centistokes para la temperatura de compactación.

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.

DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO 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). Además se requerirá aproximadamente un galón de asfalto.

CRITERIOS PARA EL PROYECTO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA

Se debe establecer los criterios que se van a considerar para la preparación de la mezcla, de acuerdo a las especificaciones técnicas que regirán el proyecto:
 Porcentaje de vacíos de aire en la mezcla total
 Porcentaje de vacíos llenados con el asfalto
 Porcentaje mínimo de vacíos en el agregado mineral
 Valor mínimo de la estabilidad
 Rango de valores límite de fluencia
Estos criterios se deben ajustar a los valores de proyecto, correspondientes al nivel de tráfico establecido (liviano, mediano y pesado).

Es conveniente, en forma previa, analizar la susceptibilidad de la mezcla al agua, para determinar su comportamiento con relación al desplazamiento de la película de ligante por el agua (“stripping”), que depende del porcentaje de vacíos de aire, a través de los cuales la humedad debe ser secada. 

El resultado final de la etapa de diseño es una tabla donde se muestra, para cada nivel de compactación, el rango de contenidos de asfalto que satisface cada uno de los criterios seleccionados. El proyectista puede ajustar los criterios establecidos al principio, sobre la base de su experiencia personal, hasta que la faja de contenidos de asfalto sea razonable.

MÉTODO MARSHALL

CONSIDERACIONES PRELIMINARES 

El Método de dosificación Marshall desarrollado por el Ing. Bruce Marshall, inicialmente fue utilizado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejercito 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.

MÉTODOS DE DISEÑO

El diseño de mezclas asfálticas en caliente se realiza mediante pruebas de estabilidad, utilizando uno de los siguientes métodos:
- Método Marshall
- Método de Nottingham
- Método Hubbard-Field
- Método Hveem
- Método Triaxial de Smith
- Investigaciones SHRP (“Strategic Highway Research Program”)

ASFALTO ABSORBIDO POR EL AGREGADO

Debe tenerse en cuenta la cantidad de asfalto que absorbe el agregado, ya que el asfalto absorbido no queda disponible como ligante. El asfalto absorbido puede ser calculado por el peso específico máximo teórico (Método Rice) y por el peso específico máximo teórico de la mezcla.

CANTIDAD DE ASFALTO EN LA MEZCLA

Una de las principales funciones del asfalto es mantener los agregados ligados bajo los efectos abrasivos del tránsito, en un amplio límite de temperaturas. Esto solo puede alcanzarse si hay una cantidad suficiente de asfalto para ligar estos agregados. El ensayo de abrasión de California, que mide la resistencia del asfalto contra el desgaste, demuestra que la cantidad de asfalto es más importante que sus características. 

Es importante que el pavimento conserve su flexibilidad a bajas temperaturas, ya que la abrasión y desintegración aumentan con la fragilidad. Además de la resistencia a la abrasión, el pavimento debe también ser resistente a las roturas, las cuales se producen por la falta de flexibilidad o por los esfuerzos de contracción a bajas temperaturas. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda:

a) Uso de asfaltos de baja susceptibilidad térmica.

b) Uso de un asfalto tan blando, como la compatibilidad con la estabilidad lo permita.

c) Uso de gruesas películas de asfalto

TEMPERATURA DE MEZCLA

Tiene una mayor incidencia en el endurecimiento del asfalto. Por ejemplo, en un asfalto de buena calidad, un aumento de 50º F en su temperatura, produce una disminución de 20 puntos en la penetración

EFECTO DEL AGREGADO MINERAL EN LA DURABILIDAD

Las características principales del agregado mineral que afectan la durabilidad, son la dureza, la forma y textura superficial. La forma y la textura superficial, afectan la densidad del pavimento. La gradación se debe mantener constante con un esfuerzo de compactación adecuado. El porcentaje de vacíos depende del tipo de agregado.

EFECTO DEL ASFALTO EN LA DURABILIDAD

El asfalto es el material que ejerce mayor influencia en la durabilidad, debido a que el concreto asfáltico mantendrá su durabilidad, mientras el asfalto mantenga sus propiedades de ligante y de impermeabilizador. 

El asfalto, previamente calentado, cubre el agregado mineral con una película delgada; el proceso de calentamiento ocasiona en el asfalto oxidación y endurecimiento. El endurecimiento se mide por la disminución del valor de la penetración. El endurecimiento puede ser producido por las propiedades del asfalto, por la temperatura de mezcla, por la cantidad de asfalto en la mezcla, y por la densidad del pavimento.

