METODOLOGIAS MARSHALL, SUPERPAVE Y RAMCODES PARA EL DISEO DE

MEZCLAS

JUAN MANUEL GUIO BURGOS

JOHAN ALEXANDER MOJICA RODRIGUEZ

Trabajo presentado al ingeniero MSc:

CARLOS HERNANDO HIGUERA SANDOVAL

UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE TRANSPORTE Y VAS

TUNJA

2012

INTRODUCCIN

El conocimiento de las diferentes metodologas para el diseo de mezclas

asflticas es de vital importancia en la formacin del ingeniero de transporte y

vas, ya que este debe siempre estar a la vanguardia en el diseo de

infraestructuras y tener todos los elementos que le permitan tomar siempre las

mejores decisiones en el campo de los pavimentos.

OBJETIVO

Recordar, analizar y profundizar en las metodologas Marshall, Superpave y

Ramcodes para el diseo de mezclas asflticas y su aplicacin en la

pavimentacin de carreteras, observando y analizando con detenimiento sus

ventajas y desventajas, sus alcances y efectividad en el diseo de mezclas

asflticas.

MARSHALL

Esta norma describe el procedimiento que debe seguirse para determinar la

densidad Bulk y el porcentaje de vacios para cada serie de muestras asflticas,

mediante el clculo y anlisis de los diferentes pesos y volmenes.

PROCEDIMIENTO

1. Se promedian los pesos especficos bulk de todas las probetas elaboradas con el mismo porcentaje de asfalto, descartando las que se alejen demasiado del promedio.

Se calcula la gravedad especfica bulk promedio de agregados, mediante la

expresin.

Donde:

P1, P2, P3 = Porcentaje en peso de cada una de las fracciones de material que

intervienen en el total del agregado.

G1, G2, G3. = Pesos especficos de los materiales a los que corresponden las

fracciones anteriormente mencionadas.

2. Se calcula la gravedad especfica mxima terica de la muestra para cada porcentaje de asfalto, el cual corresponde al que tericamente se obtendra si fuera posible comprimir la muestra hasta obtener una masa de asfalto y agregados carente de vacos con aire. Este valor se calcula as:

.....3

3

2

2

1

1

100

G

P

G

P

G

PGagr

Donde:

%agregados = 100 - % asfalto

Gagr = gravedad especifica promedio de agregados

3. Se determina el volumen mediante la siguiente expresin:

Volumen = Peso aire SSS Peso agua SSS

Donde:

Peso aire SSS = Peso de la muestra en aire en estado SSS

Peso agua SSS = Peso de la muestra en el agua en estado SSS.

4. Se determina la densidad Bulk de cada una de las muestras de ensayo con la expresin:

Donde:

Peso aire seco = Peso en el aire de la menestra seca.

Peso aire SSS = Peso en aire de la muestra en estado SSS

Peso agua SSS = Peso en agua de la muestra en estado S

Gasf

alticocementoasf

Gagr

agregadosGagr

%%

100

SPesoaguaSSSPesoaireSS

oPesoairelkDensidadbu

sec

5. Se calcula el peso especfico de la mezcla asfltica suelta RICE, mediante la expresin:

Donde:

A = peso de la muestra

D = peso del envase (matraz + agua)

E = peso del envase (matraz + agua+muestra)

6. Se calcula el porcentaje en volumen de los agregados, para cada porcentaje de cemento asfltico utilizado, mediante la frmula:

Donde:

Gmb = Bulk promedio de las 3 briquetas

Gsb = gravedad especifica bulk del agregado

Ps = % agregados = % total - % asfalto utilizado

EDA

AGmm

Gsb

PsGmbVagr

*%

7. Se determina el porcentaje total de vacos con respecto al volumen total de la probeta mediante la expresin:

Donde:

Gmm = Rice

Gmb = Bulk promedio de las 3 briquetas

8. Se calcula el volumen de asfalto como porcentaje del volumen total de la probeta.

Donde:

%Vagregados = % volumen de agregados

Pa = % total de vacos con respecto al volumen total de la probeta

9. Se determina el porcentaje de vacos en los agregados minerales en la mezcla compactada.

Donde:

%Vagr = % volumen de agregados

Gmm

GmbGmmPa

*100

PaVagregadosVa %100

VagrVam %100

10. Se determina el volumen efectivo de asfalto en la mezcla compactada con la expresin:

Donde:

Va = Volumen de asfalto

Vam = % vacos en agregados minerales

11. Se determina el contenido de asfalto efectivo con respecto al peso de la mezcla.

100*Vam

VaVea

agregadosgadosorbidoagreasfaltoabs

asfaltoAe %*100

%

12. Correccin de los valores de estabilidad

En base al volumen de la briqueta se calcula la estabilidad corregida de acuerdo a

la tabla dada, mediante la expresin:

Ec = Dial* Factor de correccin * Constante del anillo

Donde:

Conste anillo = 51.621+10.003*Dia

Los valores obtenidos para aquellas muestras que no tengan exactamente la

altura 2.5 deben corregirse, aplicando factores de correccin ya antes

mencionados en la tablas dadas.

Los valores de Estabilidad corregida para grupo de muestras elaboradas con el

mismo contenido de asfalto, se promedian, tomndose dicho promedio como valor

de estabilidad para ese contenido de asfalto.

Debe excluirse del promedio aquel valor que se encuentre notoriamente alejado

de los dems.

Los valores de flujo obtenidos para todas las muestras elaboradas con

determinado contenido de cemento asfltico, se promedian, deber tambin

descartarse aquel valor que difiera notablemente del promedio si lo hay.

13. Se dibujan grficos que establezcan las siguientes relaciones:

Densidad Vs % de cemento asfltico

Estabilidad Vs % de cemento asfltico

Flujo Vs % cemento asfltico

%de vacos con aire en la mezcla total Vs % cemento asfltico

% de vacos en los agregados minerales Vs % de cemento asfltico

INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS

La densidad aumenta con el contenido de asfalto hasta un mximo despus del cual comienza a decrecer.

La curva de Estabilidad es similar al de la densidad, salvo que la mxima estabilidad ocurre normalmente (no siempre) a un contenido de asfalto ligeramente inferior al de la mxima densidad.

Los valores de flujo aumentan con los incrementos en el contenido de asfalto.

El % de vacos con el aire en la mezcla total disminuye al incrementar el contenido de asfalto, tendiendo hacia un mnimo.

El % de vacos en los agregados minerales disminuye al incrementarse el contenido de asfalto, hasta alcanzar un mnimo a partir del cual comienza a aumentar.

No se debe exagerar en el tiempo del calentado de la mezcla asfltica, porque esta se hace quebradiza. Es recomendable calentarla de 3 a 5 minutos.

La temperatura mnima a la cual la mezcla debe llegar al sitio de la obra debe ser de 120C, caso contrario se corre el riesgo de al ser compactada adquiera una superficie porosa, esto aumenta la posibilidad de oxidacin y envejecimiento prematura del concreto asfltico.

ESPECIFICACINES TCNICAS

450-E

Diseo

Las mezclas en caliente objeto del presente Artculo se disearn, salvo

justificacin en contrario, por el mtodo Marshall, efectuando el ensayo de

estabilidad y flujo en acuerdo con la norma de ensayo INV E748 y utilizando los

procedimientos de clculo establecidos en la norma de ensayo INV E-799. En

todos los casos, se evaluarn las propiedades de empaquetamiento de los

agregados en la mezcla, mediante el mtodo Bailey.

Los criterios para la definicin preliminar del porcentaje ptimo de asfalto de la

mezcla, son los indicados en la Tabla 450.4.

El diseo preliminar de la frmula de trabajo, obtenida a partir de los requisitos

establecidos en la Tabla 450.4 deber ser sometido a una primera comprobacin,

con base en los criterios de la Tabla 450.5

Tabla 450.4

Criterios de diseo de la mezcla asfltica en caliente por el mtodo Marshall

Conclusiones y Comentarios

Este es un mtodo muy probado y base de los nuevos mtodos, este mtodo es clave en el diseo de mezclas asflticas aunque es a veces muy largo.

