D I S E Ñ O D E M E Z C L A S A S F Á L T I C A S
10.1 Tipos de Mezclas Asfálticas
Las mezclas asfálticas en caliente, HMA se divide en tres tipos: de gradación densa, open-graded o mezclas abiertas o porosas y gap-open-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 Open-garded Gap-graded
Convencional
Tamaño máximo nominal usualmente de 12.5 a 19mm (0.5 a 0.75 pulg.)
Porous friction course Gap-graded convencional
Large-stone
Tamaño máximo nominal usualmente de 25 a 37.5mm (1 a 1.5 pulg.)
Base permeable tratada
con asfalto Stone Mastic Asphalt (SMA)
Arena asfalto
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
a. Gradación densa
b. Open-graded
c. Gap-graded
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
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.
Foto 10.1:
Mezcla Convencional
Figura 10.2: Mezcla Porosa
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 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
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.
(
s pp)
w s sb V WV Gγ + =
Donde:
Gsb gravedad especifica bulk del agregado Ws peso del agregado seco
Vs volumen del agregado con los vacíos impermeables Vpp volumen de vacíos permeables
γw 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.
w s
s sa VW
G
γ =
Donde:
Gsa gravedad especifica aparente Ws peso del agregado seco
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.
(
s pp ap)
w sse V V W V
G
γ − + =
Donde:
Gse gravedad especifica efectiva Ws peso del agregado seco
Vs volumen del agregado con los vacíos impermeables γw 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)
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.
Vma volumen de vacíos en agregado mineral Vmb volumen bulk de la mezcla compactada
Vmm volumen de vacíos de la mezcla de pavimentación Vfa volumen de vacíos llenos con asfalto
Va volumen de vacíos de aire Vb volumen de asfalto
Vba volumen de asfalto absorbido
Vsb volumen del agregado mineral (gravedad específica bulk) Vse volumen del agregado mineral (gravedad específica efectiva)
Figura 10.3: Esquema de una Muestra HMA Compactada
Vba
Va
aire
asfalto
agregado mineral
Vma
Vmb
Vfa V
b
Vsb Vse
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
n n 2
2 1 1
n 2
1 sb
G P ... G
P G
P
P ... P P G
+ + +
+ + + =
Donde:
Gsb gravedad específica bulk de la combinación de agregados 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:
b b mm mm
b mm se
G P G
P
P P G
− − =
Donde:
Gse Gravedad específica efectiva del agregado
Pmm porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Pb Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra Gmm gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041)
de la mezcla (sin vacíos de aire) Gb 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
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:
b b se s
mm mm
G P G
P P G
+ =
Donde:
Gmm gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacíos de aire)
Pmm porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100%
Ps contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla Pb contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla Gse gravedad especifica efectiva del agregado
Gb 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:
b se sb
sb se
ba 100 GG GG G
P = × −
Donde:
Pba asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. Gse gravedad especifica efectiva del agregado
Gb gravedad especifica del asfalto
Gsb 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:
s ba b
be P 100P P
P = −
Donde:
Pba asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado.
Ps 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:
sb s mb
G P G 100
VMA= −
Donde:
VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk Gsb gravedad especifica bulk del agregado total
Gmb gravedad especifica bulk de la mezcla compactada (AASHTO T166; ASTM D1188 o D2726)
Ps 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:
mm mb mm
G G G 100
Va= × −
Donde:
Va vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Gmm gravedad especifica teórica máxima de la mezcla
Gmb gravedad especifica bulk de mezcla compactada
10.3.11 Porcentaje VFA en Mezclas Compactadas
VMA ) V VMA ( 100
VFA= × − a
Donde:
VFA vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VMA
VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk
Va 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
Tamaño máximo nominal del agregado
(1 1/2") (1") (3/4") (1/2") (3/8") Tamiz
Porcentaje acumulado que pasa (por peso)
50 mm (2") 100
37,5 mm (1 ½") 90-100 100
25,0 mm (1") 90-100 100
19,0 mm (3/4") 56-80 90-100 100
12,5 mm (1/2") 56-80 90-100 100
9,5 mm (3/8") 56-80 90-100
4,75 mm (Nº 4) 23-53 29-59 35-65 44-74 55-85
2,36 mm (Nº 8)* 15-41 19-45 23-49 28-58 32-67
0,30 mm (Nº 50) 4-16 5-17 5-19 5-21 7-23
0,15 mm (Nº 100)
0,075 mm (Nº 200)** 0-5 1-7 2-8 2-10 2-10
Cemento asfáltico, % en peso de la
mezcla total*** 3-8 3-9 4-10 4-11 5-12
4 y 67 o 4 y 68
5 y 7 o 57
67 o 68 o 6 y 8
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
Figura 10.3: Resultados típicos de diseño de mezclas asfálticas ensayada en la prensa Marshall 10 11 12 13 14 15 16 17
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
ASFALTO (%) F L U JO ( 0 .01" ) 14 6,9 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
ASFALTO (%) E S T ABI L IDA D ( L b ) 2750 6,9 PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO
2.230 2.240 2.250 2.260 2.270 2.280 2.290 2.300
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
ASFALTO (%) PE SO ESPEC IF IC O ( g r/ c m 3 )
% VACIOS VS. % DE ASFALTO
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
ASFALTO (%) V ACI O S V T M ( % )
% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
ASFALTO (%) V O L U M E N L L E N O CO N AS F A L T O V F A (% ) 6,9 79 6,9 4,0
% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO
15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
Tabla 10.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515
Mezcla Densa
Tamaño máximo nominal de agregados Tamiz
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 - - -
2” (50mm) 90-100 100 - - -
1 ½” (37.5mm) - 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
Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA, 1996.
10.5 Ejemplo
Datos Básicos para Muestras de Mezclas Asfálticas
(a)Constituyentes:
Material Gravedad Específica Composición de Mezcla
Bulk AASHTO ASTM % por peso
del total de mezcla
% por peso del total de agregado
Cemento asfáltico 1.030 (Gb) T 228 D 70 5.3 (Pb) 5.6 (Pb)
Agregado grueso 2.716 (G1) T 85 C 127 47.4 (P1) 50.0 (P1)
Agregado fino 2.689 (G2) T 84 C 128 47.3 (P2) 50.0 (P2)
Filler mineral T 100 D 854 -.- -.-
(b) Mezcla asfáltica
Gravedad especifica bulk de la mezcla compactada, Gmb 2.442
(ASTM D 2726)
Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla, Gmm 2.535
(ASTM D 2041)
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:
n n 2 2 1 1 n 2 1 G P ... G P G P P ... P P G + + + + + + = Donde:
G Gravedad específica promedio
G1, G2, ..., Gn Valores de gravedad específica por fracción 1, 2, ..., n P1, P2, ..., Pn 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:
703 . 2 59 . 18 41 . 18 100 689 . 2 0 . 50 716 . 2 0 . 50 0 . 50 0 . 50
Gsb =
+ =
+ + =
2. Gravedad Específica Efectiva del Agregado, Gse
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: Gsa >Gse >Gsb Por definición:
efec s se VW
G =
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.
( )
AC TV T b Tse WV PVW
G
− − =
sustituyendo los volúmenes,
( )
b AC mm T T b T se G W G W W P W G − − = simplificando, b b mm b se G P G 1 P 1 G − − = ó b b mm mm b mm se G P G P P P G − − = Donde:Ws Peso del agregado
VAC Volumen del cemento asfáltico total Vefec Volumen efectivo
WT Peso total de la mezcla
VTV Volumen total de la mezcla suelta
Pmm porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100%
Pb contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla WAC Peso total del cemento asfáltico
Gb Gravedad específica del cemento asfáltico
Gmm Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla (ASTM D2041), no incluye los vacíos de aire
761 . 2 0515 . 0 3945 . 0 947 . 0 030 . 1 053 . 0 535 . 2 1 053 . 0 1
Gse =
− =
− − =
3. Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto
Por definición: AC efectivo AC s mm V V W W G + + = Sustituyendo, b AC se s T mm G W G W W G + =
(
)
b b T se b T T mm G P W G P 1 W W G + − =simplificando, y asumiendo que el peso total es el 100%
b b se b mm G P G P 1 1 G + − = ó b b se s mm mm G P G P P G + = Donde:
Ws Peso del agregado
VAC Volumen del cemento asfáltico total Vefec Volumen efectivo
WT Peso total de la mezcla
Pb contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla WAC Peso total del cemento asfáltico
Gb Gravedad específica del cemento asfáltico Gse Gravedad especifica efectiva del agregado
Usando los datos de la tabla y la gravedad especifica efectiva, Gse, para 4% de contenido de asfalto (Pb): 587 . 2 0388 . 0 3477 . 0 1 030 . 1 04 . 0 761 . 2 04 . 0 1 1
Gmm =
+ =
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:
100 W W P s ba ba ⎟⎟×
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =
sustituyendo, peso = volumen x gravedad especifica
100 W G V P s b ba
ba ⎟⎟×
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × =
El volumen de asfalto absorbido es la diferencia entre el volumen bulk del agregado y su volumen efectivo. Por lo tanto,
(
)
100 W G V V P s b se sbba = − × ×
sustituyendo, volumen = peso/ gravedad especifica
100 W G G W G W P s b se s sb s ba × × ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = simplificando, 100 G G G G G P b se sb sb se
ba = − × ×
Donde:
Pba porcentaje de asfalto absorbido por peso del agregado Wba peso de asfalto absorbido
Ws peso del agregado Vba peso de asfalto absorbido Vsb volumen bulk del agregado Vse volumen efectivo del agregado
Gb gravedad especifica del cemento asfáltico Gse gravedad especifica efectiva del agregado Gsb gravedad especifica bulk del agregado
Reemplazando los datos del ejemplo:
% 8 . 0 100 030 . 1 463 . 7 058 . 0 100 030 . 1 761 . 2 703 . 2 703 . 2 761 . 2
Pba ⎟× × =
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.
100 P P P
Pbe = b − ba s
Donde:
Pbe contenido de asfalto efectivo, porcentaje por peso total de la mezcla Pb contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla
Ps contenido de agregado, porcentaje por peso total de la mezcla Pba 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: % 5 . 4 % 758 . 0 % 3 . 5 100 % 7 . 94 % 8 . 0 % 3 . 5
Pbe = − × = − =
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:
100 V V V VMA T sb
T − ×
= simplificando, 100 V V 100 VMA T sb × − =
sustituyendo volumen con el peso dividido entre la gravedad específica
100 G W 100 VMA mb G T W sb s × − = sustituyendo, T b T
s W P W
y simplificando
(
)
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = sb b mb G P 1 G 1 100 VMA Donde:Vsb volumen bulk del agregado
VT volumen total de mezcla compactada Ws peso del agregado
WT peso total de la mezcla
Gsb gravedad especifica bulk del agregado
Gmb gravedad especifica bulk de la mezcla compactada
Pb contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla Para el ejemplo:
(
)
100(
1 0.855)
14.4%703 . 2 053 . 0 1 442 . 2 1 100
VMA ⎟= − =
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − =
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, 100 V V V T v a = ×
sustituyendo,
b s fa T
v V V V
V = − −
100 V V V V V T sb fa T
a ⎟⎟×
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = 100 V V V 1 V T sb fa
a ⎟⎟×
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − =
multiplicando el numerador y denominador por WT y simplificando,
sustituyendo, 100 G G 1 V mm mb
a ⎟⎟×
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = Donde:
Va vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Vv Volumen de vacíos de aire
VT Volumen total del especímen compactado Vfa Volumen de vacíos llenos con cemento asfáltico Vsb volumen bulk del agregado
WT Peso total del especímen compactado
Gmb Gravedad específica bulk del especímen compactado Gmm 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.
100 G G 1 VTM mm mb × ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − =
Para el ejemplo:
% 7 . 3 100 535 . 2 442 . 2 1
VTM ⎟× =
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − =
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:
100 VMA
VTM VMA
VFA= − ×
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:
% 3 . 74 100 4 . 14 7 . 3 4 . 14
VFA= − × =
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.
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.
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 0.45. 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.Carta potencia 0.45 para TM 19 mm
0 20 40 60 80 100
0 1 2 3 4
Tamiz elevado a la potencia 0.45
Porcentaje que pasa
Figura 10.4: Base de la Carta Potencia de 0.45
Carta potencia 0.45 para TM 19 mm
0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 12.5
19
0 20 40 60 80 100
Tamiz elevado a la potencia 0.45
Po
rcen
taje q
u
e
p
asa
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.
