DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MÉTODO MARSHALL

DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MÉTODO MARSHALL 

CONSIDERACIONES GENERALES 

Las mezclas asfálticas están formadas por un material pétreo bien graduado y cemento asfáltico como ligante. Se elaboran en una planta que calienta el material pétreo a una temperatura de 140 ó 150 ºC y el cemento asfáltico a una temperatura de 110 a 130 ºC. Después que el material pétreo esté caliente y seco se mezclan sus componentes de acuerdo a una composición granulométrica aprobada, incorporándole a continuación el cemento asfáltico en una cantidad previamente definida. Las mezclas terminadas se extienden en capas uniformes en el espesor y ancho requeridos, para luego ser compactadas a temperaturas superiores a los 90 ºC. Un pavimento de concreto asfáltico debe cumplir los siguientes objetivos principales: 

a. Suficiente estabilidad en la mezcla como para satisfacer las exigencias del servicio y las demandas del tránsito sin distorsiones o desplazamientos. 

b. Suficiente asfalto para asegurar la obtención de un pavimento durable, que resulte del recubrimiento completo de las partículas de agregado pétreo, impermeabilizando y ligando las mismas entre sí, bajo una compactación adecuada. 

c. Suficiente trabajabilidad como para permitir una eficiente operación constructiva en la elaboración de la mezcla y su compactación.

d. Suficientes vacíos en la mezcla compactada, para proveer una reserva que impida, al producirse una pequeña compactación adicional, afloramientos de asfalto y pérdidas de estabilidad.

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - XI

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - X

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - IX

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - VIII

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - VII

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - VI

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - V

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - IV

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - III

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - II

Ejemplo. Diseñe un pavimentos con superficie de concreto asfáltico, base de mezcla de emulsión asfáltica Tipo III y una base de agregado no tratado de 150 mm en una región climática con MAAT = 15.6°C. MR de la subrasante = 55.2 MPa (8,000 psi) y EAL = 105.

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS - I

Los ábacos del diseño para el diseño de espesor de pavimentos con mezclas de emulsiones asfálticas usadas para todas o parte de las mezclas asfálticas requeridas encima de una base de agregado no tratado no se han preparado. Este método se recomienda: 

(1) Diseñe un pavimento de concreto asfáltico Full-Depth (espesor = TA) para clima apropiado, tráfico y condiciones de subrasante. Asumir una superficie de 50 mm (2 in.) y calcule el espesor de la base correspondiente a (TA - 2). 

(2) Diseñe un pavimento para el mismo clima, tráfico y condiciones de subrasante usando una mezcla de emulsión asfáltica tipo seleccionada (espesor = TE). Asuma una superficie de 50 mm (2 in.) y calcule el espesor de la base correspondiente a (TE - 2). 

(3) Diseñe un pavimento para las mismas condiciones usando concreto asfáltico y el espesor deseado de la base de agregado no tratado (espesor del CA = TU). 

(4) Seleccione la porción del espesor del concreto asfáltico obtenido en el paso (3) que será reemplazado por la mezcla de emulsión asfáltica (TU -ACmin). Nota: Mantenga el espesor mínimo de concreto asfáltico de la Tabla VI.11. (5) Multiplique este espesor por la relación del paso (2) al paso (1) para obtener el espesor de la base de emulsión asfáltica (TEB).

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA PAVIMENTOS CON CONCRETO ASFÁLTICO ENCIMA DE BASE DE AGREGADO NO TRATADA

Los ábacos A-5, A-6, A-11, A-12, y A-18, fueron desarrollados para el diseño de espesor de pavimentos que usan concreto asfáltico encima de una base de agregado no tratada. La calidad de los agregados de la base y de la sub-base puede usarse. (Ver Tabla VI.9.) Sin embargo, un espesor mínimo del material de base de calidad superior de 150 mm (6 in.) debe estar encima del material de la sub-base de más baja calidad. Los ábacos del diseño para dos diferentes espesores de agregado no tratado ha sido incluido: 150 y 300 mm (6 y 12 in.) 

Los espesores de superficie y base de concreto asfáltico requeridos encima del espesor de agregado no tratado pueden leerse directamente de los ábacos. El espesor mínimo recomendado del concreto asfáltico encima de una base de agregado no tratada se relaciona con el tráfico EAL como se muestra en la Tabla VI.12. El espesor mínimo no debe extrapolarse en los ábacos del diseño para regiones de alto tráfico. Algunas agencias emplean los espesores mayores de la base de agregado no tratados para intentar minimizar el potencial daño de heladas en el pavimento. 

