capitulo v diseño en laboratorio

CAPITULO V
DISEÑO EN LABORATORIO
Para comenzar con el diseño de mezcla, primero hay que verificar que los agregados y el
cemento asfáltico cumplan los requisitos de calidad.
5.1.- MATERIALES USADOS
5.1.1.- AGREGADOS GRUESO Y FINO
Los agregados utilizados son procedentes de la Cantera La Gloria (Ate), ubicada en el Km.
14 de la carretera central y cumple con los requisitos de calidad certificados por la
compañía FIRTH INDUSTRIAS PERU S.A. que es la proveedora de estos agregados.
Se utilizó piedra chancada de tamaño máximo ½” , piedra chancada de tamaño máximo ¼”
y arena gruesa. El análisis granulométrico de estos agregados se muestra en las Figuras
N°5.1, 5.2 y 5.3
5.1.2.- CEMENTO ASFALTICO DE PETROLEO
Cemento Asfáltico CAP-PEN
Procedencia
Certificado de Ensayo
: 60 - 70
: Refinería de Conchán – Petroperú (Lima)
: Se adjunta.
5.1.3.- EMULSION ASFÁLTICA: ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS
Tabla N° 5.1.- Especificaciones y Características de la Emulsión Asfáltica
EMULSION ASFALTICA CATIONICA
TIPO
: ROTURA MEDIA
GRADO
: CRM 2 ( PRODUCIDA EN LABORATORIO )
MIN
MAX
RESULTADO
OBTENIDO
PRUEBAS DE EMULSIONES
VISCOSIDAD SAYBOLT FUROL A 50ºC (122ºF), s
SEDIMENTACION, 5 dias, %
ESTABILIDAD ALMACENAMIENTO 24 h, %
50
0
0
450
5
1
70
3
0.5
TAMIZADO, %
0
0.1
0.03
100
250
110
PENETRACION SOBRE RESIDUO DE ENSAYO DE DESTILACION
PENETRACION, 25ºC (77ºF), 100 mg.,5s.
5.2.- ENSAYOS REALIZADOS SOBRE LOS AGREGADOS
5.2.1.- ANALISIS GRANULOMETRICO POR TAMIZADO (ASTM D-421)
La granulometría es la distribución de las partículas de un suelo de acuerdo a su tamaño.
Esta se determina mediante el tamizado o paso del agregado por mallas de distinto
diámetro hasta el tamiz Nº 200 ( de diámetro 0.074 mm.), considerándose el material que
pasa dicha malla en forma global.
El análisis granulométrico deriva en una curva granulométrica, donde se plotea: diámetro
de tamiz vs porcentaje acumulado que pasa o que retiene el mismo, de acuerdo al uso que
se quiera dar al agregado.
EQUIPO NECESARIO
¾ Balanza con sensibilidad de 0.1 % del peso de la muestra a ensayarse.
¾ Juego de tamices: ¾”, ½”, 3/8”, ¼”, Nº 4, Nº 8, Nº 10, Nº16, Nº30, Nº50, Nº100,
Nº200, incluyendo tapa y fondo, siendo las mallas de abertura cuadrada.
¾ Horno de graduación de temperatura de hasta 110ºC como mínimo.
¾ Bandeja con capacidad suficiente para colocar la muestra.
¾ Depósito para lavar la muestra.
En la Foto N° 5.1 se muestra el equipo necesario usado en el Ensayo Granulométrico
FOTO N° 5.1: EQUIPO UTILIZADO EN EL ENSAYO GRANULOMETRICO
PROCEDIMIENTO USADO
POR CUARTEO
El cuarteo es el proceso de reducir una muestra representativa a un tamaño conveniente, o
de dividirla en dos o mas partes para efectuar ensayos con ellas.
Se realiza sobre todo en muestras cuya grava no es limpia, sino que contiene material
arcilloso que rodea el agregado grueso. Se procede de la siguiente manera:
¾ Se extiende la muestra en una superficie limpia y llana o sobre una lona, y se
mezcla con una pala. Se hace de modo que el material se deposite en forma cónica,
y luego se aplasta el cono con la pala formando una capa circular de espesor
uniforme.
¾ Con una escuadra o tablón rectangular de madera, se divide en cuatro partes
aproximadamente iguales, se escogen dos partes opuestas y se unen, desechándose
las otras dos.
¾ Se repite esta operación hasta tener la cantidad de material necesario para el
análisis, mas o menos 2 a 3 kg.
¾ Se seca en horno durante 16 horas a una temperatura de 110 ºC o a la intemperie si
el clima lo permite, hasta que tenga peso constante.
¾ Se disgregan los terrones arcillosos del material. Se pesa la muestra seca sin lavar y
se anota como P1 (Peso de la muestra secada al horno).
¾ Se lava, vertiendo el agua con material suspendido en al tamiz Nº200, y se elimina
el material que pasa por dicho tamiz, que vendría a ser la parte de arcilla del
agregado.
¾ Con la finalidad de no maltratar el tamiz Nº200, se puede lavar la grava separada
del fino, para verter sobre esta malla solo el material fino que no la deteriora.
¾ Se seca la muestra lavada en horno a 110ºC por 16 horas, hasta que tenga peso
constante. Una manera práctica de observar si el material está completamente seco,
es colocar un vidrio sobre la muestra, si se empaña es que todavía contiene
humedad, sino se empaña la muestra está seca.
¾ Se colocan los tamices ordenadas en forma descendente en cuanto a su diámetro
para que los diámetros mayores queden arriba, siendo la última en colocar la malla
Nº200, debajo de la cual se coloca una base.
¾ Se pasa el agregado por los tamices y se agita el tiempo necesario hasta que no pase
muestra al siguiente tamiz o a la base. Para lograr esto en el agregado fino el
tiempo de agitación debe ser de aproximadamente 15’. Es preferible realizar por
separado el tamizado del agregado grueso y el fino, para lo cual se hace primero
pasar el material por el tamiz Nº4.
¾ Se debe contar con otra base o fondo para tamizar por separado cada malla debajo
de la cual se coloca la misma y se tamiza hasta que no pase material a ésta, lo que
pasa se coloca en le tamiz siguiente. El material que queda retenido en el tamiz se
coloca en la base y luego se pesa. En el caso del agregado grueso es fácil colocarlo
en la base, en el agregado fino es necesario utilizar una escobilla para limpiar la
malla y de este modo no perder material.
¾ Se procede de la misma manera con cada uno de los tamices, anotándose en cada
uno el peso que retiene. También se anota el material que queda en la base debajo
de la malla Nº200. Esto nos permite verificar si no hay error: Se puede anotar el
Peso seco lavado antes de pasarlo por los tamices, entonces la suma de los pesos
retenidos en los distintos tamices hasta la malla Nº200 más el peso que queda en la
base debe coincidir con éste: En la práctica siempre hay una pequeña diferencia,
pero debe ser mínima.
Los cálculos y resultados se muestran a continuación en las figuras 5.1 , 5.2 y 5.3
5.2.2.- PESO ESPECIFICO Y ABSORCIÓN DEL AGREGADO GRUESO (ASTM
C-127)
EQUIPO NECESARIO
¾ Balanza, con capacidad de acuerdo al peso de la muestra y sensible a 0.5 gr.
¾ Cesta metálica, cilíndrica, hecha con tela metálica Nº4 de 20 cm. de diámetro y 20
cm. de altura. La abertura es para permitir que pase el agua y no el material, ya que
estamos empleando muestras mayor que este tamaño.
¾ Balde donde se pueda sumergir completamente la cesta, con un alambre para
conectar la balanza con la cesta.
¾ Horno capaz de mantener la temperatura a 110ºC
PROCEDIMIENTO
¾ Se lava la muestra y se pone a secar en horno a 110ºC hasta peso constante. Se
pone a enfriar a temperatura ambiente y se sumerge en un depósito con agua por 24 horas, para su saturación.
¾ Transcurrido el tiempo de saturación, se le vacía el agua, y se le va quitando
humedad con una tela apropiada (puede ser franela, toalla u otra tela que absorba la
humedad) hasta conseguir que toda su superficie quede sin agua, pero no seca, sino
opaca (estado saturado superficialmente seco).
¾ Se anota el peso del material en estado saturado superficialmente seco, con
aproximación de 0.5 gr.
¾ Se coloca la muestra pesada en el cestillo de alambre y se determina el peso de la
muestra sumergida completamente dentro del balde, conectando el cestillo a la
balanza. Es importante que no se pierda absolutamente nada de muestra del
material que se pesó en estado saturado superficialmente seco, porque
distorsionaría los resultados.
¾ Se pone a secar la muestra en horno a 110ºC por 16 horas hasta peso constante, se
enfría a temperatura ambiente por 1 a 3 horas y se anota su peso.
Los cálculos y resultados se muestran a continuación en la Tabla N° 5.2
5.2.3.- PESO ESPECIFICO Y ABSORCIÓN DEL AGREGADO FINO (ASTM C128)
Se emplea el material que pasa el tamiz Nº4, disgregándose los terrones si los tuviera para
que pase el tamiz Nº4, y la muestra sea representativa.
EQUIPO NECESARIO
¾ Balanza, con capacidad de acuerdo al peso de la muestra y sensible a 0.5 gr.
¾ Picnómetro, denominado también fiola, que es un matraz o frasco volumétrico que
tiene una capacidad de 500 ml.
¾ Molde cónico metálico, con las siguientes dimensiones:
Diámetro Superior :
40 + - 3 mm
Diámetro Inferior
:
90 + - 3 mm
Altura
:
75 + - 3 mm
¾ Espesor mínimo
:
0.8 mm
¾ Apisonador de metal, con un peso de 340 + - 15 gr., con un extremo de superficie
plana circular de 25 + - 3 mm. de diámetro de contacto.
¾ Horno capaz de mantener la temperatura a 110 ºC
¾ Bomba de vacíos.
PROCEDIMIENTO
¾ Se anota el peso del picnómetro con agua hasta el nivel de 500 ml.
¾ Se cuartea hasta conseguir una muestra de más de 1 kg. de material que pasa la
malla Nº4, se pone a secar a 110ºC hasta peso constante, se enfría a temperatura
ambiente por 1 a 3 horas y se sumerge en un balde con agua por 24 horas par lograr
su saturación.
¾ Transcurrido ese tiempo se vierte el agua, con mucho cuidado para que no se pierda
el material arcilloso
¾ El material húmedo se coloca en bandeja y se lleva a horno muy moderado (60ºC)
para que gradualmente pierda humedad, removiendo constantemente para que la
humedad sea uniforme y para vigilar que no se seque la muestra más alla del estado
saturado superficialmente seco, el que se obtiene cuando se cumple la prueba del
cono:
¾ Se coloca el agregado hasta rebasar el cono metálico, y se le da unos cuantos golpes
con el apisonador. Se repite esta operación tres veces, debiendo sumar 25 el
número de golpes en las tres veces que se apisona la muestra.
¾ Se vuelve a rebasar, se enrasa y se retira el cono:
•
a.- Si se queda con forma tronco-cónica, tiene más humedad que la
correspondiente al estado saturado superficialmente seco.
•
b.- Si se queda con forma cónica terminada en punta sin desmoronarse,
tiene la humedad correspondiente al estado saturado superficialmente seco.
•
c.- Si se desmorona, tiene menos humedad que la correspondiente al estado
saturado superficialmente seco.
¾ Cuando el agregado se encuentra en el estado saturado superficialmente seco (b), se
pesan 500 gr. de material y se colocan en el picnómetro, y otros 500 gr. se ponen en
el horno a secar. Se puede usar menor cantidad de muestra sino alcanza, pero para
que la muestra sea representativa esta cantidad es la conveniente, y siempre se debe
pone la misma cantidad en el picnómetro y en el horno a secar. Si la muestra está
mas seca de lo necesario, se le debe rociar con agua, remover y esperar 30 minutos
antes de repetir la prueba del cono.
¾ Se llena el picnómetro hasta un nivel aproximado a los 500 ml. Y con la bomba de
vacíos se le quitan los vacíos que tenga el material hasta que se eliminen las
burbujas de aire. Si no se cuenta con bombas de vacíos se le quitan los vacíos
haciendo rodar el picnómetro y colocándolo luego en un baño a 23ºC por una hora,
volviéndose a agitar para eliminar todos los vacíos.
¾ Se añade agua hasta el nivel de 500 ml., anotándose su peso.
¾ Se anota el peso de la muestra secada al horno hasta peso constante.
¾ Si se desea se puede usar el mismo material del picnómetro, una vez que se ha
pesado con el agua a nivel de 500 cm3, para ponerlo a secar en horno hasta peso
constante. En este caso se debe tener cuidado para no perder absolutamente nada de
muestra, porque esto originaria una distorsión en los resultados.
En este ensayo se debe trabajar lo más rápido posible para evitar que se modifique la
humedad correspondiente al saturado superficialmente seco.
Los cálculos y resultados se muestran a continuación en la Tabla N° 5.3
5.2.4.- ENSAYO DE ADHERENCIA – AGREGADO GRUESO (ASTM D–1664)
Este método describe los procedimientos de revestimiento e inmersión estática para
determinar la retención de una película bituminosa sobre una superficie de agregado en
presencia del agua. Esto es aplicable para el cemento asfáltico y para la emulsión. Donde
se desee evitar el desprendimiento se puede agregar algún aditivo.
EQUIPO NECESARIO
¾ Recipiente para mezclado de borde redondeado, transparentes, de 500 ml. De
capacidad.
¾ Balanza.- con capacidad de 200 gr. y una precisión de + - 0.1 gr.
¾ Espátula de acero de 1” de ancho y 4” de longitud.
¾ Horno capaz de mantener temperatura constante hasta 150ºC
¾ Tamices de 3/8” y ¼”
¾ Bitumen.- Que debe ser del mismo tipo del que se va a usar en obra. Si se propone
algún aditivo químico, éste debe adicionarse al bitúmen en la cantidad especificada,
y antes de mezclar enteramente el espécimen.
¾ Agua destilada con ph entre 6 y 7
PROCEDIMIENTO
Se tamiza el agregado entre las mallas 3/8” y ¼” , el material retenido en la malla ¼” se
lava y se pone a secar en horno a 110ºC hasta peso constante.
CON CEMENTO ASFALTICO (PARA LAS MEZCLAS EN CALIENTE)
Se calienta el agregado así preparado y el asfalto hasta una temperatura promedio
constante de 130 a 140ºC
Se pesa en una tara de 100 gr. de muestra y agregar 5.5 gr. de asfalto, conservando la
temperatura indicada durante la mezcla. Se calienta la espátula y se mezcla vigorosamente
hasta que el agregado quede totalmente revestido. Se deja que la mezcla enfríe a
temperatura ambiente.
Se transfiere el agregado revestido a un recipiente de vidrio de 600 ml. Y se añade con
aproximadamente 400 ml. de agua destilada a 25ºC. Se deja sumergido en el agua por
espacio de 16 – 18 horas.
Sin agitar o alterar el agregado revestido, se quita alguna película que flota en la superficie
del agua. Se ilumina el espécimen con una lámpara de manera que impida el brillo de la
superficie del agua. Por observación, se determina a través del agua el porcentaje estimado
del área total visible del agregado que quede revestido sobre o por debajo del 95%, algunas
áreas o aristas translúcidas o parduscas se consideran como totalmente revestidas.
Los resultados se muestran en la Tabla N° 5.4
CON EMULSION CRM 2 (PARA MEZCLAS CON EMULSIONES TIBIAS)
Se calienta la muestra y la emulsión a temperatura de 70ºC. Se pesa 100 gr. de agregado y
se le añade 5.5/0.65 = 8.46 gr de emulsión, conservando la temperatura indicada, y se
mezcla con la espátula hasta que el agregado quede completamente revestido. Se deja que
la mezcla enfríe a temperatura ambiente.
Se procede de la misma manera que para el Cemento Asfáltico, sumergiendo la muestra en
agua destilada y estimar visualmente a las 16 – 18 horas si más o menos del 95% del
agregado queda revestido con la emulsión.