Ejemplo:
Tamiz 4.75 mm se grafica como (4.75)0.45 = 2.02
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
0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 12.5
19
0 20 40 60 80 100
Tamiz elevado a la potencia 0.45
Porcentaje que pasa
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.
zona restringida
puntos control línea máx.
densidad
tamaño máx
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
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.
Puntos de Control Tamaño máximo Nominal Tamaño
estándar
(mm) 9.5 mm 12.5 mm 19 mm 25 mm 37.5 mm
50.0 100
37.5 100 90-100
25.0 100 90-100
19.0 100 90-100
12.5 100 90-100
9.50 90-100
2.36 32-67 28-58 23-49 19-45 15-41 0.075 2.0-10.0 2.0-10.0 2.0-8.0 1.0-7.0 0.0-6.0
Tamiz Zona Restringida
4.75 39.5 34.7
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°.
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).
30 rev/min Presión de pisón
600 kPa
Tabla 10.5: Esfuerzo de Compactación del SGC
Parámetros de Compactación ESALs de
diseño
(millones) Ninicial Ndiseño Nmáxim o
Aplicaciones típicas
< 0.3 6 50 75
Carreteras con tráfico muy ligero, calles locales donde el tráfico de camiones está prohibido o es muy pequeño.
0.3 a <3 7 75 115 Colectores o accesos a ciudades. Tráfico medio.
3 a < 30 8 100 160 Carreteras con dos carriles ó más, acceso controlado. Calles de ciudades con tráfico medio a alto.
≥ 30 9 125 205
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
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%.
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.
Figura 10.9:
Acondicionamiento de especimenes Superpave
Figura 10.10:
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.
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.
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.
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.
mineral (VMA) y vacíos de agregado grueso en mezcla (VCAmezcla) se calculan con las siguientes ecuaciones: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = mm mb a 100 1 GG
V ; ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = CA ca mb mezcla 100 GG P
VCA y ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = s sb mbP G G 100 VMA Donde:
Ps porcentaje de agregado en mezcla
PCA porcentaje en peso de agregado grueso en mezcla Gmm gravedad especifica teórica máxima de la mezcla Gmb gravedad especifica bulk de la mezcla
Gsb gravedad especifica bulk de la combinación de agregados Gca 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:
100 G G VCA ca s ca DRC ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ γ γ − γ = ω 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).
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.
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.
VMA
aire
asfalto
agregado mineral
efectivo
absorbido
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.
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
VCADRC
Aire 30-40% de volumen
agregado
grueso Peso Unitario
Seco Rodillado
VCAmezcla Aire
Asfalto efectivo
Agregado grueso Agregado
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.
Tabla 10.6: Características de Mezclas asfálticas tipo SMA usadas en Alemania según las especificaciones técnicas Alemanas
ZTV Asphalt StB 01 (2001)
* 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
SMA
Stone Mastic Asphalt 0/11S 0/8S 0/8 0/5
Tipo de agregados
Agregado chancado, Arena chancada, filler comercial
Agregado chancado, Arena chancada y natural, filler comercial 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
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 Porcentaje que pasa el tamiz
0.09 mm 2.0 mm 5.0 mm 8.0 mm 11.2 mm
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
- - Ligante bituminoso
Tipo de ligante (penetración – dmm)
Contenido ligante en peso de mezcla (%)
50/70 (PmB 45)
≥ 6.5
50/70 (PmB 45)
≥ 7.0
70/100
≥ 7.0
70/100 (160/220)
≥ 7.2 Aditivos estabilizadores
Contenido de mezcla en peso (%) 0.3 – 1.5 Mezclas Asfálticas
Especimenes Marshall
Temperatura de compactación (ºC)
Vacíos de aire (%) 3.0 – 4.0 *135±5 3.0 – 4.0 *135±5 2.0 – 4.0 *135±5 2.0 – 4.0 *135±5 Capas
Capa de rodadura Espesor recomendado (cm) Taza de aplicación (kg/m2)
Capa de reperfilage** Espesor recomendado (cm) Taza de aplicación (kg/m2)
3.5 – 4.0 85 – 100
2.5 – 5.0 60 - 125
3.0 – 4.0 70 – 100
2.0 – 4.0 45 – 100
2.0 – 4.0 45 – 100
– -
2.0 – 4.0 45 – 75
– - Grado de compactación de la capa (%) ≥ 97