Aunque espesores mayores a 300 mm (12 in.) se usan con este propósito, los estudios de análisis de pavimentos han mostrado que este espesor adicional añade un beneficio pequeño a cualquier conducta estructural del sistema del pavimento. Se recomienda que los dos requisitos de diseño, para la conducta de helada y la anomalía estructural, se combinen con juicio ingenieril basado en la experiencia pasada. Reduciendo el espesor de concreto asfáltico debido a grandes espesores de agregados no tratados se descorazona porque el potencial para otros problemas del pavimento aumentará.

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA PAVIMENTOS DE BASES DE EMULSIONES ASFÁLTICAS

De los ábacos A-8 a A-10 puede usarse para diseñar pavimentos de asfalto con los tres tipos de capas de bases de emulsiones asfálticas. Los ábacos del diseño asumen períodos de curado de 6 meses. Los períodos de curado superiores a 24 meses no tendrán influencia significante en los requisitos del espesor de diseño. 

Los ábacos proveen el espesor combinado de la superficie y de la base de concreto asfáltico, o de la superficie de emulsiones asfálticas con superficies tratadas, y de la base de emulsiones asfálticas. El espesor de concreto asfáltico (o base de emulsiones asfálticas Tipo I con superficie tratada) para ser usado con la base de emulsiones asfálticas (encima de bases Tipos II o III) se obtiene de la Tabla VI.11.

Ejemplo. Asuma estas condiciones:

Módulo de Subrasante: MR = 41.4 MPa

Clima: MAAT = 15.6°C (60°F)

Tráfico del diseño: EAL = 106

De los ábacos de diseño de base de emulsiones asfálticas asignados los espesores totales obtenidos son:

Si el Tipo I es seleccionado, sólo un tratamiento de superficie es requerido. Para el Tipo II o III, el espesor mínimo de concreto asfáltico o mezcla de emulsión asfáltica Tipo I con un tratamiento de superficie es 75 mm (3 in.) para EAL = 106 (Tabla VI.10). La diferencia entre el espesor total y 75 mm (3 in.) determina el espesor de la base de emulsión asfáltica:

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFÁLTICO FULL-DEPTH

La selección de espesor para pavimentos de concreto asfáltico Full-Depth puede hacerse usando el ábaco de diseño A-7. En este ábaco se introduce los valores de tráfico apropiado EAL y los valores MR de la subrasante del diseño previamente seleccionada. Los espesores de pavimento de concreto asfáltico Full-Depth puede leerse directamente al 25 mm más cercano (1 in. más cercano) o menos.

Del ábaco A-7 se determinó que el espesor de diseño de concreto asfáltico Full-Depth es igual a 240 mm de superficie y base de concreto asfáltico.

ESPESOR MÍNIMO DE HORMIGÓN DEL ASFALTO

Cuando el concreto asfáltico se usa encima de base de emulsiones asfálticas de Tipo II ó Tipo III, se recomienda los espesores mínimos de concreto asfáltico de la Tabla VI.11. Las sustituciones de mezclas de emulsiones asfálticas Tipo I pueden hacerse como se indica en la Tabla VI.11.

Cuando se usan bases de emulsiones asfálticas Tipo I, se requerirá un tratamiento de la superficie. Tabla VI.11. Espesor Mínimo de Concreto Asfáltico Encima de Bases de Emulsiones Asfálticas

FACTORES DE AMBIENTE

En áreas de suelos susceptibles a altas heladas y a condiciones de temperaturas bajas, puede ser necesario quitar y reemplazar el suelo susceptible a heladas o tomar otras precauciones para la construcción del pavimento. En climas sumamente calientes, deben diseñarse las mezclas asfálticas para resistir a la fisuración y mantenerse firme a temperaturas altas. 

Debido a que las mezclas asfálticas son influenciadas por la temperatura, se recomienda que las diferentes calidades de asfalto sean utilizadas donde diferentes condiciones de temperatura prevalezcan. La Tabla VI.10 muestra las calidades de asfalto recomendadas para varias condiciones de temperatura.