DURABILIDAD

La durabilidad comprende todas las características que permiten una mayor vida de servicio del concreto asfáltico, como ser:
 Resistencia del asfalto a endurecerse durante la operación de mezcla.
 Resistencia al efecto abrasivo del tránsito.
 Resistencia a la acción destructiva de los agentes atmosféricos (aire, agua, cambios de temperatura).
 Flexibilidad suficiente para resistir roturas por la aplicación repetida de las cargas.

EFECTO DE LA DENSIDAD DE LA MEZCLA EN LA ESTABILIDAD

La densidad de una mezcla afecta a la mayoría de las pruebas de estabilidad, sin embargo la estabilidad máxima no ocurre siempre a la densidad máxima determinada antes de la prueba. Un estado más denso puede ocurrir durante la aplicación de la carga, o el porcentaje de asfalto correspondiente a la densidad máxima puede tener un gran efecto lubricante. Además, las temperaturas a las cuales se determinan la densidad y la estabilidad, generalmente, no son iguales.

EFECTO DEL AGREGADO MINERAL EN LA ESTABILIDAD

a. TAMAÑO MÁXIMO DE LOS AGREGADOS En general, a medida que el tamaño del agregado aumenta, la estabilidad aumenta. Por razones de trabajabilidad y apariencia superficial, el tamaño máximo más utilizado es el de ¾ de pulgada. Cuando el porcentaje de agregado grueso es menor de 25 %, el tamaño máximo tiene poca influencia en la estabilidad. 

b. TIPO DE AGREGADO La forma de las partículas del agregado mineral, su textura superficial y su dureza, influencian la estabilidad. Por ejemplo, se puede predecir que una grava con partículas sin trituración, lisas y redondas, producirá menor estabilidad que un material triturado con partículas que tengan una superficie áspera y bordes duros. El tipo de arena y su cantidad, son los factores más importantes que afectan la estabilidad del concreto asfáltico. Cuando la gradación se mantiene constante, la calidad y cantidad de arena tiene una gran influencia en la estabilidad. 

c. GRADACIÓN El porcentaje de vacíos en la mezcla compactada, debe ser lo suficientemente bajo para prevenir infiltraciones de agua, pero suficientemente alto, con el fin de proveer espacios para un aumento de su densidad y para la expansión ocasionada por las temperaturas altas del verano. Por ejemplo, para una mezcla en laboratorio compactada por el método Marshall con 75 golpes, se considera satisfactorio un porcentaje de vacíos entre 3 y 5%. Por esta razón se recomienda elegir agregados que permitan una amplia variación en el porcentaje de asfalto, con un pequeño cambio en el porcentaje de vacíos. Sin embargo, es difícil encontrar mezclas de agregados que permitan variaciones en el contenido de asfalto mayores al 1%. Por otra parte se debe tener en cuenta, que la cantidad de asfalto requerida para producir el volumen necesario de vacíos, depende del volumen de vacíos disponible en el agregado mineral compactado. Por esta razón, es necesario tener el mayor porcentaje de vacíos en el agregado mineral, tanto como la estabilidad especificada lo permita. Se puede obtener un mayor porcentaje de vacíos en el agregado (mayor espacio para el asfalto), aumentando el porcentaje de arena, o disminuyendo el porcentaje de llenante mineral (Filler).

d. LLENANTE MINERAL (FILLER) Es un material no arcilloso que pasa el tamiz No. 200. Se incorpora a la mezcla con el fin de aumentar la estabilidad, y disminuir el porcentaje de asfalto necesario para obtener un determinado porcentaje de vacíos en la mezcla. Es suficiente una cantidad muy pequeña para aumentar la estabilidad, mientras el índice de flujo permanece prácticamente constante. Una pequeña cantidad de llenante mineral, puede reducir el contenido óptimo de asfalto. El llenante mineral es un factor importante que afecta a la durabilidad, por esta razón se debe controlar estrictamente su cantidad y su calidad. 

e. PORCENTAJE DE VACÍOS La disminución del porcentaje de vacíos de una mezcla asfáltica produce una disminución de la porosidad y en consecuencia una disminución de la penetrabilidad del aire y del agua en el pavimento. La primera significa una oxidación más lenta del asfalto, es decir, una mayor durabilidad, y la segunda una menor posibilidad de que se pongan en contacto las fases agua-asfalto-agregado, con lo que se retarda la posibilidad de desintegración del pavimento por la acción del agua, que produce el desprendimiento de la película de asfalto del agregado. Por otra parte, la mezcla compactada debe presentar un volumen mínimo de vacíos, para impedir afloramientos de asfalto y pérdida de estabilidad, como consecuencia de la compactación adicional que produce el tránsito.

