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Diseño de Mezclas Asfálticas HMA
Método MARSHALL
PAVIMENTOS
Ing. Augusto García
10
Concreto asfáltico
Definición
El concreto asfáltico es una mezcla íntima, elaborada
en caliente, de agregados pétreos, llenante mineral y un
cemento asfáltico, de manera que la superficie de todas
y cada una de las partículas minerales quede recubiertade manera homogénea por una película de ligante.
Mezclas Asfálticas
en caliente
Mezcla
Densa
gradación continua o
HMA convencional
large-stone mix
mezcla arena-asfalto
Mezcla Abierta
Open graded
open-graded
friction course
OGFC
base permeable
tratada con asfalto
Mezcla Granulometria
Incompleta gap-graded
gap-graded
stone mastic asphalt
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%
Clasificación de Mezclas Asfálticas
Dense-graded
Open-graded Gap-graded
Clasificación de Mezclas Asfálticas
�Suficiente asfalto para asegurar un pavimento durable.
�Suficiente estabilidad bajo cargas de tránsito.
�Suficientes vacíos con aire:
• límite superior para prevenir desintegración de la
capa
• límite inferior para dar espacio a la densificación
producida por el tránsito.
�Suficiente trabajabilidad para prevenir segregaciones
durante la elaboración y la colocación de la mezcla.
�Suficiente flexibilidad para adaptarse a asentamientos
y movimientos graduales de las capas inferiores
Requerimientos de una mezcla de concreto asfáltico
Consideraciones del Diseño de Mezclas
La característica del diseño de mezclas
comprende:
� Densidad de la mezcla.
� Vacíos de aire.
� Vacíos en el agregado mineral.
� Contenido de asfalto.
DISEÑO DE MEZCLAS
- Densidad de la mezcla: Característica muy importante ,debido aque es esencial tener una alta densidad en el pavimentoterminado para obtener un rendimiento duradero.
- Vacíos de aire o simplemente vacíos: Son espacios pequeños deaire presentes entre los agregados revestidos en la mezcla finalcompactada. El porcentaje permitido de vacíos está entre 3 y5%.
- Vacíos en el agregado mineral: El VMA son los espacios de aireque existen entre las partículas de agregado en una mezclacompactada, incluyendo los espacios que están llenos de asfalto.
- Contenido de asfalto: La proporción de asfalto en la mezcla esimportante y debe ser determinada exactamente en ellaboratorio y luego controlada con precisión en la obra.
Diseño de mezclas
• Ensayos empleados para establecer las
proporciones de los diferentes componentes
de la mezcla y el posterior control de
producción y de construcción de la misma.
– Marshall
– Hveem
– SUPERPAVE
Método Marshall
� El ensayo se realiza de acuerdo con el procedimiento
descrito en el manual MS2 del Instituto del Asfalto y es
aplicable a mezclas con agregado de tamaño máximo no
mayor de 25mm.
� Emplea probetas de 4 pulgadas de diámetro y 2.5 pulgadas
de altura, compactadas a alta temperatura, con diferentes
proporciones de asfalto, las cuales son ensayadas a 60°C
mediante deformación lateral hasta alcanzar la falla
� La carga de falla de las probetas se denomina estabilidad y la
deformación máxima se llama flujo
Objetivo del Método Marshall
Determinar el contenido óptimo de asfalto para una mezcla
específica de agregados; así como también proporcionar información
sobre las características físicas y mecánicas de mezcla asfáltica en
caliente, de tal manera que sea posible establecer si cumple en lo
referente al establecimiento de densidades y contenidos óptimos de
vacío durante la construcción de la capa del pavimento.
Método Marshall
En el método Marshall se elaboran tres tipos de
pruebas para conocer tanto sus características
volumétricas como mecánicas.
A. Determinación de la gravedad específica.
B. Prueba de estabilidad y flujo.
C. Análisis de densidad y vacíos.
Propiedades Peso-Volumen
Propiedades Peso-Volumen
� Un contenido demasiado altode vacíos proporcionapasajes , a través de lamezcla, por los cuales puedeentrar el agua y el aire, ycausar deterioro.
� Por otro lado, un contenidodemasiado bajo de vacíospuede producir exudaciónde asfalto; una condición endonde el exceso de asfalto esexprimido fuera de la mezclahacía la superficie.