Los resultados se muestran en la Tabla N° 5.5
5.2.5.- ENSAYO DE ADHERENCIA – AGREGADO FINO (RIEDEL WEBER) –
DEEMA – 8
Este método describe el procedimiento para determinar el grado de adhesividad del
agregado fino (arena) con los ligantes bituminosos (asfaltos).
EQUIPO NECESARIO
¾ Tamices Nº30 y Nº 80
¾ Cápsula de porcelana de 300ml. de capacidad
¾ Estufa, capaz de mantener una temperatura de 140ºC
¾ Balanza de 1 kg. de capacidad, sensible a 0.01 gr.
¾ Balanza de 200 gr. de capacidad, sensible a 0.01 gr.
¾ Tubos de ensayo de 15 cm. de longitud y 1.3 cm. de diámetro, resistentes al calor
(Pirex).
¾ Soporte para tubos de ensayo.
¾ Pipeta volumétrica de 10 ml. de capacidad, sensibilidad de 1/10
¾ Fiola de 500 ml. de capacidad, resistente al calor (Pirex)
¾ Vaso Pirex de 400 ml. de capacidad.
¾ Reactivo: Carbonato de Sodio (CO3 Na2) Q.P., con el que se preparan las distintas
soluciones:
¾ Se disuelve el Carbonato de Sodio en 50 ml. de agua destilada y tibia y luego diluir
a 500 ml. con agua destilada.
El peso de Carbonato de Sodio para cada concentración será dado en la Tabla N°5.6
Tabla N° 5.6.- Peso de Carbonato de Sodio para cada concentración
CONCENTRACIÓN DE
SOLUCIONES MOLARES
CONSIDERADO
0
M/256
M/128
M/64
M/32
M/16
M/8
M/4
M/2
M
¾ Bitumen, El que se use en obra.
PESO DE
CARBONATO DE
SODIO (gr.)
0
0.207
0.414
0.828
1.656
3.313
6.625
13.25
26.5
53
GRADO
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
PROCEDIMIENTO
¾ Se tamiza el agregado fino por las mallas Nº30 y Nº80. El tamizado será muy
cuidadoso para no usar muestra con tamaño inferior a la del tamiz Nº80, usándose
la porción retenida en ese tamiz.
¾ Mezclar aproximadamente 100 gr. de muestra en la proporción 71% de agregado y
29 % de ligante , a la misma temperatura indicada para la adherencia de agregado
grueso, de acuerdo al tipo de ligante : 130 – 140ºC para Cemento Asfáltico, y 70ºC
para la Emulsión Asfáltica. Se debe lograr un mezclado homogéneo y revestimiento
total de las partículas.
¾ Se pone a enfriar la muestra así lograda a temperatura ambiente, y se pesa 0.5 gr. en
forma homogénea (Puede ser como esferitas).
¾ Se coloca en el tubo de ensayo de 2 a 3 ml. de las soluciones, empezando por la de
concentración de soluciones molares cero, se calienta hasta su ebullición y se añade
la mezcla de 0.5 gr., dejándola en ebullición por un minuto, luego del cual se
observa si hay desprendimiento. Si no lo hubiera, se continua con las otras
soluciones. El ensayo termina cuando se observa desprendimiento, dándole a la
muestra el grado correspondiente a la solución donde empezó este.
Para que un agregado pase la prueba, debe ser como mínimo de grado “4”.
Los resultados se muestran a continuación en la Tablas N° 5.7 y 5.8
5.3.- DISEÑO POR EL METODO MARSHALL MODIFICADO PARA MEZCLAS
ASFÁLTICAS EN CALIENTE (ASTM D-1559)
5.3.1.- COMBINACIÓN DE LOS AGREGADOS
Hay que encontrar la combinación adecuada del agregado que cumpla con las
especificaciones de granulometría.
La combinación de los agregados se realizó mediante el método del cuadrado, primero se
combinó la piedra, luego el resultado de esta se combinó con la arena gruesa, tal como se
muestra a continuación:
Figura Nº 5.4: METODO DEL CUADRADO PARA COMBINACIÓN DE LA
PIEDRA
Como se observa al realizar la combinación del agregado grueso según el método del
cuadrado, la combinación que mejor se ajusta al huso granulométrico es de 80% de piedra
de ½” y 20% de piedra de ¼”
Figura Nº 5.5: METODO DEL CUADRADO PARA COMBINACIÓN DE LA
PIEDRA Y LA ARENA
Como se observa al realizar la combinación de los agregados según el método del
cuadrado, la combinación que mejor se ajusta al huso granulométrico es de 48% de piedra
y 52% de arena gruesa
Estos porcentajes habrá que ajustarlos con la ayuda de una hoja de cálculo en formato
Excel, de modo que la combinación se ajuste al huso granulométrico, tal como se muestra
en la Tabla N° 5.9 , 5.10 y Figura N°5.6
5.3.2.- EQUIPO DE LABORATORIO UTILIZADO EN LA REALIZACIÓN DEL
ENSAYO MARSHALL
¾ Taras de aluminio para mezclar los áridos con el bitumen.
¾ Horno capaz de mantener la temperatura hasta 150 ºC
¾ Espátulas de 4” para manejar los áridos calientes
¾ Pirex de 500 ml. Para calentar y añadir el asfalto.
¾ Termómetro con escala de 0 a 200 ºC, con sensibilidad de 2.8ºC
¾ Balanza de 2000 gr. De capacidad y sensibilidad de 0.1 gr.
¾ Baño con agua hirviendo para sumergir los moldes y el pisón de compactación.