RAMCODES

RAMCODES es un acrnimo de RAtional Methodology for Compacted

geomaterials Density and Strength analysis, que significa, Metodologa Racional

para el Anlisis de Densificacin y Resistencia de Geomateriales Compactados.

Es una metodologa para disear y controlar geomateriales compactados, tales

como suelos y mezclas asflticas, desarrollada por el autor de este manual desde

1998 con la asistencia tcnica y econmica de la compaa venezolana

SOLESTUDIOS C.A.

RAMCODES se fundamenta en conocimientos de estadstica para llevar a cabo y

analizar experimentos para el diseo, y para realizar un control de calidad donde

se tiene control sobre los niveles de error. La metodologa se basa tambin en

conocimientos de Mecnica de Suelos No Saturados que explican las variables

ms influyentes en la obtencin de las respuestas de densificacin y resistencia

del geomaterial.

POSTULADOS DE RAMCODES

Los siguientes postulados filosficos de RAMCODES:

1) Un geomaterial compactado puede ser suelo, suelo-cemento, mezcla asfltica o

mezcla de cemento hidrulico (suelo cementado). De manera que los conceptos y

criterios desarrollados para cada material podran ser aplicados al resto.

2) Cualquier sistema de clasificacin para geomateriales debe considerar al

menos la gradacin y la cantidad de superficie especfica de los finos

(indirectamente cuantificada por el concepto de plasticidad) como los principales

factores inherentes que influencian su comportamiento mecnico e hidrulico.

3) Para optimizar la interpretacin, la recoleccin de informacin y el diseo, un

sistema de clasificacin debera no slo ser cualitativo, sino tambin cuantitativo.

Esto es, debera producir un nmero relacionado a una escala continua con el fin

de correlacionar los parmetros de respuesta con la clasificacin.

4) Para optimizar el diseo de un geomaterial compactado se utilizarn

experimentos factoriales, a fin de evaluar la interaccin entre variables en la

respuesta deseada.

RAMCODES est compuesto por cinco mdulos, a saber:

Un original sistema de CLASIFICACIN que describe a un geomaterial como una

combinacin de su proporcin granulomtrica y la superficie especfica de su parte

fina, asocindolo a un nmero que pertenece a una escala continua.

Un MARCO DE ANLISIS descrito matemticamente para representar

condiciones de diseo y regiones de control de compactacin.

Un mtodo de DISEO basado en experimentos factoriales con el que se obtiene

una utilizacin optimizada o racional del geomaterial estudiado.

Un sencillo y eficiente mtodo estadstico de CONTROL de calidad de

compactacin que protege contra la aceptacin de lotes defectuosos o el rechazo

de lotes satisfactorios.

Un potente SOFTWARE de graficacin y anlisis estadsticos (Origin) para la

implementacin de los experimentos factoriales, la representacin de las regiones

de control, ajustes de tendencias e inferencias estadsticas durante el control.

Tambin se incluye el uso de Excel para los clculos matemticos asociados al

marco de anlisis.

La principal razn para usar RAMCODES es dinero. Tal como lo hicieron en la en

la industria qumica norteamericana en los aos 50s para convertirla en una de las

ms competitivas del mundo, o en la industria automotriz japonesa en los aos

60s para asegurar un desarrollo que opac al hemisferio occidental, los

experimentos factoriales revolucionan los mtodos de diseo para conseguir la

optimizacin y el uso racional de los materiales, obteniendo productos ms

confiables y a menor costo.

Los geomateriales usados en la construccin de rellenos y pavimentos no son una

excepcin. Es por esto que empresas e instituciones que han utilizado

RAMCODES declaran que pudieron utilizar satisfactoriamente materiales que,

analizados con la metodologa tradicional, hubieran tenido que ser desechados.

Por otra parte, los usuarios han reportado tambin un elevado rendimiento durante

la construccin ya que las mayores resistencias para el material se consiguen las

ms de las veces con densidades considerablemente ms bajas que las mximas

de laboratorio, lo que supone una menor cantidad de pasadas del equipo de

compactacin. En mezclas asflticas, usuarios han reportado una notable

disminucin del tiempo de diseo con el uso de ARIZADA, el marco matemtico

de anlisis de RAMCODES. Finalmente, la clasificacin cuantitativa de

RAMCODES permite a las compaas y laboratorios coleccionar resultados de

anlisis sobre materiales por medio de correlaciones que se van enriqueciendo en

el tiempo. Estas correlaciones son muy tiles en las etapas de prediseo y

licitacin de proyectos pues se puede decidir la utilizacin de un prstamo a partir

de ensayos rutinarios de clasificacin, lo que ahorra tiempo y recursos.

La metodologa tradicional de diseo de geomateriales est fundamentada en

experimentos de variacin de un solo factor y conducen a diseos sobre

dimensionados o bien sub dimensionados. En ambos casos se produce prdida de

recursos. Por otra parte, en materiales como las mezclas asflticas se ha

comprobado que los criterios de diseo estn divorciados de los criterios de

control. En suelos compactados, el errneo paradigma de a mayor densidad,

mayor resistencia ha penetrado tanto que los ingenieros no se preocupan ms por

la resistencia del suelo, sino por su densidad.

SISTEMA DE CLASIFICACIN RAMCODES

El sistema de clasificacin RAMCODES fue desarrollado por el autor entre 1998 y

2002 con la finalidad de asignar a los materiales no slo una calificacin cualitativa

a travs de smbolos o grupos, tal como sucede con SUCS o HRB, sino tambin

relacionarlo con una escala cuantitativa que permitiera correlaciones con

propiedades de densificacin y resistencia de materiales compactados, y tambin

para controlar la variabilidad de un prstamo de material de suelo. Para el

desarrollo del sistema se utilizaron ciento cuarenta y dos (142) resultados de

ensayo sobre materiales de suelo de la formacin geolgica Mesa de Guanipa,

ubicada al sureste de Venezuela (Snchez-Leal, F.J., 2002a). Estos suelos son

pobremente consolidados, y conformados por deposicin fluvial. Son conocidos su

significativa susceptibilidad a la erosin por agua. Consisten en arenas gruesas y

gravas provenientes de conglomerados ferruginosos y guijarros redondeados,

tambin existen arenas finas limosas y arcillosas, con colores tpicos marrn

amarillento, rojo y violeta, y lentes de arcilla arenosa y limonita dispuestos de

manera aleatoria.

Las clasificaciones SUCS ms frecuentes para estos materiales son: GC, GM, SC,

SM, SC-SM y CL arenosa.

Este sistema de clasificacin discrimina entre materiales con finos plsticos y finos

no plsticos. La base del sistema es un parmetro llamado factor caracterstico

que se denomina Fp cuando se trata de suelos o agregados con finos plsticos, y

se denomina Fnp para materiales con finos no plsticos.

El factor caracterstico para materiales con finos plsticos se define como una

combinacin lineal de la plasticidad, medida indirecta de la superficie especfica de

los finos, y la proporcin entre finos y gruesos. El factor caracterstico permite

resumir en un solo valor numrico las dos caractersticas inherentes al geomaterial

que, a juicio del autor, influencian principalmente su comportamiento mecnico.

La siguiente expresin define al factor caracterstico.

donde wL es el lmite lquido, F es el contenido de finos o pasante del tamiz No.

200, G es el contenido de grava o proporcin retenida en el tamiz No. 4, todos en

decimal. Fp est relacionado con la clasificacin cualitativa del suelo

El factor caracterstico para suelos con finos no plsticos est fundamentado en

los trabajos de Roper, enunciado por Biarez (1980) y Haussmann (1990), con

alguna modificacin. Dicho factor tiene la forma siguiente:

La figura 3-1 presenta la aplicacin del factor caracterstico al seguimiento de la

variacin de la gradacin del suelo durante la explotacin de un prstamo. Se trata

del prstamo denominado Axis 410 del proyecto petrolero Sincor Upstream, en

el oriente venezolano. Durante cierto periodo de su aprovechamiento, se tomaron

muestras representativas, con una frecuencia semanal, con la finalidad de realizar

ensayos de granulometra y lmites, con lo que se calcul el valor de Fp. El lector

podr apreciar en la grfica que el factor caracterstico promedio en ese periodo

fue de 0.25, que corresponde a arena limo-arcillosa con grava. El material, sin

embargo, vari, durante el tramo de explotacin al que se le hizo seguimiento,

entre dicha clasificacin y grava limo-arcillosa. La desviacin estndar estimada

para Fp fue de 0.11. Se observaron tambin (v.gr., muestras 4 y 25) picos de

material ms fino, durante el proceso de aprovechamiento del prstamo.

El factor caracterstico Fp tambin se puede usar para observar la variacin de la

gradacin en la produccin de mezclas asflticas. La figura 3.2 presenta un

seguimiento para la produccin de una mezcla asfltica para la Autopista Jos

Antonio Pez, en Caracas. Se trata de 207 granulometras obtenidas en otras

tantas muestras colectadas diariamente en la planta. Esta informacin fue

gentilmente suministrada por le empresa venezolana EICA, C.A., encargada de la

produccin de la mezcla. El factor caracterstico de diseo, calculado a partir de la

granulometra de diseo, fue de 0.058, mientras que el promedio de la produccin

fue de 0.055. Por otra parte, la desviacin estndar estimada para Fp fue de a

penas 0.009, lo que demuestra una significativa consistencia en la produccin.

La importante diferencia entre la variabilidad encontrada en la explotacin del

prstamo, y la variabilidad en la gradacin de la produccin de la mezcla estriba

lgicamente en que en el prstamo el material es natural, y el agregado, en

cambio, se deriva del proceso industrial que es la fabricacin de una mezcla

asfltica, sobre el que, definitivamente, se puede ejercer control.

EJEMPLO 3-1: Cmo hacer estas grficas con Origin?

A manera de ejemplo vamos a utilizar diez de los resultados de las 30 muestras

del prstamo representado en la figura 3-1.

Luego, ponga el cursor sobre la casilla B(Y) y dle clic con el botn izquierdo para

seleccionar toda la columna, ver figura E 3-1-2. Luego oprima el botn con el

cursor para graficar la serie. De inmediato aparece un grfico (Graph 1). En slo

dos pasos se obtiene entonces el grfico deseado, ver figura E 3-1-3.

Este grfico se puede luego personalizar colocando los nombres de los ejes con

slo darle doble clic a cada cuadro de eje se edita el contenido. Observe que

aparece en la parte superior una barra de herramientas para el formato de texto

que facilita la labor. Escriba No. de muestra en el X Axis title, y Fp en el Y

Axis title (ver figura E 3-1-4).

Es importante salvar el trabajo realizado. Hgalo con el comando File:Save

Project As, o bien oprimiendo el botn en la barra de herramientas. Y grbelo con

el nombre Ejemplo 3-1, asegurando la terminacin .OJP que corresponde a un

proyecto de Origin (ver figura E 3-1-5).

CARTA DE GRADACIN PARA MEZCLAS ASFLTICAS

La gradacin de una combinacin de agregados es uno de los aspectos claves

cuando se estudia el comportamiento mecnico e hidrulico de mezclas

23 asflticas (por ejemplo, Chowdhury et al., 2001; Anderson and Bahia, 1997; El-

Basyouny and Mamlouk, 1999). Las especificaciones de gradacin estn

destinadas a asegurar que el diseador escoja la mejor combinacin posible de

materiales para obtener una respuesta deseable (v.g., estabilidad, flujo, vacos,

Mdulo de Young, resistencia al ahuellamiento, permeabilidad).

Tradicionalmente las gradaciones estn basadas en lmites de dimetro mximo y

estructuras (i.e., gradaciones finas, gruesas). En la actualidad existe una

controversia sobre cul estructura produce mejores mezclas (Kandhal y

Cooley, 2002). Se dice que la lnea de mxima densidad, una construccin que

divide las estructuras finas de las gruesas, produce mezclas con vacos tan bajos

que son inaceptables (revisin de literatura de Kandhal y Cooley, 2001); esta lnea

es la directora de la zona restringida de Superpave. Se acepta comnmente que

los agregados con mayor tamao mximo producirn mezclas con mayores

coeficientes de permeabilidad (Mallick et al., 2003;

Cooley, Prowell y Brown, 2002). Tambin, las especificaciones de gradacin

fueron propuestas originalmente como una gua, sin embargo hoy representan

rgidos controles con considerables implicaciones econmicas. En la opinin del

autor, el estudio y entendimiento de la influencia de la gradacin en eldesempeo

de MACs puede ser sustancialmente mejorada por el uso de la clasificacin

cuantitativa, que en el caso presente significa transformar la gradacin en un

simple nmero el cual se puede correlacionar los parmetros de respuesta de

MACs.

Fuller, buena gradacin y clasificacin

La gradacin, o anlisis granulomtrico, de un geomaterial es obtenido mediante

el trazo de una serie de tamices que componen un conjunto (ver

Figura 3-3). En un material bien gradado, las proporciones son distribuidas en

cantidades similares a lo largo de todo el rango de tamaos. Por otro lado, el

material en un agregado uniforme o mal gradado se concentra en un solo tamao

o rango de tamaos. A pesar de que no es el nico factor, la gradacin tiene una

notable influencia en el potencial de densificacin y en el comportamiento

mecnico e hidrulico de materiales gruesos, as que su determinacin es en

consecuencia importante (Jurez-Badillo y Rico-

Rodrguez, 1975). Por ejemplo, los materiales bien gradados son pronos a

alcanzar la mayor densidad y resistencia; mientras que los mal gradados tienden

a ser los ms permeables y dbiles.

LA CARTA DE GRADACIN

La carta de gradacin est basada en la representacin punto-mbito donde las

especificaciones para varias gradaciones pueden ser mostradas a la par que los

contornos para relaciones grava-arena, y propiedades mecnicas o hidrulicas.

La carta de gradacin tiene la misma intencin de asociacin y prediccin que la

Carta de Plasticidad para suelos. Las propiedades de los suelos puramente

cohesivos se organizan en la Carta de Plasticidad relacionndolos con el Lmite

Lquido y el ndice de Plasticidad porque la plasticidad (una medida de la

superficie especfica mineral) es el principal factor que afecta el comportamiento

de este tipo de suelos. De forma correspondiente, las propiedades de los suelos

puramente friccionantes, es decir, agregados, pueden entonces organizarse en

una carta de gradacin en relacin con el dimetro mximo y la estructura (por

medio del coeficiente de forma) debido a que la gradacin es el principal factor

inherente que influencia el comportamiento de estos materiales (postulado nmero

2 de RAMCODES).

La Figura 3-9 muestra la forma general de una carta de gradacin. El factor de

forma y el dimetro mximo conforman los ejes x y y, respectivamente. La curva

dada por la ecuacin 3-11 divide las arenas de las gravas. Las condiciones ASTM

para la buena gradacin de arenas y gravas obtenidas por medio de las

ecuaciones 3-7a y 3-7b, as como la lnea de mxima densidad (n=0.45) se

representan. A travs de la ecuacin 3-12b, los contornos para varias

proporciones grava-arena fueron representados en la carta. Cada contorno implica

que hay infinitas combinaciones de factor de forma y tamao mximo que

producen la misma relacin G/S. Por un lado, parece lgico presumir que, si otros

factores tales como el origen geolgico, la forma de la partcula, la naturaleza del

ligante, la temperatura, entre otros, permanecen constantes, MACs con G/S

similar se deberan tener desempeos similares en los aspectos mecnico e

hidrulico. Pero, por otro, se acepta comnmente que las mezclas con

combinaciones de agregado bien gradadas exhibiran mayores resistencias y ms

bajos valores de permeabilidad si se comparan con mezclas de mala gradacin

(Jurez-Badillo and Rico-Rodriguez, 1975); las ecuaciones 3-7a y 3-7b prueban

que el factor de forma, n, es una medida de la buena gradacin. Tambin, se

espera que las gradaciones con alto dimetro mximo produzcan altas

permeabilidades y resistencias. Estas tres asunciones parecen contradecirse entre

ellas por que, como se puede ver en la Figura 3-9, o anticipado en la ecuacin 3-

12, existen infinitos valores para el factor de forma y del dimetro mximo para la

misma relacin G/S, y tambin, existen infinitos valores de G/S para el mismo

valor del dimetro mximo o del coeficiente de forma. Los siguientes prrafos se

dedicarn a determinar cul de estos factores, n, Dmax o G/S, controlan el

desempeo de las MACs.

En la Figura 3-10, se representan los mbitos para gradaciones

Covenin densas y abiertas, as como el par de mezclas drenantes de la Tabla 3-

6. Los mbitos de especificacin, resumidos en las tablas 3-3 y 3-4, se muestran

como rectngulos etiquetados en el centro. Observe que casi todas las

gradaciones tradicionales estn dentro de los lmites de buena gradacin.

Tambin, se muestran los contornos para G/S. Note que varios mbitos de

gradacin comparten el mismo factor G/S, y en consecuencia, dos o ms mbitos

produciran el mismo material. Si la asuncin de que G/S controla la influencia de

la gradacin en el comportamiento de MACs es cierta, por ejemplo, las

gradaciones tipos IX y X deberan ser tan permeables como las mezclas

drenantes. O, por ejemplo, las gradaciones IV, III, VII y VIII podran presentar la

misma resistencia al ahuellamiento.

Los mbitos Superpave para NMAS 9.5 a 37.5-mm se muestran en la

Figura 3-11. Note que estos mbitos cubren un amplio rango de coeficientes de

forma dentro de los lmites para buena gradacin, esto es, las gradaciones

Superpave varan desde densas hasta abiertas, o desde gradaciones finas a

gruesas, aceptando como divisin de ambas estructuras a la lnea de mxima

densidad n=0.45. Actualmente, existe una controversia sobre las diferencias entre

los comportamientos mecnicos e hidrulicos entre estructuras finas y gruesas

bajo el mismo NMAS (Kandhal and Cooley, 2002). Tal como en las gradaciones

Covenin, existen varios mbitos Superpave que comparten la misma relacin G/S.

Por ejemplo, note que en la Figura 3-11 hay gradaciones

NMAS 9.5, 12.5 y 19.0-mm para G/S=1, o que hay gradaciones NMAS 37.5,

25, 19 y 12.5-mm para G/S=1.50.

GENERALIDADES

De acuerdo con el postulado nmero 2 de RAMCODES, la gradacin es el

principal factor inherente a considerar cuando se clasifican geomateriales con

finos menores que 12% (v.g. combinaciones de agregados para MACs). El

postulado nmero 3 sugiere que la gradacin debera ser cuantificada. Una forma

de cuantificar la gradacin es ajustando la data por medio de un modelo

matemtico. La aplicacin del modelo alomtrico o de Fuller, compuesto por dos

parmetros, a saber: el factor caracterstico (n) y el dimetro mximo

(Dmax), ha alcanzado valores aceptables para el coeficiente de determinacin

(i.e., R2 mayor que 0.97) cuando se ajustan estructuras bien gradadas en los

mbitos de Superpave (ver tablas 3-5, 3-6, 3-8 y 3-9) y Covenin (ver tablas 3-3 y

3-4), pero se ha reportado que no tiene aplicacin en mezclas con gradaciones

discontinuas (en consecuencia pobremente gradadas) tales como

SMA (por Stone Matrix Asphalt) y OGFC (por Open Graded Friction

Course), (Snchez-Leal, 2005b). Por medio de expresiones originales

desarrolladas en este trabajo, el modelo de Fuller se puede utilizar directamente

para expresar las condiciones ASTM D 2487-92 de buena gradacin (aun sistema

de clasificacin de suelos) para gravas y arenas, y para calcular las proporciones

de grava y arena presentes en el agregado. La relacin gravaarena

(G/S) se propone aqu como un factor alternativo para explicar mejor la influencia

de la gradacin en el desempeo de MACs, lo cual permitira la aplicacin del

postulado nmero 1 de RAMCODES (i.e., aplicar los criterios desarrollados para

suelo a MACs). En la representacin punto-mbito, definida como un grfico con

los parmetros de Fuller: n en el eje de las x, y Dmax en el eje de las y, cualquier

gradacin sera un punto, mientras que cualquier especificacin sera un

rectngulo o mbito. En el trabajo presente, los husos

de gradacin que comprenden las especificaciones Covenin y Superpave fueron

ajustados con el modelo de Fuller y transformados en mbitos. La carta de

gradacin ha sido definida como un grfico n-Dmax donde pueden ser

representados los mbitos para una familia de especificaciones. Tambin, las

condiciones matemticas desarrolladas aqu para la buena gradacin y los

contornos para G/S se pueden plotear en el grfico. Hasta ahora, el enfoque de la

carta de gradacin aventaja a la representacin tradicional (basada en curvas de

gradacin); esta afirmacin se basa en los siguientes aspectos: a) la gradacin

puede ser cuantificada; b) las respuestas para dos o ms gradaciones se pueden

comparar en el mismo grfico; c) la influencia de los factores de gradacin tales

como el tamao mximo, el factor de forma y la relacin gravaarena en el

desempeo de una MAC pueden ser evaluados al mismo tiempo.

Una controversia surge respecto a cual factor, entre la estructura de gradacin

(representada por el factor de forma), el tamao mximo y la relacin G/S, controla

o explica mejor la influencia de la gradacin en el desempeo de una

MAC.

Trabajabilidad

Las gradaciones analizadas en el tpico de trabajabilidad pertenecen a los

mbitos NMAS 12.5 y 19-mm, presentando estructuras ARZ y BRZ, y G/S entre

0.80 y 1.40 (ver Tabla 3-7 y la Figura 3-12). Los valores del torque se

plotearon contra el factor G/S, el dimetro mximo, y el factor de forma en las

figuras 3-13a, b y c, respectivamente. Un coeficiente de determinacin (R2)

significativamente ms grande para el ajuste lineal prueba que el factor G/S est

notablemente ms relacionado con el torque que el dimetro mximo o que el

factor de forma. La Figura 3-13a muestra una tendencia lgica: el incremento del

contenido de grava disminuye la trabajabilidad de una MAC.

Las figuras 3-13b y c indican que la trabajabilidad no est controlada

individualmente ni por tamao mximo, ni por la estructura de gradacin. Hay que

observar que el estudio original desarrollado por Gudimettla et al. (2003) concluye

que no existe diferencia entre estructuras ARZ y BRZ en la respuesta de

trabajabilidad.

Resistencia al ahuellamiento

Las gradaciones analizadas bajo el tpico de resistencia al ahuellamiento

pertenecen a los mbitos NMAS 9.5 y 19-mm, con estructuras ARZ y BRZ, y

G/S de 0.60 a 1.40 (ver Tabla 3-8 y Figura 3-14). Los valores normalizados del

ahuellamiento se plotearon contra el factor G/S, el factor de forma y el tamao

mximo en las figuras 3-15a, b y c, respectivamente. La Figura 3-15 muestra una

buena correlacin entre la resistencia al ahuellamiento y el factor

G/S, y las figuras 13b y c evidencian que la resistencia al ahuellamiento no tiene

ninguna correlacin ni con la estructura de gradacin ni con el Dmax. La

Figura 3-15a indica que el incremento en la relacin grava-arena mejora la

resistencia al ahuellamiento. El estudio original por Kandhal and Cooley (2002)

afirma que las mezclas tuvieron resistencias al ahuellamiento similares bajo el

mismo NMAS, sin considerar la estructura de gradacin.

Permeabilidad

El estudio realizado por Cooley et al. (2001), usado aqu para evaluar la

controversia entre la estructura de gradacin, Dmax y el factor G/S sobre la

permeabilidad, cubre once gradaciones a NMAS de 25, 19, 12.5 y 9.5-mm, una

ARZ, otra TRZ (a travs de la zona restringida), y nueve BRZ, con G/S variando

entre 0.85 y 2.40. Algunas de estas gradaciones pertenecen a diferentes mbitos

de especificacin pero al mismo nivel de G/S (ver Tabla 3-

9 y Figura 3-16). Ese sera el caso de los proyectos 2 (G/S=0.79); 9.5-mm

BRZ) y 6 (G/S=0.77; 12.5-mm ARZ). Y tambin, los proyectos 3 (G/S=1.33;

19-mm BRZ) y 8 (G/S=1.35; 25-mm ARZ). Se consideraron los valores del

coeficiente de permeabilidad para MACs compactadas a niveles de vacos de 4,

6 y 8%. Las figuras 3-17a, b y c evidencian una significativa influencia tanto de

G/S como de Dmax en la permeabilidad, y definitivamente ninguna influencia por

parte de la estructura de gradacin a ningn nivel de vacos. Sin embargo, la

correlacin con Dmax observa algunos inconvenientes porque el coeficiente de

permeabilidad se incrementa de forma dramtica hacia grandes valores del

49 tamao mximo (ver Figura 3-17c). Las lneas de ajuste aproximadas en la

Figura 3-17a muestran que la permeabilidad se incrementa con la relacin G/S.

Tambin, que el incremento del contenido de vacos de aire afecta directamente

(aumenta) la permeabilidad en el rango de G/S entre 0.8 y 2.4.

No obstante, esta tendencia tiende a ser menos importante hacia las fronteras de

dicho rango. Por otra parte, a 4% de vacos de aire la relacin entre G/S y la

permeabilidad tiende a ser lineal. Tambin, con base en las lneas de tendencia,

para niveles de vacos de 6 a 8%, esta relacin pasa de lineal a asinttica de

G/S=1.5 en adelante. Finalmente, tal como se ve en la Tabla 3-9, los proyectos 2 y

6 mostraron los mismos valores de permeabilidad para todos los niveles de

contenido de vacos de aire a pesar de pertenecer a distintos mbitos, NMAS y

estructuras. Lo mismo es cierto para los proyectos 3 y 8, con la excepcin de la

permeabilidad para vacos de aire a 4% la cual es muy alta (considerando las

tendencias de la Figura 3-17a, esto podra deberse a un error experimental). El

estudio original por Cooley et al. (2001) concluy que la permeabilidad

incrementaba tanto con NMAS como con los vacos en sitio, pero Choubane et alli

(1998) afirm que las estructuras BRZ tienen una permeabilidad mayor que las

ARZ. Esta confusin puede ser mejor explicada por la relacin G/S debido a que la

permeabilidad depende tanto del tamao mximo como de la estructura, pero de

forma conjunta. La permeabilidad es un tpico muy significativo en el diseo de

MACs pero la mayora de las veces no es evaluada por los diseadores, y mucho

menos por los contratistas. La permeabilidad ms all del valor crtico produce

capas compactadas que podran infiltrar considerables cantidades de agua de

lluvias hacia la base del pavimento, lo cual producira a su vez un significativo

debilitamiento y falla consecuente. La Figura 15a ilustra las implicaciones en la

permeabilidad por parte de la gradacin y el nivel de vacos de aire. La mayora de

las especificaciones de control permiten un lmite de 8% de vacos de sitio. Sea

150x10-5 cm/s el lmite excesivamente permeable para una capa de pavimento.

Luego, una MAC a G/S=0.9 o mayor, podra requerir que se protegiera la base de

pavimento contra la infiltracin de agua, por ejemplo, colocando una capa

impermeable entre la carpeta y la base.

Los grficos de G/S-vs.-respuesta pueden ser muy tiles en el diseo de MACs.

Slo supngase que para un pavimento flexible, un diseador necesita una MAC

con un ahuellamiento APA de 6.5 mm o menor (si existieran estudios disponibles,

el parmetro podra ser en cambio el mdulo de Young, el mdulo resiliente, u

otro parmetro de deformacin permanente). En la Figura 3-15a, a Ndes=100

giros, una MAC con G/S=1.2 o mayor sera necesaria para cumplir dicho

requerimiento. La Figura 3-13 muestra que tal mezcla necesitara un significativo

esfuerzo de colocacin. Y, finalmente, la Figura 3-17a evidencia que, a contenidos

de aire de 8%, la permeabilidad sera tan alta como 500x10-5 cm/s, as que una

delgada e impermeable capa sndwich se necesitara para proteger la base contra

la infiltracin. En consecuencia, para ese particular proyecto, las especificaciones

se leeran as, por ejemplo: Use una MAC a G/S=1.2 o mayor. Coloque una

delgada capa de mezcla asfltica a G/S=0.8, o menor, entre la carpeta y la base.

Desde luego, tales especificaciones tendran que ser luego complementadas por

otros factores, a parte de la gradacin, que tambin influencian el comportamiento

de una MAC.

En el futuro, se podran tambin desarrollar correlaciones G/Srespuesta para

diferentes caractersticas de agregado tales como condiciones de consenso (v.g.

partculas planas y alargadas, equivalente de arena, etc.), abrasin de Los

ngeles, etc.; tambin para diferentes caractersticas de ligante asfltico, tales

como diversas clasificaciones PG, modificantes, etc.

Para cerrar esta discusin, el autor recuerda las palabras del profesor

Hveem (1941): La mejor gradacin para cualquier mezcla particular puede slo

ser aquella que utiliza los agregados disponibles para producir tantas propiedades

deseables como sea posible. Ciertamente, el enfoque de carta de gradacin

ayuda al diseador a cumplir con esta recomendacin. An ms, el enfoque de

carta de gradacin puede guiar al llamado diseo libre donde el diseador

propone una gradacin, basada en la combinacin de sus agregados disponibles,

y luego necesita comprobar que su mezcla compactada tenga las propiedades

mecnicas e hidrulicas deseadas.

TEORA DE COMPACTACIN

Una teora de compactacin es una explicacin cientfica de la relacin entre el

contenido de lquido de un geomaterial y la densidad que puede alcanzar bajo una

energa y mtodo de compactacin determinados. Desde la primera propuesta de

Proctor (1933), las teoras de compactacin han evolucionado desde las pelculas

de agua y la lubricacin, pasando por las fases de Hogentogler (1936). Las

presionesN de aire y agua de Hilf (1956), y finalmente el acercamiento de la

microestructura propuesto por Lambe (1958).

La explicacin ms aceptada en la actualidad para el fenmeno de densificacin

de un suelo es la siguiente.

La efectividad de cualquier mtodo de compactacin de suelos est limitada por la

succin en la matriz del mismo. La succin, definida como la diferencia entre la

presin de poros de aire y la presin de poros de agua dentro de la matriz del

suelo, est asociada al efecto capilar del agua que humedece el material. En

suelos con finos de significativa superficie especfica tales como los arcillosos o

limosos, la succin es elevada a bajos contenidos de agua por lo que el proceso

de compactacin es deficiente y se obtienen bajas densidades (ver figura 5-1). La

adicin de agua disminuye la succin permitiendo una mayor densificacin hasta

un punto donde la succin es muy baja, pero la densificacin comienza a verse

afectada por las presiones de poro causadas por el efecto dinmico de la

compactacin en una estructura de suelo con vacos cada vez ms llenos de

agua, consiguindose de nuevo densificaciones ms bajas. La energa de

compactacin generalmente beneficia el proceso de densificacin por medio de la

distorsin volumtrica de la masa de suelo. Mientras mayor es la energa de

compactacin, mayor es la densidad alcanzada (ver figura 5-1).

En suelos con finos de baja superficie especfica o suelos con poca proporcin de

finos (i.e., F

Este experimento lo que demuestra es que ms que una curva de compactacin,

lo que describe el proceso de compactacin es una regin de mxima probabilidad

para la densidad (es un proceso estocstico) a lo largo de un amplio rango de

contenidos de agua. Esto tambin ocurre en mezclas asflticas, tal como lo

demuestra la figura 5-5 con 209 estados provenientes de controles diarios en la

pavimentacin de la autopista venezolana Jos Antonio Pez.

Por otra parte, ms que un punto ptimo se define una regin de inflexin (ver

figura 5-4) donde la tendencia de la densificacin cambia y coincide con la zona de

baja succin y alta saturacin de los vacos que explicbamos en la teora de

compactacin. Esta regin de inflexin es notable porque all se consiguen las

ms altas densidades. En consecuencia, el tradicional concepto de densidad

mxima seca y humedad ptima se refiere a un estado que pertenece a la regin

de inflexin.

Finalmente, el grfico de residuos en la figura 5-3 demuestra que a la izquierda de

la regin de inflexin (zona de baja humedad) la variabilidad es notablemente

mayor que en la regin de inflexin y hacia la zona ms hmeda. Este hecho va

en consonancia con el efecto de la succin relatado en prrafos anteriores. Se

podra afirmar que mientras mayor es la succin en la matriz del suelo, mayor es

la dispersin en la densidad alcanzada.

DISEO EN MEZCLAS ASFLTICAS Tal como en el caso de los suelos compactados, las mezclas asflticas se disean con base en la

respuesta mecnica del material compactado. Nada ms que adicionalmente se utilizan

especificaciones para el valor de las definiciones de vacos fundamentadas en la experiencia de

desempeos pobres o satisfactorios de la mezcla en servicio.

Segn el manual MS-2 del Instituto Norteamericano del Asfalto (AI), el objetivo general para el

diseo de una mezcla asfltica de pavimentacin es determinar (dentro de los lmites de las

especificaciones del proyecto) una mezcla que posea una relacin de costo/efectividad, gradacin

de agregados y contenido asfltico que exhiba:

1) Suficiente asfalto para asegurar la durabilidad del asfalto,

2) Suficiente estabilidad mecnica para satisfacer las demandas del trfico sin distorsin o

desplazamiento,

3) Suficientes vacos en la mezcla para permitir una pequea cantidad de compactacin adicional

bajo el trfico, y una pequea cantidad de expansin del asfalto debido al incremento de

temperaturas sin que ocurra sangrado, exudado y prdida de estabilidad,

4) Un contenido mximo de vacos para permitir la permeabilidad de los dainos aire y humedad

dentro de la mezcla,

5) Suficiente trabajabilidad para permitir la colocacin eficiente de la mezcla sin causar segregacin

ni sacrificar la estabilidad y el desempeo,

6) Para mezclas superficiales, el agregado debe tener dureza y textura apropiadas para proveer

suficiente resistencia al deslizamiento bajo condiciones climticas desfavorables.

Continuando con la cita, el desempeo de una mezcla asfltica en caliente (MAC) est relacionada

con:

Durabilidad

Impermeabilidad

Resistencia

Estabilidad

Rigidez

Flexibilidad

Resistencia a la fatiga

Trabajabilidad

[Susceptibilidad al agua]

() La seleccin del contenido de asfalto se hace con la intencin de optimizar las propiedades

necesarias para las condiciones especficas [del proyecto]. (Fin de la cita).

En este captulo analizamos el mtodo de diseo Marshall pues es definitivamente es el mtodo

ms importante de Latinoamrica para disear, controlar y referenciar mezclas asflticas en caliente

a causa del relativamente bajo costo de sus equipos y la gran difusin e influencia que tuvo el

Experimento Vial AASHO en los 1950

(Corredor, G., 2005; citado por Snchez-Leal, F.J., 2009b).

Posteriormente se presenta una variante para el Marshall llamado Marshall Acelerado por

RAMCODES, o RAM, por sus siglas en ingls. El mtodo est basado en el polgono de vacos

(ver Anexo A), que se define como la regin mxima donde se cumplen simultneamente todas las

especificaciones de vacos. RAM representa una significativa mejora con respecto al mtodo

Marshall en cuanto a costo del diseo y a tiempo de respuesta. Con respecto al uso del Marshall en

investigaciones, RAM permite evaluar hasta cinco tratamientos con los mismos recursos que

Marshall evala uno solo (Snchez-Leal, F.J., 2009b).

Al final del captulo se aplica el experimento factorial al diseo de mezclas asflticas como una

alternativa para un anlisis ms profundo del desempeo, llamado aqu

Nivel 2.

En este captulo utilizaremos RAMSOFT para la obtencin de los vrtices, centroide y tipo de

polgono a partir de las especificaciones de vacos y las gravedades

especficas de los agregados y la mezcla.

ESQUEMA DE PROCESO PARA UNA MEZCLA ASFLTICA

La materia prima, que es el agregado ptreo proveniente de la planta picadora o de un prstamo y

el ligante asfltico suministrado por la industria petrolera, se mezclan en una planta de produccin

a una temperatura y durante un tiempo determinados, obteniendo como resultado una mezcla

fresca o lista. La mezcla fresca se transporta al sitio de colocacin y se extiende con un espesor de

capa determinado con ayuda de una terminadora. Cuando la temperatura de mezcla extendida

disminuye hasta un valor determinado se procede a compactar por medio de rodillos lisos y

neumticos hasta alcanzar los parmetros de referencia establecidos para el control. La densidad

resultante de la mezcla compactada es en s misma una respuesta del proceso e influye

considerablemente en la respuesta objetivo que es la resistencia. Esta densidad y el contenido de

asfalto se conjugan para expresar los valores resultantes de las definiciones de vacos que vienen a

ser tambin aspectos de la calidad de la mezcla compactada.

El efecto de la succin en la matriz de una mezcla asfltica es un aspecto que hasta la fecha ha sido

poco o nada investigado. Debido a la considerable proporcin gruesa que tiene la granulometra de

las mezclas asflticas estructurales y a la reducida cantidad de finos se infiere que la influencia de la

succin (si se generara) en el comportamiento mecnico sera muy pequea o despreciable. El

proceso de densificacin de una mezcla asfltica parece ser mejor explicado a travs de las ideas

originales de Proctor en cuanto al efecto de lubricacin que producira el ligante asfltico en las

partculas facilitando el reacomodo de estas para una orientacin cada vez ms densa. El

incremento de la proporcin de asfalto, sin embargo, deja de ser beneficiosa cuando se alcanzan

elevados grados de saturacin (o proporcin de vacos llenados con asfalto) y la presin de poros

llenos con asfalto causada por la distorsin geomtrica del arreglo por la accin del equipo de

compactacin hace mella en la densificacin. Se ha observado que las grficas de las densidades

alcanzadas con respecto al contenido de asfalto tienen la misma forma que sus similares para

contenido de agua y densidad en suelos compactados (ver figura 5-5). La densidad alcanzada por la

mezcla asfltica se puede considerar tambin incontrolable, en el sentido que su variabilidad es

considerable.

A diferencia que en suelos, la temperatura juega un papel primordial en la respuesta de la mezcla

asfltica debido a las propiedades termoplsticas del ligante. La viscosidad del asfalto disminuye

con el aumento de la temperatura, y viceversa. Un ligante ms fluido (menos viscoso) consigue

cubrir mejor los agregados y facilitar las labores de lubricacin y por ende de densificacin. Por

otro lado, un ligante ms viscoso (mezcla fra) endurece el material. La temperatura entonces

influye en el mezclado, en la densificacin y en el desempeo de la mezcla.

Finalmente, el confinamiento, la velocidad y tipo de carga son las restantes variables influyentes en

la obtencin de la resistencia. Mientras mayor es el confinamiento, mayor es la resistencia, y

viceversa. La velocidad de carga afecta tambin de manera directa a la resistencia, as por ejemplo,

el mdulo de Elasticidad en carga cclica es mayor que en carga monotnica. El tipo de carga

tambin influye por cuanto generalmente se obtienen resultados diferentes en cargas tipo rampa, o

triangulares, con respecto a cargas de recuperacin, llamadas tambin con el anglicismo

resilientes.

MARSHALL ACELERADO POR RAMCODES (RAM)

El polgono de vacos es el rea mxima, dentro del espacio de contenido de asfalto vs. la densidad

bulk, dentro del cual se cumplen simultneamente todas las especificaciones de vacos. En

consecuencia, un contenido de asfalto que garantice tal condicin podra ser obtenido

matemticamente a partir de dichas especificaciones y las gravedades especficas de los agregados.

Quedara slo probar que un intento de combinacin del agregado que se estudia y el contenido de

asfalto segn el polgono de vacos, pudiera producir una MAC compactada bajo la energa de

compactacin seleccionada que: a) alcance el polgono de vacos, y b) cumpla con las

especificaciones de estabilidad y flujo.

De aqu que, el mtodo de diseo Marshall original puede ser modificado o acelerado segn los

siguientes pasos propuestos:

1) Determine la gravedad especfica efectiva (Gse), la gravedad especfica bulk de la combinacin de

agregados (Gsb), y la gravedad especfica aparente (Gsa) de la combinacin de agregados

seleccionada. Verifique que Gsa>Gse>Gsb segn las definiciones tericas. Si no verifica, revise los

ensayos correspondientes.

2) Obtenga matemticamente del polgono de vacos el contenido ptimo de asfalto, tomando en

cuenta las especificaciones y las gravedades especficas de El siguiente ejemplo ilustra la aplicacin

de RAM. La data fue tomada de Dib y Rodrguez (2007), y Alvarado y Parra (2007). La muestra

etiquetada como M-11 es una mezcla de piedra picada tamao 1 (11%), piedra picada tamao

3/4 (18.9%), arocillo (45.2%), y arena (24.9%) producido en el estado Lara (Venezuela), que

ajust satisfactoriamente el modelo Fuller con n=0.397 y Dmax=22.3 mm. La mezcla de agregado

tiene Gsb=2.533 y Gsa=2.659. En Pb=4.5%, Gse=2.569, mientras que Gb=1.019. De aqu que este

agregado verifica la definicin terica Gsa>Gse>Gsb. De las tablas 7-1 y 7-2, las especificaciones de

vacos para trfico alto y NMAS=25 mm (1) son Va/Vmb: 3-5%, S: 65-75%, y Vv/Vmb:11-13%.

Luego de la aplicacin del algoritmo para el polgono de vacos, result un polgono caso VI, con

centroide (4.26%, 2.328), que fue seleccionado como el ptimo. Dado que se trat de una

aplicacin acadmica, se prepararon seis especimenes con el contenido ptimo de asfalto, bajo una

energa de compactacin de 75 golpes/cara. Se determin la densidad y la estabilidad y flujo

Marshall en cada espcimen, y los valores extremos fueron descartados estadsticamente para

obtener los valores promedios. La densidad bulk promedio fue 2.333, lo cual cumple con el

polgono de vacos, como se muestra en la Figura 7-4. El promedio de estabilidad fue de 19145 N,

el cual es mayor que el valor mnimo de 8007 N dado en la Tabla 7-1. Y el flujo promedio fue

13.7x0.25 mm, el cual est dentro del rango especificado de 8-14x0.25 mm, segn la Tabla 7-1.

En consecuencia, el intento cumple tanto con las especificaciones de vacos como con las de

propiedades mecnicas

Un intento podra tambin fallar en RAM. La data se tom tambin de Dib y Rodrguez (2007), y

Alvarado y Parra (2007). La muestra etiquetada como M-5 es una mezcla de piedra picada tamao

3/4 (20.85%), arrocillo (39%) y arena (40.15%) producida en el estado venezolano de Lara, que

ajust satisfactoriamente (R2=0.97328) el modelo Fuller con n=0.394 y Dmax=16.47 mm.

La mezcla de agregado tiene Gsb=2.531 y Gsa=2.667. En Pb=4.5%, Gse=2.571, mientras que

Gb=1.019. De esta manera, la combinacin de agregados verifica Gsa>Gse>Gsb. Las

especificaciones de vacos para trfico pesado y NMAS=19 mm (3/4) son: Va/Vmb: 3-5%, S: 65-

75%, Vv/Vmb: 12-14%. Result un polgono de caso VI, y el estado Pb=4.6%, Gmb=2.313, en el

centroide del polgono, fue seleccionado como ptimo. Dado que se trata de una aplicacin

acadmica, se prepararon seis especimenes con el contenido ptimo de asfalto, bajo una energa de

compactacin de 75 golpes/cara. Para cada espcimen se determinaron la densidad bulk, y la

estabilidad y el flujo Marshall, mientras que se descartaron estadsticamente los valores extremos

para obtener los valores medios. La densidad bulk promedio fue 2.221, y el contenido de asfalto

4.57%, los cuales quedan de forma significativa fuera de los lmites del polgono de vacos, tal

como se muestra en la Figura 7-5. El promedio de estabilidad fue de 8652 N, que es mayor que el

mnimo de 8007 N. El flujo promedio fue de

13.33x0.25 mm, que se encuentra dentro de las especificaciones de 8-14x0.25 mm. En

consecuencia, este intento cumple con las especificaciones de propiedades mecnicas, pero no

verifica las de vacos. Por tanto, el intento fall.

Conclusiones y Comentarios

El Marshall Acelerado por RAMCODES, o RAM, es un mtodo alternativo para mejorar el mtodo de diseo Marshall el cual, al igual que el anterior, produce una frmula de trabajo, o contenido ptimo de asfalto, a partir de las especificaciones de propiedades mecnicas y de vacos, y los resultados de ensayos Marshall de especimenes compactados. Sin embargo, en vez de elaborar una curva de compactacin con quince especimenes, RAM usa una frmula de trabajo del centroide del polgono de vacos para elaborar tres especimenes compactados bajo la energa seleccionada y verificar las especificaciones de vacos y de propiedades mecnicas.

SUPERPAVE

ANTECEDENTES

En 1987 el Strategic Highway Research Program (SHRP) fue establecido por el Congreso de los Estados Unidos, con un presupuesto de 150 millones de dlares en programas de investigacin a fin de mejorar el desempeo y duracin de las carreteras volvindolas ms seguras tanto para automovilistas como para los trabajadores de las mismas. Iniciando el desarrollo de un nuevo sistema para especificar materiales asflticos, el producto final del programa es un nuevo sistema llamado Superpave (Superior Performing Asphalt Pavement). Representa una tecnologa provista de tal manera que pueda especificar cemento asfltico y agregado mineral, desarrollar diseos de mezclas asflticas; analizar y establecer predicciones del desempeo del pavimento.

Metodologa Superpave

El mtodo Superpave es aplicable a mezclas de asfalto caliente (HMA) nuevas y recicladas, clasificadas como densas, con o sin modificacin. Se puede utilizar cuando se construye una nueva superficie, carpeta y capas de base, as como superposiciones en capas existentes. A travs del diseo de seleccin y mezcla de materiales, aborda directamente la reduccin y control de deformacin permanente y agrietamiento por fatiga o por baja temperatura. Considera tambin explcitamente los efectos del envejecimiento y la sensibilidad de humedad en busca de controlar estas tres angustias. A medida que aumentan el trfico y las exigencias medioambientales en el pavimento, las mezclas de la metodologa Superpave dependen ms de propiedades de desempeo, para seleccionar el diseo de la combinacin ptima. En segundo lugar, el desempeo de las mezclas de asfalto y sus agregados se basa en prediccin del comportamiento del pavimento construido con relacin al diseado. Proporciona de forma exclusiva una especificacin de medida, expresada en trminos de la profundidad, rea de agrietamiento por fatiga, y fisuramiento esperado por baja temperatura a lo largo de una vida de servicio seleccionado, para cualquier proyecto de pavimentacin con trfico significativo y exigencias medioambientales.

Concepto del diseo de mezcla de Superpave

El concepto del mtodo de diseo de mezcla Superpave es simple: utilizar materiales disponibles para preparar un diseo de mezcla que alcanza un nivel de desempeo acorde con las demandas de trfico, medio ambiente, de la estructura y que sea seguro. Este concepto se ilustra en el diagrama de flujo general de un diseo de mezcla Superpave. En cada paso en el diseo, desde la seleccin de materiales a travs del diseo volumtrico y evaluacin de los diseos con mezclas de prueba para el control en campo, las decisiones deben tomarse buscando satisfacer los requisitos de desempeo del pavimento especfico, en la medida que sea posible.

La metodologa define 3 niveles de diseo: denominados como niveles 1, 2 y 3; esto permite definir el procedimiento de diseo apropiado para las cargas de

trnsito y volmenes (expresados en ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el periodo de diseo) esperados. En el cuadro se presentan los tres niveles de diseo recomendados:

Nivel 1. Diseo de mezclas de trfico bajo.