VACIOS DEL AIRE (simplemente vacíos)
Efecto de la Exudación de asfalto
� La densidad y el contenidode vacíos están directamenterelacionados, entre mas altala densidad, menor es elporcentaje de vacíos en lamezcla y viceversa.
� Las especificaciones de laobra requieren , usualmenteuna densidad que permitaacomodar el menor númeroposible (en la realidad) devacíos, preferiblementemenos del 8 por ciento.
VACIOS DEL AIRE (simplemente vacíos)
� Los vacios en el agregadomineral, están definidospor el espacio intergranularde vacios que seencuentran entre laspartículas de agregado dela mezcla de pavimentacióncompactada, incluyendo losvacios de aire y elcontenido efectivo deasfalto y se expresan comoun porcentaje del volumende la mezcla.
VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL (VMA)
VACIOS DE AIRE
ASFALTO
AGREGADO
� El VMA es calculado en base al peso especifico total del
agregado y se expresa como un porcentaje del volumen
total de la mezcla compactada.
� El VMA puede ser calculado al restar el volumen de
agregado (determinado mediante el peso especifico total del
agregado) del volumen total de la mezcla compactada.
VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL (VMA)
1. Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM C127) y de
los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128).
2. 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. Gravedad específica teórica máxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o
AASHTO T209).
5. 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.
Análisis de Mezclas Compactadas
DOSIFICACION AGREGADOS
GRAVA CHANCADA 35 %
ARENA CHANCADA 35 %
ARENA ZARANDEADA 30 %
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
Análisis de Mezclas Compactadas
METODO MARSHALL DE DISEÑO DE MEZCLAS
PREPARACION PARA EFECTUAR LOS PROCEDIMIENTOS MARSHALL:
-Selección de las muestras de material: Consiste en reunir muestras
del asfalto y del agregado que van a ser usados en la mezcla depavimentación.
-Preparación del agregado: Secar el agregado, determinar su pesoespecífico, y efectuar un análisis granulométrico por lavado.
-Preparación de las muestras o probetas de ensayo: Haciendo que
cada una contenga una ligera cantidad diferente de asfalto.
PREPARACION DE LAS MUESTRAS
• El asfalto y el agregado se calientan y mezclan completamentehasta que todas las partículas de agregado estén revestidas, estosimula los procesos de calentamiento y mezclado que ocurren enla planta.
• Las mezclas asfálticas calientes se colocan en los moldesprecalentados Marshall como preparación para la compactación,en donde se usa el martillo Marshall.
• Las briquetas son compactadas mediante golpes del martilloMarshall. El número de golpes del martillo(35,50 ó 75) dependede la cantidad de tránsito para la cual la mezcla está siendodiseñada. Ambas caras de cada briqueta reciben el mismo númerode golpes. Después de completar la compactación las probetasson enfriadas y extraídas de los moldes.
Método Marshall
Compactación de la mezcla
Colocación de la mezcla dentro
del molde de compactación
Método Marshall
Método Marshall
�DETERMINACION DEL PESO ESPECIFICO TOTAL.
�MEDICION DE LA ESTABILIDAD Y FLUENCIA
MARSHALL.
�ANALISIS DE LA DENSIDAD Y EL CONTENIDO DE
VACIOS DE LA PROBETA.
Método Marshall
• El valor de estabilidad Marshall es una medida de la
carga bajo la cual una probeta cede o falla
totalmente.
• La fluencia Marshall, medida en centésimas de
pulgada, representa la deformación de la briqueta,
aquellas que tienen valores altos de fluencia son
consideradas demasiado plásticas, y tienen
tendencia a deformarse fácilmente bajo las cargas de
tránsito.
Método Marshall
ANALISIS DE LOS RESULTADOS DEL ENSAYO MARSHALL
• Graficando los resultados: Se trazan los resultados
en gráficas para entender las características
particulares de cada probeta usada en la serie.
• Mediante el estudio de las gráficas se puede
determinar cuál probeta de la serie cumple mejor
los criterios establecidos para el pavimento
terminado.
• Las proporciones de asfalto y agregado se convierten
en las proporciones usadas en la mezcla final.