¾ Base de compactación consistente en un trozo de poste cuadrado de madera de
sección transversal mínima de 15 * 15 cm., con una placa de acero de 1” de grosor
en su parte superior, instalada sobre una base rígida de hormigón.
¾ Molde de compactación, compuesto por una placa de base, molde y collar. La placa
de base y el collar podrán acoplarse a ambos lados del molde propiamente dicho.
Las dimensiones del molde son de 4” por 3” de altura.
¾ Soporte del molde, cualquier dispositivo que permita mantener el molde de
compactación sobre la base de compactación mientras se está compactando.
¾ Guantes de asbesto para manejar el material caliente.
¾ Pintura o tiza para marcar especimenes.
¾ Papel filtro en círculos de 10 cm de diámetro.
¾ Extractor para sacar los especimenes compactados.
PARA LA DENSIDAD
¾ Balanza de 2000 gr. De capacidad y sensibilidad de 0.1 gr. Con dispositivo
hidrostático y recipiente adecuado para sumergir los especimenes.
¾ Parafina y pincel ancho para aplicarla.
PARA DETERMINAR LA ESTABILIDAD Y FLUJO
¾ Prensa Marshall mecánica provista de anillo dinamómetro de 0 a 10,000 lb. Capaz
de aplicar una carga a una velocidad constante de 2” por minuto.
¾ Mordaza de rotura para ensayos de la probetas.
¾ Medidor de deformación o cualquier otro dispositivo que permite medir la
variación de diámetro de los especimenes durante el ensayo de estabilidad.
¾ Baño de agua de control termostático para sumergir y calentar probetas que
mantenga temperatura a 60ºC.
5.3.3.- PROCEDIMIENTO
¾ Se secan los agregados a temperatura ambiente
¾ De acuerdo a la granulometría de los agregados, se prepara una serie de tres
especimenes por lo menos para cada contenido de ligantes bituminosos,
considerando que la variación de asfalto será de 0.5 % cada vez, y que se necesitan
tantas mezclas para que se tengan dos por encima y por debajo del óptimo.
¾ Para determinar el peso de los agregados se considera que el peso conjunto de
agregados más asfaltos es de 1100 1300 gr. (en promedio 1200 gr.), distribuyendo
el correspondiente de los agregados proporcionalmente a su granulometría.
¾ Se colocan los agregados así preparados en horno hasta 110ºC hasta Peso constante,
teóricamente el peso debe ser prácticamente igual al que se colocó inicialmente,
dado que previamente los agregados han sido secados.
¾ Considerando un peso promedio de mezcla, se calcula el peso de asfalto que irá en
cada punto. Se inicia el tanteo con un determinado porcentaje de asfalto, y se va
aumentado el porcentaje en 0.5 % cada vez:
% de C.Asfáltico deseado
(Peso de C.Asfáltico)
=
(Peso de áridos + Peso de C. Asfáltico)
¾ Se ha usado un Peso Promedio de mezcla de 1200 gr., y se ha empezado el tanteo
con un 4.5% de Asfalto (Tabla N° 5.11) :
Tabla N° 5.11.- Cantidad de cemento asfáltico y agregado en la preparación de las
mezclas
% DE CEMENTO ASFALTICO
PESO AGREGADOS (gr.)
PIEDRA 1/2"
25.0%
PIEDRA 1/4"
23.0%
ARENA
52.0%
PESO C. ASFALTICO (gr.)
PESO DE LA MEZCLA (gr.)
4.50%
1146
286.5
263.58
595.92
54
1200
5.00%
1140
285
262.2
592.8
60
1200
5.50%
1134
283.5
260.82
589.68
66
1200
6.00%
1128
282
259.44
586.56
72
1200
¾ Se pone a calentar el asfalto y las taras con los agregados hasta temperatura
constante de 130 a 140ºC. No debe mantenerse el ligante a la temperatura de
mezcla por más de una hora.
¾ Se pesa para cada espécimen de ensayo la cantidad necesaria de agregado en el
recipiente donde se va a efectuar la mezcla, se agita la mezcla de áridos y se forma
una cavidad. Se añade la cantidad de asfalto caliente para el porcentaje de cemento
asfáltico deseado, y se mezcla bien hasta conseguir una muestra homogénea. Al
terminar el mezclado, la temperatura de la mezcla dispuesta para la compactación
debe estar en el intervalo antes mencionado (130 a 140 ºC). Es conveniente
mantener lo más exacto posible la temperatura para distintas amasadas en el
momento de la compactación, para obtener resultados uniformes.
¾ El conjunto del molde y la base del martillo compactador se limpia y se calienta a
temperatura entre 90 y 140ºC. Colocando el molde de compactación caliente sobre
la mesa de trabajo, se coloca un disco de papel filtro de 10 cm. de diámetro sobre la
superficie de la base del molde. Esta labor también se puede desarrollar con el
molde sobre la base de compactación.
¾ Se coloca dentro del molde la mezcla recién amasada, por medio de una espátula,
evitando las segregaciones del material, se remueve la mezcla vigorosamente con
una espátula caliente o chucear 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces sobre
el interior, dando al final una forma redondeada a la superficie, colocándose sobre
ella un disco de papel filtro.
¾ Se traslada el molde con la mezcla a la base de compactación y se aplica el número
de golpes especificado con el martillo de compactación. Mantener el eje del
martillo de compactación perpendicular a la base del molde durante la
compactación.
¾ Después de apisonar la primera cara se desmonta el collar, se invierte el molde, se
vuelve a poner el collar y se aplica el mismo número de golpes de compactación al
reverso de la cara del espécimen. Se aplica 75 golpes para cada cara para diseño de
tráfico pesado. Se procede igual con todos los especimenes.
¾ Después de la compactación, se dejan que enfríen las briquetas en los moldes a
temperatura ambiente durante toda la noche, para lo cual se deben de haber
identificado bien de acuerdo al porcentaje de asfalto de la mezcla.
¾ Se remueve la base y se coloca el molde y el collar sobre el extractor de muestras:
se coloca el molde con el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo,
se aplica presión y se fuerza el espécimen dentro del collar de extensión, y se
levanta el collar del espécimen. Se transfiere cuidadosamente la briqueta a una
superficie plana y se le marca su identificación. Lo mismo se hace con todas las
briquetas.
DETERMINACIÓN DEL PESO ESPECIFICO BULK DE LAS BRIQUETAS
¾ Se anota el peso de la briqueta al aire
¾ Se sumerge la briqueta en un recipiente con parafina caliente. Si es necesario con
un pincel se recubren las zonas mal cubiertas.
¾ Se deja que se enfríe la parafina durante media hora, Se anota el Peso de la briqueta
mas parafina en el aire a temperatura ambiente, e inmediatamente se sumerge en
agua y se anota su peso en agua.
DETERMINACIÓN DE ESTABILIDAD Y FLUJO
¾ Se comprueba el cero del medidor de deformación.
¾ Se sumergen las briquetas en un baño maría a 60ºC por un tiempo entre 30 y 40
minutos.
¾ Se limpian perfectamente las superficies interiores las mordazas de rotura y se
engrasan las varillas de guía con una película de aceite de manera que la mordaza
superior se deslice libremente.
¾ Se extrae la briqueta del baño y se seca cuidadosamente la superficie con un paño.
Se coloca centrada sobre la mordaza inferior, se monta entonces la mordaza
superior y el conjunto se sitúa centrado en la prensa.
¾ Se monta el medidor de flujo sobre la varilla guía marcada y se comprueba la
lectura inicial.
¾ Se aplica entonces la carga a la probeta a velocidad de deformación constante de 2”
por minuto hasta que se produce la rotura. El punto de rotura viene definido por la
carga máxima obtenida. La carga necesaria para producir la rotura de la briqueta a
60ºC es el valor de la Estabilidad Marshall.
¾ Mientras se está determinando la estabilidad, se mantiene firmemente el medidor de
deformación en su posición sobre la varilla de guía y cuando se llega a la carga
máxima se lee y anota la medida. Esta lectura es el valor de deformación, expresada
en centésimas de pulgada.
¾ El proceso desde el momento de sacar la probeta del bañomaría hasta la rotura de la
misma debe realizarse a un tiempo inferior a 30 segundos.
¾ Los valores de la estabilidad de las probetas se corrigen multiplicándolas por los
coeficientes dados en la tabla Nº 5.12
TABLA Nº 5.12 .- FACTOR DE CORRECCION DE LA ESTABILIDAD
Volumen de la briqueta (cm3)
200-213
214-225
226-237
238-250
251-264
265-276
277-289
290-301
302-316
317-328
329-340
341-353
354-367
368-379
380-392
393-405
406-420
421-431
432-443
444-456
457-470
471-482
483-495
496-508
509-522
523-535
536-546
547-559
560-573
574-585
586-598
599-610
611-625
Factor de Corrección
5.56
5.00
4.55
4.17
3.85
3.57
3.33
3.03
2.78
2.50
2.27
2.08
1.92
1.79
1.67
1.56
1.47
1.39
1.32
1.25
1.19
1.14
1.09
1.04
1.00
0.96
0.93
0.89
0.86
0.83
0.81
0.78
0.76
Con los valores medios de la Estabilidad corregida, Flujo, Porcentaje de Vacíos de la
mezcla, Porcentaje de Vacíos llenos con Cemento Asfáltico, V.M.A. y Peso Específico
bulk, para cada contenido de cemento asfáltico se dibujan los siguientes gráficos:
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Estabilidad
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Flujo
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Porcentaje de Vacíos
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Peso Específico bulk
¾
Porcentaje de Asfalto vs
V.M.A
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Porcentaje de Vacíos llenos con C.Asfáltico
En cada gráfico, tomando como referencia los puntos hallados, se traza una línea de trazo
continuo y suave y se obtienen los valores corregidos, leídos sobre la curva, para cada
tanto por ciento de asfalto.
En las tablas siguientes se muestran los cálculos y resultados obtenidos así como los
gráficos de todas las propiedades Marshall
FOTO N°5.2 : COMPACTACION DE BRIQUETAS EN EL MARTILLO
MARSHALL
FOTO N°5.3 : ENFRIADO DE LAS BRIQUETAS A TEMPERATURA AMBIENTE
FOTO N°5.4 : EXTRACCIÓN DE LAS BRIQETAS
FOTO N°5.5: PESADO DE LAS BRIQUETAS
FOTO N°5.6: HORNO PÁRA EL BAÑO MARIA (T=60°C) DE LAS BRIQUETAS
FOTO N°5.7 : PRUEBA MARSHALL DE ESTABLIDAD
5.3.5.- DETERMINACION DEL CONTENIDO OPTIMO DE ASFALTO
El contenido óptimo de diseño de asfalto en la mezcla final de pavimentación se determina
a partir de los resultados obtenidos. Primero se determina el contenido de asfalto para el
cual el contenido de vacíos es de 4 por ciento. Luego procedemos a evaluar todas las
propiedades calculadas y medidas para este contenido de asfalto, comparándolas con los
rangos mínimos y máximos permisibles de diseño Marshall, de no cumplir estos criterios
será necesario hacer algunos ajustes o volver a diseñar la mezcla.
Observamos en la Tabla N°5.13 que un contenido de vacíos de 4% representa los
siguientes valores de las otras propiedades:
Tabla N°5.13.- Resultados Marshall para un porcentaje de vacíos de 4%
RESULTADOS
ESPECIFICACIONES
MEZCLA ASFÁLTICA TRANSITO PESADO
CARACTERISTICAS MARSHALL
EN CALIENTE
M.A.C
% C.A.
P.ESPECIFICO (gr/cm3)
ESTABILIDAD (Kg.)
% DE VACIOS (%)
FLUJO (0.01 plg.)
% VMA (%)
% VACIO LLENO C.A.
5
2.41
965.35
4.13
14
16.19
74.48
MIN
--800
3
8
14
65
MAX
--X
5
14
X
75
RIGIDEZ = ESTABILIDAD/FLUJO (kg/cm.)
2714.72
1700
3000
Todos los valores obtenidos para un contenido de vacíos de 4 % cumplen los criterios de
diseño Marshall.
5.4.- DISEÑO POR EL METODO DE ILLINOIS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS
TIBIAS CON EMULSION(*)
5.4.1.- COMBINACIÓN DE LOS AGREGADOS
La combinación adecuada del agregado que cumpla con las especificaciones de
granulometría es 20% piedra de ½”, 28% piedra de ¼” y 52% de arena tal como se muestra
en la Tabla N°5.17 y en la Figura N°5.8
5.4.2.- CANTIDAD APROXIMADA DE EMULSION
5.4.2.1.- METODO FRANCES
SE
=
(1/100)* ( 0.237 G + 1.60 g + 12.85 A + 117.8 F )
SE =
Area Superficial o Superficie Específica
G=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz 3/4 y se retiene en el tamiz
N° 04
g=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 04 y se retiene en el
tamiz N° 40
A=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 40 y se retiene en el
tamiz N° 200
F=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 200
Donde:
De la Tabla de combinación de los agregados:
G=
100 - 59.16 = 40.84
g=
59.16 – 20 = 39.16
A=
20 – 6.71 = 13.29
F=
6.71
Entonces:
SE
=
(1/100)* ( 0.237* 40.84+1.60*39.16+12.85*13.29+117.8*6.71 )
SE
=
10.33
*
Un Manual Básico de Emulsiones Asfálticas. Parte Tres, pág. 157 del Asphalt Institute MS-19,1993.
FIGURA Nº 5.9.- Gráfica M. Duriez, Superficie Específica Vs % de Cemento
Asfáltico
Del gráfico de Duriez ( Fig. 5.9: Superficie Específica Vs %C. Asfáltico)
%C.A. =
5.7 %
5.4.2.2.- METODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO (USA)
P
=
0.035 a + 0.045 b + kc + K
P=
Porcentaje de cemento asfáltico respecto al peso de la mezcla
a=
Porcentaje de agregado retenido en el tamiz Nº 10
b=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 10 y se retiene en el
tamiz N° 200
c=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 200
k=
Toma los siguientes valores:
Donde:
0.20
0.18
0.15
K=
Cuando el porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº
200 varia del 11% al 15%
Cuando el porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº
200 varia del 06% al 10%
Cuando el porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº
200 es menos del 05%
Varia de 0 a 2, dependiendo del grado de absorción de los pétreos.
Alta absorción :
K=2
De la Tabla de combinación de los agregados:
a=
100 – 38.29 = 61.71
b=
38.29 – 6.71 = 31.58
c=
6.71
k=
0.18
K=
0.9
Entonces:
P =
0.035 * 61.71 + 0.045 * 31.58 + 0.18 * 6.71 + 0.9
P =
5.68 ( % de cemento asfáltico respecto al peso de la mezcla)
Por regla de tres simple obtenemos el % de Cemento Asfáltico:
100 – 5.68
5.68
100 %
X
X
=
6% DE C. ASFALTICO
5.4.2.3.- METODO DE LA SECRETARIA DE ASENTAMIENTOS HUMANOS Y
OBRAS PUBLICAS (SAHOP).- MEXICO
P
=
(n/100)* ( 0.41 G + 2.05 g + 15.38 A + 53.3 F )
P=
Porcentaje de cemento asfáltico mínimo para cubrir el pétreo, respecto al
peso del árido.
G=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz 3/4 y se retiene en el tamiz
N° 04
g=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 04 y se retiene en el
tamiz N° 40
A=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 40 y se retiene en el
tamiz N° 200
F=
Porcentaje de agregado que pasa sobre el tamiz Nº 200
n=
Indice asfáltico
piedra chancada, gravas angulosas trituradas de baja absorción: n=0.60
Donde:
De la Tabla de combinación de los agregados:
G=
100 - 59.16 = 40.84
g=
59.16 – 20 = 39.16
A=
20 – 6.71 = 13.29
F=
6.71
n=
0.60
Entonces:
P
=
(0.60/100)* (0.41* 40.84+2.05*39.16+15.38*13.29+53.3*6.71 )
P
=
3.95
5.4.2.4.- PROMEDIO DE LOS TRES METODOS
X
= ( 5.7 + 6 + 3.95 ) / 3 = 5.21 % de cemento asfáltico
Como el residuo de la emulsión de rotura media es 0.65, el Porcentaje de emulsión será:
% de Emulsión = 5.21 / 0.65 = 8%
5.4.3.- ENSAYO DE RECUBRIMIENTO
Este ensayo se realizó usando el contenido tentativo de emulsión y el intervalo de agua de
premezcla varió entre 0 y 3%. De estas mezclas se escogió el valor de 0% como agua de
premezcla, porque nos produce un recubrimiento mayor al 50% y a la vez se observa que
con esta cantidad de agua la mezcla tiene mejor recubrimiento que las otras mezclas con
diferentes contenidos de agua.
Los cálculos y resultados se muestran a continuación en la Tabla N° 5.18 y en la Figura
N°5.9
5.4.4.- CONTENIDO OPTIMO DE AGUA EN LA COMPACTACION
Las muestras fueron compactadas variando los contenidos de agua de compactación entre
0% y 1%, y curadas durante 24 horas.
Los cálculos y resultados se muestran en la Tabla N° 5.19
Solo se hizo briquetas hasta con el 1% de agua de compactación porque se apreciaba que la
tendencia de la densidad de las muestras era a disminuir, tal como se muestra en el grafico
5.10
Del gráfico N° 5.10 “Peso Unitario Vs Contenido de Humedad de Compactación”, se
observa que para 0% de humedad se obtiene el punto más alto en la curva. Con este valor
de contenido de humedad se compactarán las siguientes muestras para el Ensayo Marshall
Modificado.
5.4.5.- VARIACIÓN DEL CONTENIDO DE ASFALTO RESIDUAL
Se compactaron muestras a contenidos de asfalto residual variables, que varían entre 4.5,
5.0, 5.5, 6.0 % en porcentaje en peso del agregado seco.
El procedimiento utilizado es el Marshall Modificado, descrito anteriormente, con la
diferencia que ahora los agregados no serán calentados hasta una temperatura de 150ºC
sino solamente hasta 70ºC, lo mismo que la emulsión.
Tabla N° 5.20.- Cantidad de emulsión y agregado en la preparación de las mezclas
% DE CEMENTO ASFALTICO
4.50%
5.00%
5.50%
6.00%
% DE EMULSION (%C.A / 0.65)
6.92 %
7.69%
8.46%
9.23%
1116.92
1107.69
1098.46
1089.23
223.38
221.54
219.69
312.74
310.15
307.57
580.80
576.00
571.20
217.85
304.98
566.4
83.08
92.31
101.54
110.77
1200
1200
1200
1200
PESO AGREGADOS (gr.)
PIEDRA 1/2"
20.0%
PIEDRA 1/4"
28.0%
ARENA
52.0%
PESO DE LA EMULSION (gr.)
PESO DE LA MEZCLA (gr.)
FOTO N°5.8 : ENSAYO DE RECUBRIMIENTO
FOTO N°5.9 : CONTENIDO OPTIMO DE AGUA EN LA COMPACTACION
FOTO N°5.10 : MEZCLAS ASFÁLTICAS TIBIAS CON EMULSION CON UN
CONTENIDO DE AGUA DE 0% Y 1% EN EL ENSAYO DE COMPACTACION
FOTO N°5.11:ENTIBIANDO LA EMULSION (T=70°C) PARA PREPARAR LA
MEZCLA ASFÁLTICA
5.4.6.- DETERMINACION DEL CONTENIDO OPTIMO DE EMULSION
Con los valores medios de la Estabilidad corregida, Flujo, Porcentaje de Vacíos de la
mezcla, Porcentaje de Vacíos llenos con Cemento Asfáltico, V.M.A. y Peso Específico
bulk, para cada contenido de cemento asfáltico se dibujan los siguientes gráficos:
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Estabilidad
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Flujo
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Porcentaje de Vacíos
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Peso Específico Bulk
¾
Porcentaje de Asfalto vs
V.M.A
¾
Porcentaje de Asfalto vs
Porcentaje de Vacíos llenos con c. asfáltico
En cada gráfico, tomando como referencia los puntos hallados, se traza una línea de trazo
continuo y suave y se obtienen los valores corregidos, leídos sobre la curva, para cada
tanto por ciento de asfalto.
A partir de los resultados obtenidos vamos a determinar el contenido de asfalto para el cual
un contenido de vacíos promedio dentro del rango permisible ( este sería 10% pero vamos
a optar por escoger 9% como contenido de vacíos) ya que evaluando las demás
propiedades tendremos un valor mas alto de Estabilidad con una rigidez de la mezcla
dentro del punto medio de valores permisibles, además que los demás valores también
cumplen los criterios de diseño Marshall, tal como se muestra a continuación en la Tabla
N° 5.25
Tabla N°5.25.- Resultados Marshall para un porcentaje de vacíos de 9%
RESULTADOS
CARACTERISTICAS MARSHALL
% C.A.
% EMULSION
P.ESPECIFICO (gr/cm3)
ESTABILIDAD (KG.)
% DE VACIOS (%)
FLUJO (0.01 plg.)
% VMA (%)
% VACIO LLENO C.A.
RIGIDEZ = ESTABILIDAD/FLUJO (kg/cm.)
MEZCLA
ASFÁLTICA
ESPECIFICACIONES
TRANSITO PESADO
Tibias con emulsion
M.A.E.T
5.5
8.46
2.34
909.31
8.87
15.5
19.2
66.99
2309.66
MIN
MAX
---
--X
800
3
8
14
65
1700
18
18
X
75
3000