CARACTERÍSTICAS DEL ASFALTO

Las características del asfalto, especialmente su consistencia, afectan los resultados de las pruebas de estabilidad. La viscosidad del asfalto entra en juego cuando la aplicación de la carga es muy rápida. En la prueba Marshall, el grado del asfalto, tiene un gran efecto en la estabilidad pero muy poco en el índice de flujo.

EFECTO DEL ASFALTO EN LA ESTABILIDAD (CANTIDAD DE ASFALTO)

Dependiendo de su cantidad en la mezcla, el asfalto puede actuar como un ligante o como un lubricante. Por lo tanto, la estabilidad de una mezcla aumenta con un incremento en el porcentaje de asfalto hasta alcanzar un máximo, después del cual disminuye. El efecto del porcentaje de asfalto varía con el tipo de agregado y en algunos casos es mucho más crítico que en otros.

INFLUENCIA RELATIVA DEL ASFALTO Y DEL AGREGADO MINERAL EN LAS CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO ASFÁLTICO.

En la preparación y colocación del revestimiento asfáltico intervienen un gran número de factores relacionados entre sí, por lo cual no se puede evaluar su calidad considerando separadamente las propiedades del asfalto, y las del agregado. La calidad del pavimento se determinará analizando la mezcla compactada, de acuerdo a las consideraciones siguientes: 

1º Ligante asfáltico: En una mezcla en caliente, el asfalto se encuentra en forma de películas muy delgadas que se han obtenido mediante la aplicación de calor. Por consiguiente, las propiedades del asfalto en película delgada podrían ser diferentes de aquellas del producto a granel, y además, podrían alterarse con la aplicación del calor. El asfalto es sólo uno de los componentes del pavimento que cumplirá apropiadamente sus funciones, solamente si se emplea en la cantidad correcta, con un agregado mineral adecuado, y bajo condiciones apropiadas. 

2º Agregado mineral: Una vez que el agregado mineral ha sido cubierto con asfalto, adquiere características diferentes, por ejemplo, la facilidad con la cual puede compactarse es completamente diferente. Su capacidad de repeler el agua se incrementa de acuerdo al espesor de la película de asfalto. En consecuencia, hay solamente una forma segura de diseñar una mezcla asfáltica, mediante la preparación de mezclas en laboratorio, y la verificación en sitio de que las características físicas establecidas en laboratorio se cumplan en la obra, para garantizar el comportamiento del pavimento

FACTORES QUE DEBEN CONTROLARSE EN LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS

Para que una carpeta sea estable, duradera, impermeable y antiderrapante, se deben controlar los siguientes factores: 

- Granulometría del material pétreo 

- Contenido de asfalto 

- Características del cemento asfáltico 

 GRANULOMETRÍA: 

Existen varias composiciones granulométricas del material pétreo, de acuerdo a las características de la obra y a la especificación técnica utilizada. Las mezclas con un contenido de partículas pétreas de mayor tamaño tienen mayor estabilidad. El tamaño máximo de las partículas no debe ser mayor a ⅔ del espesor de la carpeta.

 CONTENIDO DE ASFALTO: El contenido óptimo para la preparación de la mezcla debe ser el necesario para cubrir con una película de asfalto la superficie de las partículas pétreas, sin llenar completamente los vacíos, ya que éstos deben ser llenados con las partículas más finas.

Por una parte la mezcla debe contener un porcentaje mínimo de vacíos para evitar las exudaciones del asfalto, que pueden provocar la formación de surcos u ondulaciones; por otra parte deberá tener un porcentaje máximo de vacíos, ya que si este valor se excede, se puede ocasionar el endurecimiento del asfalto por efecto de los agentes atmosféricos, dando como resultado una carpeta quebradiza.

 CONSISTENCIA Y CALIDAD DEL CEMENTO ASFÁLTICO: Se debe elegir el cemento asfáltico más adecuado a las condiciones climatológicas del lugar donde se encuentra la obra. Un asfalto muy duro puede dar lugar a un pavimento quebradizo con problemas de desintegración y exceso de agrietamientos. En Cochabamba el cemento asfáltico mas comúnmente usado es el de penetración 85 - 100.