VALORES DE ENTRADA DE TRÁFICO DE DISEÑO, SUBRASANTE Y MATERIALES

La entrada común al procedimiento del diseño para los tres tipos de pavimentos incluyen:
(1) La determinación de tráfico, EAL, se expresó como el número total de aplicaciones de un eje simple equivalente de 80 kN (18,000 lb) de carga esperado durante el período del diseño.
(2) Subrasante el módulo resiliente, MR.
(3) Los tipos de base a ser considerados: concreto asfáltico, mezcla de emulsiones asfálticas Tipo I, II ó III, base o sub-base no tratadas.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

Los pasos en el procedimiento del diseño son:
(1) Seleccione o determine los datos de la entrada.
(a) valor de tráfico, EAL,
(b) módulo elástico de la subrasante, MR,
(c) tipos de superficie y de base.
(2) Determine los espesores del diseño para las condiciones específicas descritas por los datos de la entrada.
(3) Prepare el diseño de construcción por etapas, si es necesario.
(4) Haga que un análisis económico de las varias soluciones obtenidas para el problema del diseño.
(5) Seleccione último diseño.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTRUCTURAL

Los espesores resultantes satisfacen dos criterios de esfuerzos diferentes, el esfuerzo vertical de compresión en la superficie de la subrasante, y el esfuerzo horizontal de tensión en la parte inferior de la capa más baja del límite de asfalto. Los ábacos de diseño incluyen niveles de tráfico entre EAL = 5 x 103 a EAL < 108. Los diseños para EAL mayor que 3 x 106 deben ser considerados candidatos para futuras cubiertas de la nivelación o construcción por etapas.

CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES - III

Ejemplo. Determine el Módulo de Resiliencia de la Subrasante de Diseño para las condiciones dadas. (1) Tráfico de Diseño EAL = 104, 105 y 106. 

(2) Los resultados de siete ensayos produjeron los siguientes valores de ensayo de módulo de resiliencia de la subrasante: 44.8, 58.6, 67.6, 68.3, 68.3, 80.0, 106.9 MPa (6,500; 8,500; 9,800; 9,900; 9,900; 11,600; 15,500 psi). 

(3) Los valores de porcentaje han sido calculados como:

(4) El trazado de los valores de ensayo contra el porcentaje igual o mayor a:

(5) Del gráfico, determine los valores MR de la subrasante de diseño para los diferentes valores de diseño de EAL.

CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES - II

El módulo de resiliencia de la subrasante de diseño está definido como el valor del módulo de resiliencia de la subrasante que es menor del 60, 75, ó 87,5 por ciento de todos los valores del ensayo en la sección. Estos porcentajes se relacionan a los niveles de tráfico como se muestra en la Tabla VI.8. Tabla VI.8. Valor Percentil del MR para Diseño de la Subrasante, de acuerdo al nivel del Tránsito.

El procedimiento gráfico para determinar el Módulo de Resiliencia de la Subrasante de Diseño, MR, es el siguiente: 

(1) Seleccione el Tráfico de Diseño EAL. 

(2) Pruebe seis a ocho muestras de subrasante. Convierta los datos de ensayo del CBR al valor del módulo de resiliencia de la subrasante. 

(3) Coloque todos los valores en forma descendiente al orden numérico. 

(4) Para cada cambio en el valor del ensayo, empezando con el valor más bajo, calcule el porcentaje del número total de valores al que son iguales, o mayor que el valor del ensayo. 

(5) Trace los resultados en el papel de sección de cruz.

(6) Dibuje una curva lisa que mejor se ajuste a través de los puntos trazados. (Nota: si los datos del ensayo están bien distribuidos, la curva debe tener una forma de “S” y el valor del 50 por ciento debe caerse cerca del promedio de los datos.) 

(7) Lea de la curva el valor de resistencia de la subrasante en el valor del porcentaje apropiado mostrado en la Tabla VI.8. Éste es el valor de resistencia de la subrasante de diseño.

CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES - I

Para el diseño de los espesores de una sección estructural del pavimento flexible, el método del Instituto del Asfalto considera importante caracterizar los materiales mediante la determinación del Módulo de Resiliencia (MR). En orden de facilitar el uso de los ábacos de diseño con otros ensayos ampliamente usados, se han establecido correlaciones con el Índice de Soporte California (CBR). El módulo de resiliencia puede ser aproximado de los valores de los ensayos CBR según la relación:

Las correlaciones anteriores solo se aplican a materiales de la subrasante, no así a materiales granulares utilizados en las capas de sub-bases o base. Para la caracterización de los materiales se recomienda el uso de métodos de ensayos establecidos por las normas AASHTO y ASTM: