capitulo 10: diseño de mezclas asfálticas

CAPITULO 10:
DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS
10.1 Tipos de Mezclas Asfálticas
Las mezclas asfálticas en caliente, HMA se divide en tres tipos: de gradación densa, opengraded o mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometría incompleta. La
Tabla 10.1 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 mezcla que considera
factores como el tráfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su
preparación, y evaluación económica.
Tabla 10.1: 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)
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Diseño de Mezclas Asfálticas
Si las mezclas se clasificasen según el porcentaje de vacíos atrapada en la mezcla luego de
la compactación se clasificarían de la siguiente manera:
Mezclas Densas
Vacíos de aire, Va < 6%
Mezclas convencionales
Mezclas Superpave
Mezclas SMA
Mezclas semi-cerradas
6% < Va < 12%
Mezclas abiertas
Va > 12%
Mezclas porosas
Va > 20%
10.2 Definiciones
a) 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.). Foto 10.1
Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25
mm (1 pulg.). Como se ve en la figura 9.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de
agregados gruesos que las mezclas convencionales (mayores 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. (figura
10.1a). 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.
b) Mezclas open-graded
Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de
cemento asfáltico o ligante modificado (figura 10.1b). 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. Figura 10.2 y Foto 10.2.
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164
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a. Gradación
densa
b. Opengraded
c. Gap-graded
Figura 10.1: Gradaciones representativas de HMA
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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.
c) 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 figura 10.1c.
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 figura 9.1c. 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.
10.3 Consideraciones del Diseño de Mezclas
La característica del diseño de mezclas comprende:
Densidad de la mezcla
Vacíos de aire
Vacíos en el agregado mineral
Contenido de asfalto.
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Cada una de estas características tiene mucha importancia en el comportamiento de la mezcla.
La densidad de la mezcla es la relación entre el peso de la mezcla por unidad de volumen. Si
bien es cierto que esta característica no es utilizada en el diseño de la mezcla, se emplea para
los controles de compactación. A la mezcla asfáltica compactada en el laboratorio se le asigna
la densidad patrón y será ésta el punto de referencia en los controles.
Los Vacíos de aire o vacíos están conformados por el aire atrapado en la mezcla compactada.
A menor porcentaje de vacíos de aire la mezcla será menos permeable. En el diseño de
mezclas convencionales, los vacíos de aire están entre 3 a 5% en laboratorio, pero en campo
se permite tener vacíos de aire no mayores al 8% permitiendo que la carpeta se compacte bajo
tránsito.
La densidad de la mezcla está en función del contenido de vacíos, mezclas con menor
porcentaje de vacíos serán más densas, y visceversa. Un alto porcentaje de vacíos de aire
resulta en una mezcla porosa, que permite el paso del agua a través de su estructura, pero
además puede causar deterioro debido a que hay mayor porcentaje de aire (como se mencionó
en capítulos anteriores el aire oxida el asfalto). Bajos porcentajes de vacíos de aire son
perjudiciales en la mezcla, debido a que cuando soporta las carga de tránsito la carpeta se
comprime y el asfalto se acomoda en los vacíos atrapados, si el número de vacíos es pequeño,
el asfalto no podrá acomodarse en el interior y tendrá que salir a la superficie, esto se conoce
como exudación.
Los Vacíos en el agregado mineral (VMA) consideran los volúmenes ocupados por los vacíos
de aire atrapados y el asfalto efectivo1. El diseño considera un porcentaje mínimo de VMA
dependiendo del tamaño del agregado. Si el porcentaje del VMA son bajos la película de
asfalto será delgada y la mezcla será susceptible a oxidación. Con altos porcentajes de VMA la
película de asfalto será mas gruesa y la mezcla será más durable.
Una graduación densa puede reducir el porcentaje de VMA, reduciendo la película de asfalto y,
por consiguiente, reduciendo la durabilidad de la mezcla y dándole un aspecto seco.
El Contenido de asfalto es el porcentaje de asfalto que se incorpora en la mezcla. Parte del
asfalto será absorbido por el agregado y el resto de asfalto formará una película que rodean las
partículas. A los primeros se les denomina asfalto absorbido y al segundo asfalto efectivo.
El óptimo contenido de asfalto de la mezcla está en función de la granulometría y el porcentaje
de absorción del material. Mezclas con alto porcentaje de filler (mayor superficie específica)
requerirán mayor porcentaje asfalto, por ejemplo las mezclas SMA tienen mas porcentaje de
asfalto que una mezclas convencional y superpave. Mezclas porosas (% filler menor de 2%)
necesitan menor porcentaje de asfalto.
1
Asfalto efectivo es la película de asfalto que rodean los agregados
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Diseño de Mezclas Asfálticas
Foto 10.1:
Mezcla Convencional
Figura 10.2:
Mezcla Porosa
Foto 10.2:
Mezcla Porosa
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Las Propiedades consideradas en el diseño son:
Estabilidad
Durabilidad
Impermeabilidad
Trabajabilidad
Flexibilidad
Resistencia a la fatiga
Resistencia al deslizamiento
La estabilidad está relacionada con la capacidad del asfalto para soportar deformaciones bajo
cargas de tránsito y resistir el desplazamiento horizontal, depende de la fricción y cohesión
interna. La fricción se relaciona con la geometría y textura de la partícula; la cohesión se
relaciona con las características del ligante.
Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas deben ser de caras fracturadas y
superficie rugosa, generalmente provenientes de chancado. Los agregados con estas
características tienen una mejor trabazón y mayor resistencia cortante, caso contrario al de
agregados con partículas redondeadas que se deslizan una sobre otras.
La estabilidad de la mezcla se ha medido respecto del porcentaje de asfalto. A mayor
porcentaje de asfalto la mezcla se hace más estable hasta determinado límite, luego la
estabilidad de la mezcla disminuye. A medida que se incrementa el porcentaje de asfalto en la
mezcla, la película de asfalto que rodea los agregados permite que estos se acomoden. Si la
película de asfalto es muy gruesa impide la trabazón entre las partículas.
La durabilidad de la mezcla se relaciona a la capacidad del agregado a la desintegración, a la
capacidad del asfalto a reaccionar con el medio y a evitar que el asfalto se desprenda del
agregado.
Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas, no sólo deben cumplir con
especificaciones granulométricas, sino también de calidad. Las presiones que soportarán los
agregados, sobre todo en sus aristas son altas, por lo tanto deben ser duros y muy resistentes.
Para que no exista riesgo de peladuras (desprendimiento de la película de asfalto) los
agregados deben ser hidrofóbicos.
La película de asfalto cumple un papel importante en la durabilidad de la mezcla. Si la película
es gruesa, se tendrá menor porcentaje de vacíos de aire, esta condición retarda la oxidación
que sufre el asfalto al encontrarse en contacto con el oxígeno, manteniendo por mayor tiempo
sus características originales. Los vacíos de aire no se deben reducir mucho porque el asfalto
necesita espacio para expandirse en climas cálidos. Si la película es delgada el asfalto se
oxidará rápidamente.
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La impermeabilidad es la capacidad del medio para evitar el paso de aire y agua. Esta
definición se relaciona con el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada y el
acceso que estos vacíos tengan con la superficie.
Mezclas porosos son diseñadas con la finalidad de permitir que el agua proveniente de las
lluvias drene rápidamente a través de ellas. El alto porcentaje de vacíos de aire de este tipo de
mezclas facilitaría la oxidación del asfalto; sin embargo, esta condición se reduce usando
asfaltos modificados.
La trabajabilidad de la mezcla es la facilidad con que la mezcla se coloca y compacta.
Mezclas con alto porcentaje de fracción gruesa o alto porcentaje de filler son poco trabajables.
Las mezclas del tipo open graded (mezclas porosas) y gap-graded (como las Stone Mastic
Asphalt) tienden a segregarse y son difíciles de compactar. Mezclas con alto porcentaje de filler
puede hacer que la mezcla se vuelva muy rígida evitando su adecuada compactación.
Controlar la temperatura de compactación en la mezcla es muy importante, debido a que las
mezclas frías son semi-rígidas a rígidas y no permiten su compactación dejando alto porcentaje
de vacíos de aire.
Mezclas flexibles resisten las deformaciones sin agrietarse. El terreno de fundación se
asentará con los años debido al servicio, este asentamiento se reflejará en la superficie y la
carpeta deberá acomodarse sin agrietarse.
La carpeta asfáltica está soportando constantemente la acción de cargas cíclicas, este tipo de
cargas origina que la carpeta se flexione constantemente. La resistencia a la fatiga es la
resistencia a esta flexión, esta características está íntimamente relacionada al asfalto, asfaltos
oxidados no son resistentes a la fatiga.
Los agrietamientos por fatiga surgen en la fibra inferior de la carpeta asfáltica cuando ésta
trabaja a tracción, y se reflejan en la superficie denominándose piel de cocodrilo.
La superficie de rodadura debe reducir la posibilidad que la llanta se deslice sobre ella, sobre
todo en épocas de lluvia, esto se define como resistencia al deslizamiento. Mezclas porosas
fueron pensadas para evitar el hidroplaning (encharcamiento de agua en la superficie,
posiblemente por efecto de las lluvias) y deprimir el agua inmediatamente se encuentre en la
superficie.
Carpetas asfálticas con partículas redondeadas son menos resistentes al deslizamiento que las
carpetas formadas por partículas duras y de textura rugosa.
10.3 Propiedades volumétricas
10.3.1 Generalidades
Un factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asfálticas
son las relaciones volumétricas entre el ligante asfáltico y los agregados.
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Las propiedades volumétricas más importantes de una mezcla compactada de pavimento
son: vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto
(VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), proporcionan un índice del probable
comportamiento de la mezcla durante su vida de servicio.
10.3.2 Definiciones
El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto en diferentes grados.
Además, la proporción de agua a asfalto absorbido varia con el tipo de agregado. Los tres
métodos para medir las gravedades especificas de los agregados consideran estas
variaciones.
Los métodos son: gravedad específica bulk, gravedad especifica aparente y gravedad
especifica efectiva. La diferencia entre las gravedades especificas viene de las diferentes
definiciones de volumen del agregado.
a) Gravedad Específica Bulk, Gsb
La relación del peso en el aire de un material permeable (incluyendo los vacíos permeables
e impermeables del material) a temperatura establecida al volumen del agregado incluyendo
los vacíos permeables. Figura 10.2.
G sb =
Donde:
Gsb
Ws
Vs
Vpp
γw
Ws
Vs + Vpp γ w
(
)
gravedad especifica bulk del agregado
peso del agregado seco
volumen del agregado con los vacíos impermeables
volumen de vacíos permeables
peso específica del agua, 1 gr/cm3
b) Gravedad Específica Aparente, Gsa
Es la relación del peso en el aire de un material impermeable con respecto al volumen del
agregado incluyendo los vacíos impermeables. Figura 10.2.
G sa =
Donde:
Gsa
Ws
Vs
γw
Ws
Vs γ w
gravedad especifica aparente
peso del agregado seco
volumen del agregado con los vacíos impermeables
peso específica del agua, 1 gr/cm3
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171
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c) Gravedad Específica Efectiva, Gse
Relación del peso en el aire de un material permeable (excluyendo los vacíos permeables al
asfalto) con respecto al volumen del agregado con los vacíos impermeables y vacíos
permeables que no absorbieron asfalto. Figura 10.2.
G se =
Donde:
Gse
Ws
Vs
γw
Ws
Vs + Vpp − Vap γ w
(
)
gravedad especifica efectiva
peso del agregado seco
volumen del agregado con los vacíos impermeables
peso específico del agua, 1 gr/cm3
Figura 10.2: Propiedades Peso-Volumen en Mezclas
Asfálticas Compactadas
Las definiciones de vacíos en el agregado mineral (VMA), contenido de asfalto efectivo
(Pbe), vacíos de aire (Va), y vacíos llenos con asfalto (VFA) son:
d) Vacíos en el agregado mineral (VMA)
Volumen de vacíos entre los agregados de una mezcla compactada que incluye los vacíos
de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la
mezcla. Ver figura 10.3.
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172
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Diseño de Mezclas Asfálticas
e) Contenido de asfalto efectivo (Pbe)
El contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto absorbida por el
agregado. Ver figura 10.3.
f) Vacíos de aire (Va)
Volumen total de las pequeñas cavidades de aire entre las partículas de agregado cubiertas
en toda la mezcla, expresada como porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada.
Ver figura 10.3.
g) Vacíos llenos con asfalto (VFA)
Porción del volumen de vacíos entre las partículas de agregado (VMA) que es ocupado por
el asfalto efectivo. Figura 10.3.
aire
Va
asfalto
Vfa
Vma
Vb
Vba
Vmm
agregado
mineral
Vma
Vmb
Vmm
Vfa
Va
Vb
Vba
Vsb
Vse
Vsb
Vmb
Vse
volumen de vacíos en agregado mineral
volumen bulk de la mezcla compactada
volumen de vacíos de la mezcla de pavimentación
volumen de vacíos llenos con asfalto
volumen de vacíos de aire
volumen de asfalto
volumen de asfalto absorbido
volumen del agregado mineral (gravedad específica bulk)
volumen del agregado mineral (gravedad específica efectiva)
Figura 10.3: Esquema de una Muestra HMA Compactada
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Diseño de Mezclas Asfálticas
El diseño de mezclas Superpave requiere del cálculo de VMA para mezclas compactadas en
función de la gravedad específica bulk del agregado. La gravedad específica efectiva es la
base para el cálculo de los vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas.
Los vacíos en el agregado mineral (VMA) y los vacíos de aire (Va) se expresan como
porcentaje por volumen de mezcla. Los vacíos llenos con asfalto (VFA) es el porcentaje de
VMA lleno con asfalto efectivo. El contenido de asfalto puede expresarse como porcentaje
del peso total de la mezcla, o por peso, del agregado de la mezcla.
El Instituto del Asfalto recomienda que los valores de VMA para mezclas compactadas
deben calcularse en función de la gravedad específica bulk del agregado, Gsb. La gravedad
específica efectiva debe ser la base para calcular los vacíos de aire en la mezcla de asfalto
compactado.
10.3.3 Análisis de Mezclas Compactadas
La siguiente relación indica el procedimiento para analizar los vacíos de una mezcla
compactada:
1. Medida de la gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM
C127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128).
2. Medida de la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y
del filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854).
3. Cálculo de la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla.
4. Medida de la gravedad específica teórica máxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o
AASHTO T209).
5. Medida de la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o
ASTM D2726 o AASHTO T166).
6. Cálculo de la gravedad específica efectiva del agregado.
7. Cálculo de la gravedad específica máxima de la mezcla a otros contenidos de asfalto.
8. Cálculo del asfalto absorbido por el agregado.
9. Cálculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla.
10. Cálculo del porcentaje de vacíos en el agregado mineral en la mezcla compactada.
11. Cálculo del porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada.
12. Cálculo del porcentaje de vacíos llenados con asfalto en la mezcla compactada.
10.3.4 Gravedad Específica Bulk del agregado
Cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y
filler, todos tienen diferentes gravedades específicas, la gravedad específica bulk de la
combinación de agregados se calcula empleando la siguiente ecuación:
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174
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G sb =
Diseño de Mezclas Asfálticas
P1 + P2 + ...... + Pn
P1 P2
P
+
+ ...... + n
G1 G 2
Gn
Donde:
gravedad específica bulk de la combinación de agregados
Gsb
P1, P2, Pn porcentajes individuales por peso del agregado
G1, G2, Gn gravedad específica bulk individual del agregado.
La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil determinarlo actualmente. Sin
embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es mínimo.
10.3.5 Gravedad Específica Efectiva del Agregado
La gravedad específica efectiva se calcula con la gravedad específica teórica máxima de
mezclas asfálticas (RICE) ASTM D-2041, con la siguiente expresión:
G se =
Donde:
Gse
Pmm
Pb
Gmm
Gb
Pmm − Pb
Pmm Pb
−
G mm G b
Gravedad específica efectiva del agregado
porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100%
Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra
gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041)
de la mezcla (sin vacíos de aire)
Gravedad específica del asfalto
El volumen de asfalto absorbido por un agregado casi invariable menos que el volumen de
agua absorbida. En consecuencia, el valor de la gravedad especifica efectiva de un
agregado estaría siempre entre su gravedad específica bulk y aparente. Cuando la gravedad
específica efectiva está fuera de estos límites, se debe asumir que este valor es incorrecto.
La gravedad específica aparente, Gsa, de la combinación de agregados puede calcularse de
manera similar a la fórmula empleada para bulk pero usando las gravedades aparentes de
los agregados grueso, fino y filler.
10.3.6 Gravedad Específica Teórica Máxima de Mezclas
con Diferentes Contenidos de Asfalto
Cuando se diseña una mezcla con un agregado dado, se requiere la gravedad específica
teórica máxima, Gmm, con diferentes contenidos de asfalto para calcular el porcentaje de
vacíos de aire para cada contenido de asfalto.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
175
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Luego de calcular la gravedad específica efectiva de los agregados considerando cada
medición de las gravedades específicas teóricas máximas y promediando los resultados de
Gse, la gravedad específica teórica máxima para algún otro contenido de asfalto puede
obtenerse con la siguiente expresión:
G mm =
Donde:
Gmm
Pmm
Ps
Pb
Gse
Gb
Pmm
Ps
P
+ b
G se G b
gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041)
de la mezcla (sin vacíos de aire)
porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100%
contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla
contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla
gravedad especifica efectiva del agregado
gravedad especifica del asfalto
10.3.7 Absorción de Asfalto
La absorción de asfalto se expresa como el porcentaje en peso del agregado mas que como
el porcentaje del peso total de la mezcla, el asfalto absorbido, Pba, se determina usando:
G − G sb
Pba = 100 × se
Gb
G sb G se
Donde:
Pba
Gse
Gb
Gsb
asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado.
gravedad especifica efectiva del agregado
gravedad especifica del asfalto
gravedad especifica bulk del agregado
10.3.8 Contenido de Asfalto Efectivo de la Mezcla
El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de una mezcla es el contenido de asfalto total menos la
cantidad de asfalto absorbido dentro de las partículas de agregado. Esta es la porción del
contenido de asfalto total cubre el exterior del agregado. Este es el contenido de asfalto que
gobierna la performance de una mezcla asfáltica. La fórmula es:
P
Pbe = Pb − ba Ps
100
Donde:
Pbe
Pb
contenido de asfalto efectivo, porcentaje del peso total de la mezcla.
contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla.
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176
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Pba
Ps
Diseño de Mezclas Asfálticas
asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado.
contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla.
10.3.9 Porcentaje de VMA en Mezcla Compactada
Los vacíos en el agregado mineral, VMA, se definieron como los vacíos entre las partículas
de agregado de la mezcla compactada, incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto
efectivo, se expresa como un porcentaje del volumen total. El VMA se calcula en base a la
gravedad específica bulk del agregado y se expresa como un porcentaje del volumen bulk
de la mezcla compactada. Por consiguiente, el VMA puede calcularse restando el volumen
del agregado determinado por su gravedad especifica bulk del volumen bulk de la mezcla
compactada.
Si la composición de la mezcla se determina como porcentaje por peso de la mezcla total:
G P
VMA = 100 − mb s
G sb
Donde:
VMA
Gsb
Gmb
Ps
vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk
gravedad especifica bulk del agregado total
gravedad especifica bulk de la mezcla compactada
(AASHTO T166; ASTM D1188 o D2726)
contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla
10.3.10 Porcentaje de Vacíos de Aire en Mezcla Compactada
Los vacíos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consisten de los pequeños
espacios de aire entre las partículas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacíos de
aire en la mezcla compactada puede determinarse usando:
G − G mb
Va = 100 × mm
G mm
Donde:
Va
Gmm
Gmb
vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total
gravedad especifica teórica máxima de la mezcla
gravedad especifica bulk de mezcla compactada
10.3.11 Porcentaje VFA en Mezclas Compactadas
Los vacíos llenos con asfalto, VFA, es el porcentaje de los vacíos entre partículas (VMA)
que se llenan con asfalto. VFA, no incluye el asfalto absorbido, y se determina usando:
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177
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
VFA = 100 ×
Donde:
VFA
VMA
Va
( VMA − Va )
VMA
vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VMA
vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk
vacíos de aire en mezcla compactada, porcentaje del volumen total.
10.4 Diseño de Mezcla Convencional
Una mezcla para pavimentación se clasifica de acuerdo a su tamaño máximo o tamaño máximo
nominal. El libro Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction de la NAPA
Research and Education Foundation, especifica que para la mayoría de las mezclas asfálticas
en caliente se requieren gradaciones densas (mezclas convencionales) para agregados. En
las tablas 10.2 y 10.3 se muestran las especificaciones recomendados por ASTM D-3515.
Tabla 10.2: Composición Típica del Concreto Asfáltico
Tamiz
(1 1/2")
50 mm (2")
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)
2,36 mm (Nº 8)*
0,30 mm (Nº 50)
0,15 mm (Nº 100)
0,075 mm (Nº 200)**
100
90-100
Tamaño máximo nominal del agregado
(1")
(3/4")
(1/2")
Porcentaje acumulado que pasa (por peso)
100
90-100
56-80
100
90-100
56-80
Cemento asfáltico, % en peso de la
mezcla total***
100
90-100
(3/8")
44-74
28-58
5-21
100
90-100
55-85
32-67
7-23
23-53
15-41
4-16
29-59
19-45
5-17
56-80
35-65
23-49
5-19
0-5
1-7
2-8
2-10
2-10
3-8
3-9
4-10
4-11
5-12
4 y 67
o
4 y 68
5y7
o
57
67 o 68
o
6y8
7
o
78
8
* Las características de la gradación total de una mezcla de asfalto para pavimentos la cantidad que pasa el
tamiz 2,36 mm (Nº8) es un significativo y conveniente control de campo de agregado fino y grueso. La
cantidad máxima permitida que pase el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en superficies de pavimentos de
textura fina, mientras que las cantidades mínimas que pasan por el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en
superficies de textura gruesa.
** El material que pasa el tamiz 0,075 mm (Nº200) consiste de partículas finas de agregados o filler, o ambos.
Este debe estar libre de materia orgánica y partículas de arcilla y con índice de plasticidad no mayor de 4
ensayado según ASTM D 423 y D 424
*** La cantidad de cemento asfáltico se da en términos de porcentaje en peso del total de la mezcla. La
diferencia de gravedades específicas en diferentes agregados, así como una considerable diferencia en
absorción, resulta en un rango amplio de contenido de cemento asfáltico. La cantidad de asfalto que se
requiere para una mezcla se debe determinar por ensayos de laboratorio apropiados o en base a experiencias
con mezclas similares, o por combinación de ambos.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
178
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
FLUJO VS. % DE ASFALTO
ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO
PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO
17
2900
2850
16
2800
2.280
2.270
2.260
2.250
2750
15
2750
FLUJO (0.01")
2.290
ESTABILIDAD (Lb)
PESO ESPECIFICO (gr/cm3)
2.300
2700
2650
2600
2550
13
12
2500
2.240
11
6,9
2450
2.230
6,9
2400
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
10
4.5
5.0
5.5
ASFALTO (%)
VOLUMEN LLENO CON ASFALTO VFA
(%)
8.0
7.0
6.0
4,0
4.0
3.0
2.0
1.0
6,9
0.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
ASFALTO (%)
7.0
7.5
8.0
6.5
7.0
7.5
8.0
ASFALTO (%)
% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE
ASFALTO
9.0
5.0
6.0
ASFALTO (%)
% VACIOS VS. % DE ASFALTO
VACIOS VTM (%)
14
14
% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL
VS. % DE ASFALTO
100.0
21.0
90.0
20.0
79
80.0
19.0
70.0
18.0
60.0
17.0
50.0
18,6
16.0
6,9
6,9
40.0
15.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
ASFALTO (%)
7.5
8.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
ASFALTO (%)
Figura 10.3: Resultados típicos de diseño de mezclas asfálticas ensayada en la prensa Marshall
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
179
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Tabla 10.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515
Mezcla Densa
Tamiz
Tamaño máximo nominal de agregados
2”
1 ½”
1”
¾”
½”
3/8”
Nº4
Nº8
Nº16
Gradación de agregados (grava; fino y filler si se requiere)
Porcentaje en peso
2 ½” (63mm)
100
-
-
-
-
-
-
-
-
90-100
100
-
-
-
-
-
-
-
-
90-100
100
-
-
-
-
-
-
1” (25.0mm)
60-80
-
90-100
100
-
-
-
-
-
¾” (19.0mm)
-
56-80
-
90-100
100
-
-
-
-
1/2” (12.5mm)
35-65
-
56-80
-
90-100
100
-
-
-
3/8” (9.5mm)
-
-
-
56-80
-
90-100
100
-
-
Nº4 (4.75mm)
17-47
23-53
29-59
35-65
44-74
55-85
80-100
-
100
Nº8 (2.36mm)
10-36
15-41
19-45
23-49
28-58
32-67
65-100
-
95-100
Nº16 (1.18mm)
-
-
-
-
-
-
40-80
-
85-100
Nº30 (600µm)
-
-
-
-
-
-
25-65
-
70-95
Nº50 (300µm)
3-15
4-16
5-17
5-19
5-21
7-23
7-40
-
45-75
Nº100 (150µm)
-
-
-
-
-
-
3-20
-
20-40
Nº200 (75µm)
0-5
0-6
1-7
2-8
2-10
2-10
2-10
-
9-20
2” (50mm)
1 ½” (37.5mm)
Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA, 1996.
10.5 Ejemplo
La siguiente tabla ilustra los datos básicos para una muestra de mezcla asfáltica.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
180
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Datos Básicos para Muestras de Mezclas Asfálticas
(a)Constituyentes:
Material
Gravedad Específica
Bulk
AASHTO
ASTM
Composición de Mezcla
% por peso % por peso
del total de del total de
mezcla
agregado
5.3 (Pb) 5.6 (Pb)
47.4 (P1) 50.0 (P1)
47.3 (P2) 50.0 (P2)
-.-.-
Cemento asfáltico 1.030 (Gb)
T 228
D 70
Agregado grueso
2.716 (G1)
T 85
C 127
Agregado fino
2.689 (G2)
T 84
C 128
Filler mineral
T 100
D 854
(b) Mezcla asfáltica
Gravedad especifica bulk de la mezcla compactada, Gmb
(ASTM D 2726)
Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla, Gmm
(ASTM D 2041)
2.442
2.535
1. Gravedad específica bulk de la combinación de agregados.
Cuando la muestra se ensaya en fracciones separadas (por ejemplo, grueso y fino), el valor
de la gravedad específica promedio se calcula con la siguiente ecuación:
G=
Donde:
G
G1, G2, ......, Gn
P1, P2, ......., Pn
P1 + P2 + ....... + Pn
P1 P2
P
+
+ ..... + n
G1 G 2
Gn
Gravedad específica promedio
Valores de gravedad específica por fracción 1, 2, ....., n
Porcentaje en pesos de la fracción 1, 2, ....., n
La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil de determinar. Sin embargo, si se
sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es despreciable. Esta
ecuación se puede aplicar para determinar la gravedad específica bulk y aparente de la
combinación de agregados.
Usando los datos del ejemplo:
G sb =
50.0 + 50.0
100
=
= 2.703
50.0 50.0 18.41 + 18.59
+
2.716 2.689
2. Gravedad Específica Efectiva del Agregado, Gse
El procedimiento para determinar la gravedad específica efectiva no está normado por
AASHTO o ASTM. Los valores se obtienen a partir del cálculo de la gravedad específica
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
181
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
teórica máxima de mezclas asfálticas (Gmm) ASTM D-2041, éste ensayo se realiza sobre
mezclas sueltas, de esa manera se eliminan los vacíos de aire.
En general:
G sa > G se > G sb
W
G se = s
Vefec
Por definición:
El volumen efectivo es el volumen del agregado mas los vacíos permeables al agua que no
se llenaron de asfalto. En el ensayo de gravedad específica teórica máxima (Gmm), se mide
el volumen de la mezcla suelta y el volumen del cemento asfáltico se calcula con su peso y
su gravedad específica. El volumen efectivo del agregado se determina sustrayendo el
volumen del cemento asfáltico del volumen total.
G se =
sustituyendo los volúmenes,
G se =
simplificando,
WT − Pb (WT )
VTV − VAC
WT − Pb (WT )
W
WT
− AC
G mm
Gb
1 − Pb
P
1
− b
G mm G b
P −P
G se = mm b
Pmm Pb
−
G mm G b
G se =
ó
Donde:
Ws
VAC
Vefec
WT
VTV
Pmm
Pb
WAC
Gb
Gmm
Peso del agregado
Volumen del cemento asfáltico total
Volumen efectivo
Peso total de la mezcla
Volumen total de la mezcla suelta
porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100%
contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla
Peso total del cemento asfáltico
Gravedad específica del cemento asfáltico
Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla (ASTM D2041),
no incluye los vacíos de aire
Usando la ecuación en el ejemplo:
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
182
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
G se =
Diseño de Mezclas Asfálticas
1 − 0.053
0.947
=
= 2.761
1
0.053 0.3945 − 0.0515
−
2.535 1.030
3. Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto
Por definición:
G mm =
Ws + WAC
Vefectivo + VAC
Sustituyendo,
WT
Ws WAC
+
G se
Gb
WT
G mm =
WT (1 − Pb ) WT Pb
+
G se
Gb
G mm =
simplificando, y asumiendo que el peso total es el 100%
G mm =
ó
Donde:
Ws
VAC
Vefec
WT
Pb
WAC
Gb
Gse
1
1 − Pb Pb
+
G se
Gb
Pmm
G mm =
Ps
P
+ b
G se G b
Peso del agregado
Volumen del cemento asfáltico total
Volumen efectivo
Peso total de la mezcla
contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla
Peso total del cemento asfáltico
Gravedad específica del cemento asfáltico
Gravedad especifica efectiva del agregado
Usando los datos de la tabla y la gravedad especifica efectiva, Gse, para 4% de contenido de
asfalto (Pb):
G mm =
1
1
=
= 2.587
1 − 0.04 0.04 0.3477 + 0.0388
+
2.761 1.030
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
183
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
4. Porcentaje de Asfalto Absorbido, Pba
El porcentaje de asfalto absorbido del agregado mineral usualmente se expresa por peso del
agregado mas que por peso de la mezcla total. La ecuación para calcular el asfalto
absorbido puede obtenerse a partir de:
⎛W
Pba = ⎜⎜ ba
⎝ Ws
⎞
⎟⎟ × 100
⎠
sustituyendo, peso = volumen x gravedad especifica
⎛ V × Gb
Pba = ⎜⎜ ba
⎝ Ws
⎞
⎟⎟ × 100
⎠
El volumen de asfalto absorbido es la diferencia entre el volumen bulk del agregado y su
volumen efectivo. Por lo tanto,
Pba =
(Vsb − Vse ) × G b
Ws
× 100
sustituyendo, volumen = peso/ gravedad especifica
⎛ Ws
W
⎜⎜
− s
G sb G se
Pba = ⎝
Ws
simplificando,
Donde:
Pba
Wba
Ws
Vba
Vsb
Vse
Gb
Gse
Gsb
⎞
⎟⎟ × G b
⎠
× 100
G − G sb
Pba = se
× G b × 100
G sb G se
porcentaje de asfalto absorbido por peso del agregado
peso de asfalto absorbido
peso del agregado
peso de asfalto absorbido
volumen bulk del agregado
volumen efectivo del agregado
gravedad especifica del cemento asfáltico
gravedad especifica efectiva del agregado
gravedad especifica bulk del agregado
Reemplazando los datos del ejemplo:
Pba =
2.761 − 2.703
⎛ 0.058 ⎞
× 1.030 × 100 = ⎜
⎟ × 1.030 × 100 = 0.8%
2.703 × 2.761
⎝ 7.463 ⎠
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
184
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
5. Porcentaje de Asfalto Efectivo, Pbe
El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de la mezcla es el contenido total de asfalto menos la
cantidad de asfalto que absorbió el agregado. Esta es la capa de asfalto que recubre
exteriormente el agregado y es el contenido de asfalto que gobierna el comportamiento de la
mezcla asfáltica.
P P
Pbe = Pb − ba s
100
Donde:
Pbe
Pb
Ps
Pba
contenido de asfalto efectivo, porcentaje por peso total de la mezcla
contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla
contenido de agregado, porcentaje por peso total de la mezcla
asfalto absorbido, porcentaje por peso del agregado
De los datos del ejemplo:
El porcentaje en peso de la mezcla es 5.3% y el porcentaje en peso del agregado es 0.8%,
reemplazando:
0.8% × 94.7%
Pbe = 5.3% −
= 5.3% − 0.758% = 4.5%
100
6. Porcentaje VMA en Mezcla Compactada
Como ya se indicó el volumen de vacíos en el agregado mineral VMA es un factor
importante para el diseño de mezclas.
La fórmula para VMA puede obtenerse considerando la relación peso-volumen de la figura
2. Se recomienda que el cálculo sea realizado con la gravedad específica bulk del agregado:
VMA =
VT − Vsb
× 100
VT
simplificando,
Vsb
× 100
VT
sustituyendo volumen con el peso dividido entre la gravedad específica
VMA = 100 −
VMA = 100 −
sustituyendo,
Ws
G sb
WT
Gmb
× 100
Ws = WT − Pb × WT
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
185
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
y simplificando
Donde:
Vsb
VT
Ws
WT
Gsb
Gmb
Pb
Diseño de Mezclas Asfálticas
⎛ G (1 − Pb ) ⎞
⎟⎟
VMA = 100⎜⎜ 1 − mb
G sb
⎝
⎠
volumen bulk del agregado
volumen total de mezcla compactada
peso del agregado
peso total de la mezcla
gravedad especifica bulk del agregado
gravedad especifica bulk de la mezcla compactada
contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla
Para el ejemplo:
⎛ 2.442(1 − 0.053) ⎞
VMA = 100⎜ 1 −
⎟ = 100(1 − 0.855) = 14.4%
2.703
⎠
⎝
7. Porcentaje de Vacíos de Aire en la Mezcla Compactada, Va
La fórmula para calcular el porcentaje de vacíos de aire puede obtenerse a partir de:
Por definición,
V
Va = v × 100
VT
sustituyendo,
Vv = VT − Vfa − Vs b
⎛ V − Vfa − Vsb ⎞
⎟⎟ × 100
Va = ⎜⎜ T
VT
⎠
⎝
⎛ V + Vsb ⎞
⎟⎟ × 100
Va = ⎜⎜ 1 − fa
VT
⎝
⎠
multiplicando el numerador y denominador por
WT
y simplificando,
WT
⎛
⎞
⎜
⎟
VT
⎜
⎟ × 100
Va = 1 −
⎜
⎟
WT
⎜
⎟
(Vfa + Vsb ) ⎠
⎝
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
186
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
sustituyendo,
⎛ G ⎞
Va = ⎜⎜ 1 − mb ⎟⎟ × 100
⎝ G mm ⎠
Donde:
Va
Vv
VT
Vfa
Vsb
WT
Gmb
Gmm
vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total
Volumen de vacíos de aire
Volumen total del especímen compactado
Volumen de vacíos llenos con cemento asfáltico
volumen bulk del agregado
Peso total del especímen compactado
Gravedad específica bulk del especímen compactado
Gravedad específica teórica máxima de la mezcla
Nota.- En mucha bibliografía se identifica al porcentaje de vacíos de aire en la mezcla
compactada como VTM.
⎛ G ⎞
VTM = ⎜⎜ 1 − mb ⎟⎟ × 100
⎝ G mm ⎠
Para el ejemplo:
⎛ 2.442 ⎞
VTM = ⎜ 1 −
⎟ × 100 = 3.7%
⎝ 2.535 ⎠
8. Vacíos Llenos con Asfalto, VFA
VFA es simplemente el porcentaje de VMA llenado con cemento asfáltico. La siguiente
fórmula se usa para calcular el VFA:
VMA − VTM
VFA =
× 100
VMA
Donde:
VFA
vacíos llenos con asfalto, porcentaje de VMA
VMA
vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk
Va ó VTM vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total
Para el ejemplo:
VFA =
14.4 − 3.7
× 100 = 74.3%
14.4
Los Métodos de Laboratorio ASTM D2041 de Gravedad Específica Teórica Máxima y ASTM
D1188 Gravedad Específica Bulk de la Mezcla Compactada se desarrollarán teóricamente a
continuación.
Una revisión de las gravedades especificas mencionadas indican lo siguiente:
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
187
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
1. La diferencia entre gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica seca
aparente es el volumen del agregado usado en los cálculos. La diferencia entre estos
volúmenes es igual al volumen del agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia
entre los peso saturado superficialmente seco y seco al horno cuando son pesados en
gramos). Ambas gravedades especificas usan el peso seco al horno del agregado.
2. La diferencia en los cálculos entre la gravedad especifica seca bulk y la gravedad
especifica saturado superficialmente seco es el peso del agregado. El volumen del
agregado es idéntico para ambas gravedades especificas. La diferencia en los pesos es
igual al agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia entre los pesos del os
agregados saturados superficialmente seco y secado en el horno).
3. Las diferencias en los cálculos entre la gravedad aparente, seca bulk y efectiva es el
volumen del agregado. Las tres gravedades especificas usan los pesos del agregado
secado al horno.
4. La diferencia entre la gravedad especifica bulk de la mezcla compactada y la gravedad
especifica teórica máxima es el volumen. La diferencia de volúmenes es porque están
asociados con el volumen del aire en la mezcla compactada.
5. Los valores medidos de a gravedad especifica compactada pueden ser verificados para
una primera aproximación usando lo siguiente: a) la gravedad especifica aparente
siempre era igual o mayor que la gravedad especifica efectiva el cual será siempre igual
o mayor que la gravedad especifica seca bulk, b) la gravedad específica saturada
superficialmente seco bulk siempre será igual o mayor que la gravedad específica seca
bulk, c) la gravedad específica teórica máxima será siempre igual o mayor que la
gravedad especifica compactada de la mezcla, d) la gravedad específica del agregado
(aparente, efectiva, seca bulk, saturado superficialmente seca bulk) será siempre mayor
que la gravedad específica teórica máxima de la mezcla.
10.6 Diseño de Mezcla Superpave
10.6.1 Diseño de la Estructura del Agregado
El diseño de la estructura granular se basa en la consideración que el ligante tendrá una
función estructural principal, es decir, soportará los esfuerzos transmitidos por las cargas.
Este enfoque conceptual del Superpave es diferente respecto al SMA donde el ligante, es un
miembro secundario y no soportará esfuerzo significativo.
La SHRP desarrolló un método para especificar la granulometría basado en el concepto de
puntos de control y zona restringida. Se darán algunas definiciones para enfocar
adecuadamente la propuesta.
Tamaño Máximo Nominal y Tamaño Máximo
El tamaño máximo nominal del agregado es el primer tamiz que retiene más del 10% del
material.
El tamaño máximo es el siguiente tamiz mayor que el tamaño máximo nominal.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
188
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Carta de Potencia 0.45
Superpave adoptó la carta de potencia 0.45 para graficar la granulometría de la mezcla de
agregados como estaba siendo utilizada por la FHWA. No existe información de la elección
de dicha carta. Algunos artículos señalan que la carta de potencia 0.45 no sería aplicable a
todo tipo de agregado. Específicamente, se menciona que cartas de potencias mayores
como 0.50 ó 0.60 representarían mejor agregados chancados.
La SHRP investigó la historia de la adopción de la carta 0.45. La carta tal como es utilizada
actualmente, se basa en el trabajo de Nijboer de los Países Bajos y de Goode y Lufsey de
Bureau of Public Roads. Nijboer evaluó el acomodo de los agregados tanto naturales como
artificiales y encontró que la configuración más densa ocurría para una gradación que
reflejaba una línea recta en la carta de 0.45 de potencia. Goode y Lufsey, 1962 validó el
trabajo de Nijboer para agregados en los EE.UU.
La línea de máxima densidad seca a la potencia 0.45 se grafica desde el origen hasta el
tamiz máximo en el que pasa el 100% del material.
A continuación se dará un ejemplo de elaboración de la carta potencia 0.45 para gradación
Superpave TMN 19 mm. Se detallará el procedimiento de elaboración de la carta:
1º) El tamaño de los tamices se grafican elevados a la potencia 0.45, por ejemplo, el tamiz
4.75 mm se grafica como 2.02, es decir, (4.75) . Las cartas de potencia 0.45 no
indican las abscisas en escala aritmética como se muestra en la fig. 10.4, sino como en la
fig. 10.5.
2º) La línea de máxima densidad seca se grafica desde el origen hasta el tamiz del tamaño
máximo. La línea de máxima densidad seca (figura 9.19) representa la gradación donde
las partículas del agregado alcanzan su máximo arreglo posible. En el ejemplo la línea va
desde el origen hasta el tamaño máximo nominal de 19 mm.
0.45
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
189
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Carta potencia 0.45 para TM 19 mm
Porcentaje que pasa
100
80
60
40
Ejemplo:
Tamiz 4.75 mm se grafica como (4.75)0.45 = 2.02
20
0
0
1
2
3
4
Tamiz elevado a la potencia 0.45
Figura 10.4: Base de la Carta Potencia de 0.45
Carta potencia 0.45 para TM 19 mm
Porcentaje que pasa
100
80
Línea de máxima densidad seca
60
40
20
19
12.5
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.075
0.15
0.3
0
Tamiz elevado a la potencia 0.45
Figura 10.5: Línea de máxima densidad seca para
tamaño máximo de 19 mm
Puntos de Control
La gradación del agregado deberá estar dentro de los “puntos de control”, que aseguran la
buena gradación del agregado evitando problemas de segregación en la mezcla.
Los puntos de control se ubican en el tamaño máximo nominal, un tamiz intermedio (2.36
mm), y tamiz más pequeño (0.075 mm). Figura 9.20.
Zona Restringida
Para Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la
mezcla, y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, de la
mezcla.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
190
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
La zona restringida se encuentra a lo largo de la línea de máxima densidad seca entre el
tamiz intermedio (4.75 mm ó 2.36 mm) y el tamiz 0.3 mm. La fig. 10.6.
Se especifica que las gradaciones no deben pasar por la zona restringida sino a uno y otro
lado de la línea de máxima densidad seca que generalmente comienza en el tamiz 2.36 mm
y se extiende hasta el tamiz 0.300 mm. El valor máximo y mínimo que se requiere para los
puntos de control depende del tamaño máximo nominal.
Carta potencia 0.45 para TM 19 mm
Porcentaje que pasa
100
línea máx.
densidad
80
60
zona
restringida
40
tamaño
máx
tamaño
nominal máx
puntos
control
20
19
12.5
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.075
0.15
0.3
0
Tamiz elevado a la potencia 0.45
Figura 10.6: Límites de gradación Superpave
para tamaño máximo de 19 mm
La Tabla 10.4 define los puntos de control y la zona restringida recomendada para diferentes
tamaños máximos nominales. Todas las combinaciones de agregados deben pasar entre los
puntos de control establecidos, además, deben estar fuera de la zona restringida.
10.6.2 Determinación del Contenido de Ligante Asfáltico
a) Compactador Giratorio Superpave
La principal herramienta del diseño de mezclas volumétricas es el compactador giratorio
Superpave (SGC). Un diseño de mezclas satisfactorio es aquel que cumpla los requisitos
volumétricos a niveles iniciales y del número de revoluciones de diseño; estos niveles
dependen del tráfico. Intuitivamente, las propiedades de la curva de densificación del SGC
se correlacionan de alguna manera con la performance del pavimento, en particular, la
deformación permanente, pero la relación propiedad-performance no está cuantificada.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
191
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Los investigadores de la SHRP tuvieron varios objetivos al desarrollar un método de
compactación de laboratorio. El Compactador Giratorio Superpave, SCG compacta las
muestras de manera similar a la que se obtendrá bajo tráfico y condiciones de clima
específicos.
Tabla 10.4: Especificaciones de Agregados Superpave
Tamaño
estándar
(mm)
50.0
37.5
25.0
19.0
12.5
9.50
2.36
0.075
Tamiz
4.75
2.36
1.18
0.60
0.30
9.5 mm
100
90-100
32-67
2.0-10.0
Puntos de Control
Tamaño máximo Nominal
12.5 mm
19 mm
25 mm
100
90-100
100
90-100
100
90-100
37.5 mm
100
90-100
28-58
23-49
19-45
15-41
2.0-10.0
2.0-8.0
1.0-7.0
0.0-6.0
Zona Restringida
39.5
34.7
47.2
39.1
34.6
26.8-30.8 23.3-27.3
31.6-37.6 25.6-31.6 22.3-28.3 18.1-24.1 15.5-21.5
23.5-27.5 19.1-23.1 16.7-20.7 13.6-17.6 11.7-15.7
18.7
15.5
13.7
11.4
10.0
El equipo de compactación tiende a orientar las partículas de agregado de manera similar a
las observadas en campo y es capaz de medir la compacidad
b) Equipo de Compactación
El origen del SGC fue el compactador giratorio modificado de Texas que usa los principios
del compactador giratorio Francés. El compactador giratorio modificado de Texas densifica
los especimenes de manera realista y es razonablemente portátil. El diámetro del espécimen
es de 6 pulg. (150 mm) pudiendo compactar mezcla con agregados de 50 mm de tamaño
máximo (37.5 mm de tamaño máximo nominal). Figura 10.7.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
192
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Figura 10.7: Esquema del Equipo de Compactación
El pisón aplica 600 kPa de presión de compactación sobre el espécimen. Un medidor
mantiene constante la presión en el pisón durante la compactación. El molde del SGC (fig.
10.8) tiene un diámetro interior de 150 mm y un plato en la base del molde proporcionando
confinamiento. La base del SGC rota a una velocidad de 30 rev/min durante la
compactación, con el molde ubicado a un ángulo de compactación de 1.25°.
Presión de pisón
600 kPa
Molde 150 mm
1.25º
30 rev/min
Figura 10.8: Configuración del Molde SGC
Durante la compactación se mide la altura del espécimen. La densidad del espécimen se
calcula durante la compactación, con la masa colocada en el molde, el diámetro interior del
molde y la altura. El número de revoluciones de diseño, Ndiseño, depende del nivel del tráfico
(tabla 10.5).
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
193
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Tabla 10.5: Esfuerzo de Compactación del SGC
ESALs de
diseño
(millones)
Parámetros de
Compactación
Ninicial Ndiseño Nmáxim
o
< 0.3
6
50
75
0.3 a <3
7
75
115
3 a < 30
8
100
160
≥ 30
9
125
205
Aplicaciones típicas
Carreteras con tráfico muy ligero,
calles locales donde el tráfico de
camiones está prohibido o es muy
pequeño.
Colectores o accesos a ciudades.
Tráfico medio.
Carreteras con dos carriles ó más,
acceso controlado. Calles de ciudades
con tráfico medio a alto.
Sistema interestadual tanto rural como
urbana. Aplicaciones especiales como
estaciones de pesaje de camiones, o
faja donde los camiones pueden pasar
en vías de doble carril.
c) Preparación y Compactación de Especimenes
Se preparan especimenes que serán compactados a 6” de diámetro, mezcla suelta para el
ensayo de gravedad específica teórica máxima y especimenes compactados 95 mm de
altura para el ensayo de daño por humedecimiento.
Determinar las temperaturas de mezcla y compactación usando la carta de viscosidad del
asfalto, correspondiente a 0.17±0.02 Pa-s y 0.28±0.03 Pa-s, respectivamente.
Coloque en un recipiente los agregados y lleve al horno a una temperatura 15°C mayor que
la Tºmezcla. Mientras los agregados se calientan, calentar todos los implementos para la
mezcla y el ligante asfáltico a la temperatura de mezcla.
El procedimiento seguido para la preparación de la mezcla es común, en líneas generales
consiste en mezclar los agregados y asfalto hasta conseguir una mezcla uniforme. Verterla
en un recipiente plano y llevarlo al horno por 2 horas ± 5 minutos para su envejecimiento
corto y luego compactar al número de revoluciones de diseño, Ndiseño.
d) Selección del Optimo Contenido de Asfalto
El óptimo contenido de asfalto es el que produce el 4% de vacíos de aire a Ndiseño. Este valor
se determina comparando la gravedad específica bulk de cada especimen con la gravedad
específica teórica máxima o RICE.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
194
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
10.6.3 Sensibilidad al Humedecimiento
El paso final en el diseño de mezclas Superpave es evaluar la sensibilidad al
humedecimiento. Este ensayo normado por la AASHTO T283, Resistance of Compacted
Bituminous Mixtures to Moisture Induced Damage se realiza para el contenido óptimo de
asfalto. Los especimenes para este ensayo son compactados a aproximadamente 7% de los
vacíos de aire. Se preparan seis especimenes, tres de los cuales son acondicionados, figura
10.9 los otros tres son de control, figura 10.10.
El acondicionamiento de especimenes consiste en la saturación por un ciclo opcional de
congelamiento, seguido por 24 horas de deshielo a 60°C. Los seis especimenes se ensayan
para determinar su resistencia a la tensión indirecta. La sensibilidad al humedecimiento se
determina como la relación de la resistencia a la tensión promedio de los especimenes
acondicionados entre la resistencia a la tensión promedio de los especimenes de control. La
pérdida de resistencia deberá ser no menor al 80%.
Figura 10.9:
Acondicionamiento de
especimenes Superpave
Figura 10.10:
Especimenes de control
Superpave
10.7 Diseño de Mezcla Stone Mastic Asphalt
10.7.1 Introducción
Las mezclas Stone Mastic Asphalt son el resultado de la combinación de una estructura
granular gruesa y un mastic de asfalto, filler y fibra. La mezcla es de textura abierta y
estructura interna densa con un volumen de vacíos de aire entre 2 y 4%.
Las mezclas Stone Mastic Asphalt también conocidas como Stone Matrix Asphalt tienen
origen Alemán. Bajo la denominación de “Splittmastixasphalt”, a finales de los años 60, se
construyen las primeras carreteras con este tipo de mezclas.
En Europa, las mezclas SMA vienen siendo usadas en las capas superiores por mas de 30
años, para reducir las deformaciones permanentes producidas por trafico pesado. Las
gradaciones de los agregados y el óptimo contenido de asfalto son considerablemente
diferentes que las mezclas densas.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
195
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
En el Stone Mastic Asphalt prevalece el contacto piedra-piedra debido a su estructura
granular lo que no ocurre con las mezclas asfálticas densas que están formadas por
agregados dentro de una matriz arenosa. Las cargas de tráfico en SMA son soportadas por
las partículas de agregado grueso.
La experiencia Europea fue analizada y evaluada por un grupo de estudio de los Estados
Unidos. El viaje de investigación conformado por 21 miembros representantes de la
AASHTO, NAPA, FHWA, TRIS, INSTITUTO DEL ASFALTO y SHRP, fue realizado a
mediados de setiembre de 1990. Por dos semanas visitaron seis naciones europeas:
Alemania, Suecia, Francia, Italia, Dinamarca y Reino Unido.
El grupo de estudio revisó los procedimientos constructivos de pavimentos y los tipos de
mezclas asfálticas que prevalecen en estos países. En opinión de los miembros del grupo, la
mezcla adecuada para mejorar el comportamiento de los pavimentos en Estados Unidos,
fue Stone Mastic Asphalt.
En los Estados Unidos las mezclas asfálticas SMA están siendo evaluadas con diferentes
ensayos de laboratorio para cuantificar lo que es evidente, el mejor comportamiento de este
tipo de mezclas ante las deformaciones permanentes y agrietamientos por fatiga.
10.7.2 Revisión Bibliográfica
a) Referencia Histórica
Las mezclas Stone Mastic Asphalt son un diseño concebido para resistir el ahuellamiento y
abrasión producido por neumáticos que llevan elementos antideslizantes (cadenas, clavos,
etc.) usados en carreteras cubiertas por nieve. El desgaste de los agregados tiene relación
con el efecto abrasivo del tráfico y calidad de los agregados.
Luego de una etapa de investigación, por parte del Ministerio de Transporte de Alemania,
para solucionar el problema de tráfico pesado con recubrimiento de neumáticos, se
implementó la utilización de una mezcla con 75% de piedra de 5 a 8 mm, 15% de arena,
10% de filler y 7% de ligante bituminoso. El problema de este tipo de mezclas es el
escurrimiento durante la etapa de mezclado, para evitarlo se incorporaron fibras con aditivo
estabilizante. Nace SMA en julio de 1968.
SMA es de uso frecuente en Alemania, llevan mas de 200 millones de m2 pavimentados, en
autopistas, caminos y calles de la ciudad; y unos 5 millones de ton/año de SMA. Las SMA
están normalizadas desde 1984 en Alemania con la última actualización en 2001 (ZTV
Asphalt-StB 01). Austria, Bélgica, Holanda y los países Escandinavos también producen
SMA y existen especificaciones en todos los países europeos. En los últimos años también
en Asia el SMA es usado como el pavimento más apropiado. Países como China, Japón,
Corea del Sur, Hong Kong, Taiwan y Filipinas los han adoptado. Australia y Nueva Zelanda
se han sumado y utilizan la tecnología SMA.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
196
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
En Estados Unidos desde 1991 se han construido autopistas con este tipo de mezcla, y
están verificando su excelente comportamiento ante deformaciones permanentes y
agrietamientos por fatiga. Han sacado un sin numero de publicaciones relacionadas a
evaluaciones a la que está siendo sometidas este tipo de mezclas, se encuentra
normalizada.
En la actualidad se esta fomentando e implementando el uso de este tipo de mezclas en
América del Sur. Argentina es uno de los países que comenzó a trabajar a gran escala 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 de Brasil y Chile. En menos de dos años se
aplicaron más de 180,000 toneladas de SMA.
En Brasil, en febrero del 2000 se utilizó SMA en el recapeo del autodromo de Interlagos en
Sao Paulo, de 3 cm de espesor, se empleó asfalto modificado con polímero SBS al 6%,
contenido de ligante de 6.7%, 0.5% de fibra celulosa y filler calcáreo. En agosto del 2001 se
revistió la pista experimental construida en la vía Anchieta, km 44+400 a 45+000]. En el
2002 se ejecutó un microrevestimiento en un tramo experimental de 1000 m preparado por
un concesionario paulista. Las especificaciones granulométricas adoptadas son las
recomendadas por las normas Alemanas. Los resultados son satisfactorios en todos los
casos.
b) Comportamiento de Mezclas SMA
La fortaleza de las mezclas SMA se basa en una estructura granular donde predomina el
contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante y baja
deformación permanente La granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) del SMA es
rellenada con un mastic de finos, filler, asfalto y fibra. Por su constitución granulométrica se
considera un mayor porcentaje de ligante asfáltico en la mezcla, entre 6 a 7%, esto resulta
en una mezcla con mayor durabilidad. Las fotos 10.3 y 10.4 muestran la diferencia entre las
mezclas Superpave y SMA.
Foto 10.3: Stone Mastic Asphalt
Foto 10.4: Superpave
SMA contiene vacíos entre 2 a 4% por volumen, este bajo porcentaje de vacíos proporciona
una excelente macrotextura y baja permeabilidad. El aditivo estabilizador de la mezcla
puede ser fibra de origen orgánico o mineral o polímero. Ellos recubren el agregado y evitan
que el ligante se escurra, asegurando una mezcla homogénea.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
197
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
SMA ha demostrado ser rentable a pesar de requerir un alto contenido en ligante, así como
la utilización de áridos de gran calidad. Un SMA estudiado adecuadamente requiere niveles
mínimos de conservación, siempre que se utilice en carreteras bien diseñadas. Las ventajas
adicionales de una rápida aplicación y la facilidad de uso en las operaciones de
conservación pueden contribuir a una reducción de costes durante la vida de un pavimento.
c) Diseño de Mezclas
Fibras (Aditivo Estabilizador)
Uno de los principales problemas observados en las mezclas SMA es el escurrimiento del
cemento asfáltico de la piedra, ocasionando los fat spot o manchas en la superficie del
pavimento.
SMA se caracteriza por su alto contenido de piedra que forma un esqueleto de
granulometría incompleta. Los vacíos de la matriz estructural se llenan con un mastic
bituminoso altamente viscoso. La rigidez requerida del mastic se consigue incorporando
aditivo estabilizante.
Los aditivos estabilizantes como fibras, caucho, polímero, carbón negro o combinación de
estos materiales son incorporadas para rigidizar el mastic a altas temperaturas.
Contacto piedra-piedra
De acuerdo con la literatura revisada para que una mezcla SMA trabaje adecuadamente,
debe desarrollarse el contacto piedra-piedra.Los procedimientos de ensayos para cuantificar
el contacto piedra-piedra fueron discutidos por Haddock y otros.
Teniendo como base sus investigaciones, Brown y Mallick sugieren usar el ensayo de peso
unitario seco rodillado (AASHTO T19) para determinar si existe el contacto piedra-piedra en
una mezcla SMA. Se asegura el contacto piedra-piedra del esqueleto granular de la mezcla,
cuando el VCA de la mezcla de SMA es igual o menor que el VCA del agregado grueso,
ensayado con el peso unitario seco rodillado (AASHTO T19).
Agregados
Cuando se habla de agregados se debe enfocar el problema en los siguientes puntos:
calidad del agregado, granulometría de la combinación de agregados y selección de la
gradación que garantice el contacto piedra-piedra.
Tan pronto como las mezclas hayan sido compactadas y enfriadas se extraen del molde. Se
determina la gravedad específica bulk, Gmb, según la norma AASHTO T166. Con muestras
en su condición suelta se calcula la gravedad específica teórica máxima o RICE, Gmm, según
la norma AASHTO T209. El porcentaje de vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
198
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
mineral (VMA) y vacíos de agregado grueso en mezcla (VCAmezcla) se calculan con las
siguientes ecuaciones:
⎛ G ⎞
Va = 100⎜⎜ 1 − mb ⎟⎟
⎝ G mm ⎠
Donde:
Ps
PCA
Gmm
Gmb
Gsb
Gca
;
⎛G
⎞
VCA mezcla = 100 − ⎜⎜ mb PCA ⎟⎟
⎝ G ca
⎠
y
⎛G
⎞
VMA = 100 − ⎜⎜ mb Ps ⎟⎟
⎝ G sb ⎠
porcentaje de agregado en mezcla
porcentaje en peso de agregado grueso en mezcla
gravedad especifica teórica máxima de la mezcla
gravedad especifica bulk de la mezcla
gravedad especifica bulk de la combinación de agregados
gravedad especifica bulk del agregado grueso
De la combinación agregado-asfalto realizada en el laboratorio se elige aquella mezcla que
tenga por lo menos 17% de VMA y VCAmezcla menor que VCADRC. Los vacíos de agregado
grueso DRC “Dry Rodder Unit Weight” se simplifican con VCADRC.
Para determinar los vacíos en el agregado grueso se propusieron diferentes métodos, pero
el más popular es el Unit Weight and Voids in Aggregate normalizado por AASHTO T19.
Cuando se calcula la densidad seco-rodillado de la fracción de agregado grueso, el VCADRC
de la fracción se determina usando la siguiente ecuación:
⎛ G γ − γs ⎞
⎟⎟100
VCA DRC = ⎜⎜ ca ω
⎝ G ca γ ω ⎠
Donde:
VCADRC vacíos en el agregado grueso en la condición seco-rodillado
γs
peso unitario de la fracción de agregado grueso en la
condición seco-rodillado (kg/m3)
γw
peso unitario del agua (998 kg/m3)
Gca gravedad especifica bulk del agregado grueso
Material de Relleno (filler)
Filler se define como el material en el que por lo menos el 65% de material pasa la malla nº
200.
El filler cumple la función de relleno de los vacíos entre los agregados gruesos,
contribuyendo a la consistencia de la mezcla, modificando la trabajabilidad, resistencia al
agua y envejecimiento. Su incorporación incrementa la viscosidad del medio cohesivo
(resistencia a la deformación).
La mayor parte de los materiales de relleno que pasan la malla nº200 (75 µm) son
relativamente gruesos (mayor que 40 µm), la mayor parte de este material cumple la función
de rellenar los vacíos del esqueleto mineral, disminuyendo el índice de vacíos y modificando
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
199
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
el óptimo contenido de asfalto. El filler actuará con el ligante asfáltico formando una película
que recubrirá las partículas de agregados (Motta y Leite, 2000, Harris y Stuart, 1995).
El porcentaje de material que pasa la malla nº200 (75 mm), ahora se denomina dust para
acentuar la diferencia de su comportamiento con respecto al tradicional filler. Cuando el
porcentaje de material que pasa la malla nº200 aumenta, se reducen los vacíos del
esqueleto mineral, mejora la gradación y la trabajabilidad del mezclas bituminosas aumenta
hasta cierto punto. Por encima de este nivel, cuanto mayor sea el porcentaje que pasa la
malla nº200, los finos comenzarán a perjudicar la estabilidad del esqueleto mineral,
disminuyendo los contactos entre las partículas gruesas, alterando la capacidad de
compactación (Motta y Leite, 2000).
d) Análisis Volumétrico
El análisis volumétrico de mezclas SMA comparadas con las mezclas convencionales o
Superpave incorpora los conceptos de gravedad específica bulk del agregado grueso,
vacíos de agregado grueso en mezcla, VCAmezcla, y vacíos de agregado grueso DRC,
VCADRC.
Los vacíos en el agregado mineral o VMA, es el volumen de vacíos entre los agregados
(gruesos y finos) de una mezcla compactada que incluye los vacíos de aire y el contenido de
asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla.
aire
asfalto
efectivo
VMA
absorbido
agregado
mineral
Grueso y
fino
Figura 10.11: Vacíos en Agregado Mineral, VMA
Los vacíos de agregado grueso obtenido por el peso unitario seco rodillado, VCADRC, se
define como el porcentaje de vacíos de aire dentro de una muestra de agregado grueso
compactado. La figura 10.12 ilustra este concepto.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
200
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Aire
30-40% de volumen
VCADRC
agregado
grueso
Peso Unitario
Seco Rodillado
Figura 10.12: Vacíos en Agregado Grueso, VCADRC
Los vacíos de agregado grueso en mezcla, VCAmezcla, se definen como el porcentaje de
vacíos de aire mas el contenido de asfalto efectivo y el agregado fino. El asfalto absorbido
se considera como parte del volumen ocupado por el agregado grueso. La figura 10.13
ilustra este concepto.
Aire
Asfalto
efectivo
VCAmezcla
Agregado
fino
Agregado
grueso
Figura 10.13: Vacíos en Agregado Grueso, VCAmezcla
Para los cálculos de VCAmezcla y VMA, el asfalto absorbido por el agregado se considera
como parte del agregado.
e) Elección del Optimo Contenido de Asfalto
Una vez que la gradación de la mezcla se haya elegido, es probable que se deba ajustar el
contenido de cemento asfáltico para obtener el apropiado porcentaje de vacíos de aire en la
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
201
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
mezcla. Para este caso, se preparan especimenes con la misma granulometría, pero
variando el porcentaje de asfalto. El óptimo contenido de asfalto es el que produce el 4% de
los vacíos de aire en la mezcla. La NCAT luego de evaluaciones de pavimentos SMA
sugieren que se elija el contenido de asfalto que produce vacíos de aire cercanos a 4% para
proteger la mezcla de los fat spots luego de colocarse la mezcla y mejora la resistencia a las
deformaciones permanentes, particularmente en climas cálidos. Para climas fríos puede
usarse contenidos de vacíos de aire cerca de 3.5%.
10.7.3 Experiencias con SMA por el Mundo
La normalización europea se vino efectuando a través del grupo de trabajo CEN TC227/WG
1 “Mezclas Bituminosas” que estuvo desarrollando una norma para SMA. Se conoce de
referencia que estas especificaciones han sido recientemente terminadas y se espera que
pronto se cuente con ellos.
Todos los países que iniciaron trabajos con mezclas SMA tienen como punto de referencia
las especificaciones alemanas. Sin embargo, luego de los primeros trabajos fueron
adaptando las mismas a su propia condición de sitio. A continuación se hace referencia a las
Especificaciones Técnicas Alemanas y Norte Americana.
e Alemania (EAPA, 1998)
Existen cuatro tipos de mezclas para pavimentos con alto volumen de tráfico 0/8, 0/5 y
0/11S, 0/8S. Están normalizados por la “Empfehlungen fur die Zusammensetzung, die
Herstellung und den Einbau von Splittmastixasphalt”, FGSV 1996, e incorporado en la
National Standart ZTV Asphalt – StB, 1998. La tabla 10.6 muestra las características de
mezclas asfálticas SMA según las Especificaciones Técnicas Alemanas ZTV Asphalt-StB 01
(2001).
El contenido de aditivo estabilizante varía de 0.3 a 1.5% dependiendo de la fibra y tipo de
ligante.
e Estados Unidos de América
SMA es una mezcla relativamente nueva en los Estados Unidos. Su aplicación es el
resultado del European Asphalt Study Tour realizado en otoño de 1990. A principios de
1991, la Federal Highway Administration (FHWA) formó un Grupo Técnico de Trabajo
(TWG) para normar los materiales y procesos constructivos de mezclas SMA.
Las primeras mezclas SMA se colocaron en Wisconsin durante 1991 seguido por Michigan,
Georgia, y Missouri durante el mismo año.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
202
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
Tabla 10.6: Características de Mezclas asfálticas tipo SMA usadas en Alemania
según las especificaciones técnicas Alemanas
ZTV Asphalt StB 01 (2001)
SMA
Stone Mastic Asphalt
Tipo de agregados
Agregados minerales:
Agregado en peso (%) < 0.09 mm
Agregado en peso (%) > 2.0 mm
Agregado en peso (%) > 5.0 mm
Agregado en peso (%) > 8.0 mm
Agregado en peso (%) > 11.2 mm
Relación arena natural/arena chancada
Porcentaje que pasa el tamiz
0.09 mm
2.0 mm
5.0 mm
8.0 mm
11.2 mm
Ligante bituminoso
Tipo de ligante (penetración – dmm)
Contenido ligante en peso de mezcla (%)
Aditivos estabilizadores
Contenido de mezcla en peso (%)
Mezclas Asfálticas
Especimenes Marshall
Temperatura de compactación (ºC)
Vacíos de aire (%)
Capas
Capa de rodadura
Espesor recomendado (cm)
Taza de aplicación (kg/m2)
Capa de reperfilage**
Espesor recomendado (cm)
Taza de aplicación (kg/m2)
Grado de compactación de la capa (%)
Vacíos de aire en capa compactada (%)
0/11S
0/8S
Agregado chancado, Arena
chancada, filler comercial
0/8
0/5
Agregado chancado,
Arena chancada y
natural, filler comercial
9 – 13
73 – 80
60 – 70
≥ 40
≤ 10
1:0
10 - 13
73 – 80
55 – 70
≤ 10
1:0
8 – 13
70 – 80
45 – 70
≤ 10
≥ 1:1
8 – 13
60 – 70
≤ 10
≥ 1:1
9 – 13
20 – 27
30 – 40
50 – 60
90 - 100
10 – 13
20 – 27
30 – 45
90 – 100
-
8 – 13
20 – 30
30 – 55
90 – 100
-
8 – 13
30 – 40
90 – 100
-
50/70
(PmB 45)
≥ 6.5
50/70
(PmB 45)
≥ 7.0
70/100
≥ 7.0
70/100
(160/220)
≥ 7.2
0.3 – 1.5
*135±5
3.0 – 4.0
*135±5
3.0 – 4.0
*135±5
2.0 – 4.0
*135±5
2.0 – 4.0
3.5 – 4.0
85 – 100
3.0 – 4.0
70 – 100
2.0 – 4.0
45 – 100
2.0 – 4.0
45 – 75
2.5 – 5.0
60 - 125
2.0 – 4.0
45 – 100
≥ 97
≤ 6.0
–
-
–
-
* para asfalto modificado con polímero (PmB 45), la temperatura de compactación debe ser 145±5ºC
** capa de reperfilage son capas de rodadura sobre la capa intermedia o inferior con problemas geométricos.
Para el verano de 1997, por lo menos 28 estados construyeron mas de 100 proyectos,
totalizando mas de 3 millones de toneladas de SMA. La mayoría de los proyectos fueron
construidos entre 1992 y 1996 y la mayor parte fueron colocados para soportar tráfico
pesado.
El primer proyecto de SMA en los Estados Unidos diseñado siguiendo la “receta” de las
especificaciones Alemana. La NCAT ha desarrollado un detallado diseño de mezclas para
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203
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Diseño de Mezclas Asfálticas
SMA. Las normas son AASHTO MP8 “Specification for Designing Stone Matrix Asphalt
(SMA)” y AASHTO PP41 “Practice for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA)”. Las tablas
10.7 a 10.12 muestran las especificaciones de las mezclas SMA usadas en los EE.UU.
Tabla 10.7: Requisitos de Calidad para Agregado Grueso, AASHTO MP8
Ensayo
Abrasión L.A., % pérdida
Chatas y Alargadas, %
3a1
5a1
Absorción, %
Durabilidad (5 ciclos), %
Sulfato de sodio
Sulfato de magnesio
Contenido de caras fracturadas, %
Una cara
Dos caras
Método
AASHTO T96
ASTM D4791
AASHTO T85
AASHTO T104
Especificación
30* máx
20 máx
5 máx
2 máx
15 máx
20 máx
ASTM D5821
100 min
90 min
* Aunque los agregados con pérdidas mayores a 30% se usan satisfactoriamente, las piedras
se pueden quebrar durante el proceso de compactación en el laboratorio o durante la
compactación en campo con estos agregados.
Tabla 10.8: Requisitos de Calidad para Agregado Fino, AASHTO MP8
Ensayo
Durabilidad (5 ciclos), %
Sulfato de sodio
Sulfato de magnesio
Angularidad, %
Límite Líquido, %
Indice de plasticidad
Método
AASHTO T104
AASHTO TP33
(Método A)
AASHTO T89
AASHTO T90
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Especificación
15 máx
20 máx
45 min
25 máx
N.P.
204
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Tabla 10.9: Rango Granulométrico de SMA (% pasante por volumen)
AASHTO MP8
Tamiz,
mm
25.0
19.0
12.5
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.075
TMN 19 mm
Inferior Superior
100
100
90
100
50
74
25
60
20
28
16
24
13
21
12
18
12
15
8
10
TMN 12.5 mm
Inferior Superior
100
90
26
20
16
13
12
12
8
100
100
78
28
24
21
18
15
10
TMN 9.5 mm
Inferior Superior
100
90
26
20
13
12
12
8
100
100
60
28
21
18
15
10
El TMN se refiere al Tamaño Máximo Nominal que representa a un tamiz mayor que el primer tamiz
que retiene mas del 10%
Tabla 10.10: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño Marshall
NAPA 2002
Propiedades
Cemento asfáltico, %
Vacíos de aire, %
VMA, %
VCA, %
Estabilidad, kg
TSR, %
Escurrimiento a Tºproducción, %
Especificación
6 mín*
4
17 mín**
Menor que VCADRC
632 mín***
70 mín
0.30 máx
* El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si
la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75
** VMA mínimo durante la producción
*** Valor de estabilidad sugerido, basado en la experiencia
Tabla 10.11: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño con Compactador
Giratorio Superpave AASHTO MP8 y NAPA 2002
Propiedades
Cemento asfáltico, %
Vacíos de aire, %
VMA, %
VCA, %
TSR, %
Escurrimiento a Tºproducción, %
Especificación
6 mín*
4
17 mín**
Menor que VCADRC
70 mín
0.30 máx
* El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si
la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75
** VMA mínimo durante la producción
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Tabla 10.12: Propiedades de Fibra Celulosa, AASHTO MP8
Propiedades
Análisis por tamizado
Método A: Análisis por tamiz Alpina
Longitud de fibra (máx)
Pasa tamiz nº100
Método B: Análisis por tamiz cuadrado
Longitud de fibra (máx)
Pasa tamiz nº20
Pasa tamiz nº40
Pasa tamiz nº140
Contenido de cenizas
Ph
Absorción de petróleo
Contenido de Humedad
Especificación
6 mm
70±10%
6 mm
85% (±10%)
65% (±10%)
30% (±10%)
18% (±5%) no volátiles
7.5% (±1)
5 (±10) (vez por peso de fibra)
< 5% (por peso)
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