GRAFICOS DE LOS RESULTADOS MARSHALL
• Porcentaje de vacíos
• Porcentaje de vacíos en el agregado mineral
• Porcentaje de vacíos llenos de asfalto
• Pesos unitarios
• Valores de estabilidad Marshall
• Valores de fluencia Marshall
ITEM UNID. PROMEDIO
1 Nº 1 2 3
2 % 5.0 5.0 5.0
3 % 42.24 42.24 42.24
4 % 52.76 52.76 52.76
5 %
6 gr./cc. 1.013 1.013 1.013
7 gr./cc. 2.620 2.620 2.620
8 gr./cc. 2.686 2.686 2.686 2.653
9 gr./cc. 2.553 2.553 2.553
10 gr./cc. 2.699 2.699 2.699 2.626
11 gr./cc.
12 gr. 1235.1 1222.1 1228.5
13 gr. 1237.0 1223.7 1230.1
14 gr. 688.2 680.0 685.3
15 c.c 548.8 543.7 544.8
16 gr./cc. 2.251 2.248 2.255 2.251
17 gr./cc. 2.457 2.457 2.457
18 Máxima Densidad Teórica de los Agregados = 100/((2/6)+(3/8)+(4/10)+(5/11)) gr./cc. 2.442 2.442 2.442
19 % 8.4 8.5 8.2 8.4
20 gr./cc. 2.638 2.638 2.638 2.638
21 gr./cc. 2.656 2.656 2.656
22 Peso Específico Aparente del Agregado total = (100-20)/((3/8)+(4/10)) gr./cc. 2.760 2.760 2.760
23 % 0.265 0.265 0.265
24 % del Volumen del Agregado x Volumen Bruto de la Briqueta = (3+4)*(16/20) % 81.05 80.95 81.21
25 % 10.55 10.54 10.57
26 % Asfalto Efectivo - Peso de la Mezcla = 2-((23/100)*(3+4)) % 4.75 4.75 4.75
27 % 18.95 19.05 18.79 18.9
28 Relación Betún - Vacíos (% de Vacíos llenados con C.A.) = (25/27)*100 % 55.7 55.30 56.24 55.7
29 222 225 215
30 Kg. 748 757 725
31 0.89 0.93 0.93
32 Kg. 666 704 674 681
33 2.5 2.8 2.5 2.6
34 2663 2560 2697 2640
Flujo (mm)
Indice de rigidez (kg/cm.) = 32/(33/10)
Lectura del Dial Anillo Marshall
Estabilidad sin corregir (Según Carta de Calibración)
Factor de Estabilidad (Factor de Correción según alturas)
Estabilidad corregida (Kg) = (30*31)
LABORATORIO MECANICA DE SUELOS, CONCRETOS Y PAVIMENTOS
PASO
Peso Específico Máximo (RICE) ASTM D-2041
% de Vacíos = 100*(17-16)/17
Peso Específico Bulk del Agregado total = (100-2)/((3/Pr.8)+(4/Pr.10)+(5+Pr.11))
VMA = 100-24
Peso Específico Efectivo del Agregado total = (3+4)/((100/17)-(2/6))Peso Específico Efectivo del Agregado total = (3+4)/((100/17)-(2/6))
Asfalto absorvido por el Peso del Agregado = 100*6*(21-20)/(21*20)
% del Volumen Asfalto Efectivo / Volumen de Probeta = 100-(24+19)
% de cemento asfaltico en peso de la mezcla
% de Grava Triturada en Peso de la Mezcla
% de Arenas Combinadas en Peso de la Mezcla
Número de Probeta
ENSAYO MARSHALL
Volumen de la Briqueta = 13-14
ENSAYO
% de Agregado Filler en Peso de la Mezcla
(NORMAS: AASHTO T-245, ASTM D-1559)
Peso Específico Bulk de la Briqueta = 12/15
Peso Específico Aparente del Cemento Asfáltico
Peso Específico Bulk de la Grava Triturada
Peso Específico Bulk de la Arena Combinada
Peso Específico Aparente del Filler
Peso de la Briqueta al Aire
Peso de la Briqueta Superficialmente Seca
Peso de la Briqueta Sumergida
Peso Específico Aparente de la Grava Triturada ( AASHTO T85)
Peso Específico Aparente de la Arena Combinada ( AASHTO T84)
Determinación del optimo contenido de asfalto
• El contenido de diseño de asfalto se determina a
partir de los resultados(gráficas).
• Primero se determina el contenido de asfalto para el
cual el contenido de vacíos es de 4%.
• Luego se evalúan todas las propiedades calculadas y
medidas para este contenido de asfalto y se comparan
con los criterios de diseño; si se cumplen todos los
criterios de diseño, este es el contenido de diseño de
asfalto, sino será necesario hacer algunos ajustes o
volver a diseñar la mezcla.
EJEMPLO DE GRAFICAS PARA LOS RESULTADOS DE UNA SERIE DE CINCO PROBETAS MARSHALL
Grafico N°01 % Vacíos Vs C.A %
Grafico N°04 PESO UNITARIO Vs C.A %
Grafico N°02 % VMA Vs C.A %
Grafico N°03 % VFA Vs C.A %
Grafico N°06 FLUJO Vs C.A %
Grafico N°05 ESTABILIDAD Vs C.A %
DESCRIPCION ENSAYO ESPECIFICACION
OPTIMO CONTENIDO C.A (%) 6.9 + 3
PESO UNITARIO ( gr/ cm3 ) 2.295
VACIOS ( % ) 4.0 3 - 5
V.M.A ( % ) 18.6 > 14
V.F.A ( % ) 79
FLUJO ( 0.01” / mm )
14. 0
3.589
8 – 16
2 - 4
ESTABILIDAD ( kg) 1250 > 815
Resultados de diseño
CRITERIOS DEL INSTITUTO DEL ASFALTO (U.S.A.) PARA EL DISEÑO MARSHALL
NOTAS
1 Todos los criterios y no solo estabilidad, deben ser considerados al diseñar una mezcla asfáltica de pavimentación. Las mezclasasfálticas en caliente de base que no cumplan esos criterios, cuando se ensayen a 60°C, se consideraran satisfactorias si cumplen loscriterios cuando se ensayan a 38°C, y si se colocan a 100mm o mas por debajo de la superficie. Estas recomendaciones se aplicansolamente a las regiones de EEUU. En las regiones que tengan condiciones climáticas mas extremas puede ser necesario usartemperaturas más bajas de ensayo.
2 Clasificación del Transito.Liviano Condiciones de transito que resultan en un EAL de diseño < 104Mediano Condiciones de transito que resultan en un EAL de diseño entre 104 y 106Pesado Condiciones de transito que resultan en un EAL de diseño > 106
3 Los esfuerzos de compactación en el laboratorio deberán aproximarse a la densidad máxima obtenida en el pavimento bajo el transito.
4 Los valores de fluencia se refieren al punto en donde la carga comienza a disminuir
5 Cuando se este calculando el porcentaje de vacios, deberá permitirse cierta tolerancia en la porción de cemento asfaltico perdida por absorción en las partículas del agregado.
6 El porcentaje de vacios en el agregado mineral debe ser calculado con base en el peso específico total ASTM del agregado.
Criterios para mezcla del método Marshall
Transito LivianoCarpeta y Base Transito Mediano Transito Pesado
Min. Max. Min. Max. Min. Max.
Compactación, número de golpes en cada cara de la probeta 35 50 75
Estabilidad N en (lb) 3336 5338 8006
Flujo, 0.25 mm (0.01 pulgadas) 8 18 8 16 8 14
Porcentaje de vacios 3 5 3 5 3 5
Porcentaje de vacios en el agregado mineral (VMA) (ver figura)
Porcentaje de vacios llenos de asfalto (VFA) 70 80 65 78 65 75
PORCENTAJE MINIMO DE VMA
1 Especificación Normal para Tamaños de Tamices usados en Pruebas, ASTM E 11 (AASTO M 92)
2 El tamaño máximo nominal de partícula es un tamaño más grande que el primer tamiz que retiene
mas de 10 % de material.
3 Interpole el VMA mínimo para los valores de vacios de diseño que se encuentren entre los que están
citados.
TAMAÑO MÁXIMO En mm.
Porcentaje
VMA MINIMO, POR CIENTO Vacíos de Diseño, por ciento 3
mm In. 3.0 4.0 5.0 1.18 N° 16 21.5 22.5 23.5
2.36 N° 8 19.0 20.0 21.0
4.75 N° 4 16.0 17.0 18.0
9.50 3/8 14.0 15.0 16.0
12.50 1/2 13.0 14.0 15.0
19.00 3/4 12.0 13.0 14.0
25.00 1.0 11.0 12.0 13.0
37.50 1.5 10.0 11.0 12.0
50 2.0 9.5 10.5 11.5
63 2.5 9.0 10.0 11.0
% LIGANTE
RE
SIS
TE
NC
IA P
OR
CO
HE
SIO
N
(CO
HE
SIM
ET
RO
)
RE
SIS
TE
NC
IA P
OR
FR
ICC
ION
(ES
TA
BIL
OM
ET
RO
)
60
50
40
30
20
10
0
RESISTENCIA POR FRICCIÓN
RESISTENCIA POR COHESIÓN
VALOR MINIMO EXIGIDOPARA RESISTENCIA POR FRICCION
3 4 5 6 7 8 9
150
100
50
VALOR MINIMO EXIGIDOPARA RESISTENCIA POR COHESION
% ASFALTO
ES
TA
BIL
IDA
D (
RE
SIS
TE
NC
IA P
OR
FR
ICC
ION
) 60
50
40
30
20
10
0
ARENISCA TRITURADA
3 4 5 6 7 8 9 10
GRANITOTRITURADO
GRAVADE RIOSIN TRITURAR
% ASFALTO
ES
TA
BIL
IDA
D (
RE
SIS
TE
NC
IA P
OR
FR
ICC
ION
)
60
50
40
30
20
10
0
C.A 40-50
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
C.A 85 - 100
% VACÍOS
PE
NE
TR
AC
ION
a
25
°C
, d
mm
100
80
60
40
20
0
0 5 10 15
Penetración inicial – 100 dmmPenetración después de al mezcla – 70 dmm
PENETRACION a 25 °C, dmm
ES
TA
BIL
IDA
D D
E M
AR
SH
AL
L ,
KN
8
7
6
5
4
030 40 50 60
PUNTO DE ABLANDAMIENTO °C
DE
FO
RM
AC
ION
mm
10754
3
2
1
0.7
0.5
0.4
0.3
0.2
0.145 50 55 60 65 70
ES
TA
BIL
IDA
D D
E M
AR
SH
AL
L
(L
bs)
2 golpes5 golpes
10 golpes
20 golpes
40 golpes
60 golpes
ASFALTO DE BAJA
VISCOCIDAD
ASFALTO DE BAJA
VISCOCIDAD
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100
MEZCLA CON C.A. DE PENETRACION 60/70
% densidad de laboratorio (60 golpes)
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Efecto de la densidad y de la viscosidad sobre mezclas asfálticas en caliente compactados siguiendo el Método Marshall
Fuente: U.S. Department of Trnasportation: Hot MixBituminous Paving Manual 1985
4
ES
TA
BIL
IDA
D D
E M
AR
SH
AL
L
(L
bs)
100 golpes75 golpes50 golpes
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0% C.A.
4500
4000
3500
2500
2000
1500
1000
500
0
Efecto de la energía de compactación (densidad) en la estabilidad
Fuente: Corredor, G & Sanchez L, F: información básica en el desarrollo del sistema Ramcodes 2002
350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100
Temperatura de compactación ( °F )
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Va
cio
sto
tale
s e
n m
ezc
la
co
mp
ac
tad
a (
% d
el va
lor
a 2
75
°F
)
Efecto de la temperatura en la densidad (contenido de aire) de una mezcla asfaltica
Fuente: U.S. Department of Trnasportation: Hot MixBituminous Paving Manual 1985
0 2 4 6 8 10 12
7
6
5
4
3
2
1
Ageing afer8 years service
Ageing during storageTransportation and application
Ag
ein
gd
uri
ng
mis
sin
g
Age, years
Ag
ein
g,
ind
ex
ŋa
/ŋ
o
Variación el índice de envejecimiento en las diferentes etapas de la vida de servicio de una mezcla asfáltica
Fuente: Shell Asphalt Hanbokl 1990