Aplica metodologa emprica, que relaciona el desempeo de las mezclas en funcin de las especificaciones de los agregados y los principios volumtricos de las mezclas para obtener un desempeo del pavimento satisfactorio para volmenes de trnsito bajos sin necesidad de testigos de muestreo. Finalmente se define el contenido de asfalto necesario, basado en los niveles de vacos de aire, vacos en el agregado mineral y vacos llenos de asfalto en el diseo inicial y de los niveles mximos de compactacin.

Nivel 2. Diseo de mezclas de trfico intermedio. El Nivel 2 incorpora la seleccin de contenido de asfalto con el procedimiento de diseo volumtrico. Preparando probetas con altos y bajos contenidos de asfalto para soportar el valor de diseo basados en el desempeo de los testigos seleccionados. El software Superpave usa los resultados de los ensayos para predecir el comportamiento para deformacin permanente, fisuramiento por fatiga, agrietamiento por bajas temperaturas. Los resultados deben ser consistentes con la rutina del nivel 2. El contenido de asfalto es determinado de la prediccin del comportamiento. El uso del ensayo de compactacin giratoria es esencial para alcanzar el nivel 2 de diseo introduce una prueba de fluencia para evitar que se presenten fallas y pasado el tiempo deformaciones permanentes, este nivel de diseo considera explcitamente los efectos por sensitividad de humedad y envejecimiento para la seleccin final de la mezcla de diseo.

Nivel 3. Diseo de mezclas de trfico alto.

Incorpora la seleccin de un contenido de asfalto de diseo, con el procedimiento de diseo volumtrico. Se preparan probetas con bajos y altos contenidos de asfalto para soportar los resultados, para desarrollar una mezcla conveniente para los altos trficos, el clima severo, o cualquier situacin de riesgo por mnimo que sea. Requiere mayor tiempo y un gran nmero de especmenes que el diseo del nivel 2. El uso del ensayo de compactacin giratoria es esencial para alcanzar el nivel 3 de diseo introduce una prueba de fluencia para evitar que se presenten fallas y pasado el tiempo deformaciones permanentes, este nivel de diseo considera explcitamente los efectos por sensitividad de humedad y envejecimiento para la seleccin final de la mezcla de diseo. Se tienen especmenes testigos para confirmar los resultados cuando estos puedan ser cuestionados.

Diseo de mezclas asflticas con la metodologa Superpave (Nivel 1) Superpave hot mix asphalt design (Level 1)

1 INTRODUCCIN En 1987 el Strategic Highway Research Program (SHRP) fue establecido por el Congreso de los Estados Unidos, con un presupuesto de 150 millones de dlares en programas de investigacin a fin de mejorar el desempeo y duracin de las carreteras volvindolas ms seguras tanto para automovilistas como para los trabajadores de las mismas. Iniciando el desarrollo de un nuevo sistema para especificar materiales asflticos, el producto final del programa es un nuevo sistema llamado Superpave (Superior Performing Asphalt Pavement). Representa una tecnologa provista de tal manera que pueda especificar cemento asfltico y agregado mineral, desarrollar diseos de mezclas asflticas; analizar y establecer predicciones del desempeo del pavimento. Este mtodo evala los componentes de la mezcla asfltica en forma individual (agregado mineral y asfaltos) y su interaccin cuando estn mezclados. Esto debido a que el desempeo de la mezcla es afectado tanto por las propiedades individuales de los componentes, como su reaccin combinada en el sistema. El cemento asfltico acta como un agente ligante que aglutina las partculas de agregado convirtindola en una masa densa e impermeable al agua. Cuando los materiales son ligados, el agregado mineral acta como un marco de piedra que imparte fuerza y resistencia al sistema. 2 PRUEBAS A LOS MATERIALES Los mtodos de diseo de laboratorio usualmente utilizados Marshall y Hveem, no

incorporaban criterios sobre agregados en sus procedimientos, a la inversa, el

criterio de agregados est directamente incorporado dentro del procedimiento

Superpave.

Pruebas al agregado mineral

Las pruebas a los agregados estn clasificadas en dos grupos: de consenso y de

origen

De consenso

Angularidad del agregado grueso

Angularidad del agregado fino (AASHTO TP 33)

Partculas alargadas y aplanadas (ASTM D4791)

Equivalente de arena (ASTM D2419)

De origen

La prueba de desgaste de Los ngeles (ASTM C131)

Intemperismo acelerado (ASTM C88)

Materiales deletreos (AASHTO T 11)

Pruebas al ligante asfltico

Existe una amplia gama de equipo y pruebas para evaluar a los ligantes asflticos,

para el caso del diseo volumtrico en laboratorio (Nivel 1), solamente se

necesitar realizar pruebas en el viscosmetro rotacional para determinar las

temperaturas de mezclado y compactacin, por medio de la elaboracin de la

carta de viscosidad. Norma ASTM D4402 Standard Method for Viscosity

Determination of Unfilled Asphalt Using the Brookfield Thermosel Apparatus.

3 PARMETROS VOLUMTRICOS Las propiedades volumtricas de la mezcla asfltica compactada forman parte fundamental en la seleccin del contenido ptimo de asfalto. Los parmetros ms importantes son; los vacos de aire (Va), vacos en el agregado mineral (VMA),

vacos llenados con asfalto (VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), estos

proporcionan una indicacin del probable funcionamiento de la mezcla asfltica. En la Figura 1 se presenta un diagrama de componentes de una mezcla asfltica

compactada.

V ma = Volumen de vacos en agregado mineral

V mb = Volumen total de la mezcla a

V mm = Volumen de la mezcla asfltica sin vacos

V fa = Volumen de vacos llenados con asfalto

V a = Volumen de vacos de aire

V b = Volumen de asfalto

V ba = Volumen de asfalto absorbido

V sb = Volumen de agregado mineral

(Gravedad especifica de la masa)

V se = Volumen de agregado mineral (Gravedad especifica efectiva)

4 SELECCIN DE LA GRANULOMETRA Para especificar la granulometra, Superpave ha modificado el enfoque de la granulometra Marshall. Emplea el exponente 0.45 en la carta de granulometra (grfica de Fuller). Esta carta usa una tcnica grfica nica para juzgar la distribucin de tamaos acumulados de partculas de una mezcla de agregados. Las ordenadas de la carta son los porcentajes que pasan; las abcisas, en escala aritmtica, representan las aberturas de los tamices en mm, elevadas a la potencia 0.45. Un rango importante de esta carta es la lnea de mxima densidad; corresponde a una lnea recta extendida desde la abcisa de tamao mximo de agregado y ordenada 100% hasta el origen (0 %, 0 mm). La granulometra de mxima densidad representa la graduacin para la cual las partculas de

agregado se acomodan entre s, conformando el arreglo volumtrico ms compacto posible. Para especificar la granulometra del agregado, se emplean dos conceptos adicionales: puntos de control y una zona restringida. Los puntos de control son puntos de paso obligado para la curva granulomtrica y dependen del tamao mximo nominal del agregado, un tamao intermedio (2.36 mm) y un tamao de finos (0.075 mm). Por su parte, la zona restringida se ubica entre los tamaos intermedios (4.75 2.36 mm) y 0.3 mm. Forma una banda por la cual la curva granulomtrica no deber pasar. Las granulometras que violan la zona restringida poseen un esqueleto granular dbil que depende demasiado de la rigidez del cemento asfltico para alcanzar una buena con resistencia al corte en la mezcla asfltica. La Figura 2 muestra un esquema para un tamao mximo de agregado de 19 mm.

5 DETERMINACIN DEL PORCENTAJE DE ASFALTO INICIAL

Despus de haber determinado las propiedades del agregado y la granulometra de diseo, se calcula el porcentaje de asfalto inicial mediante las frmulas siguientes

Como se pudo observar en las frmulas anteriores, los parmetros de mayor influencia en la seleccin del contenido inicial de asfalto, son las densidades del agregado (Gsb, Gsa y Gse) y los porcentaje de asfalto y de agregado mineral utilizados. En La Figura 3 se exhibe una representacin de estos valores en la mezcla asfltica compactada.

6 DEFINIR EL ESFUERZO DE COMPACTACIN Una de las grandes diferencias del Superpave con respecto a las metodologas antiguas (Marshall) es el tipo de compactacin. El compactador giratorio es posiblemente la mayor aportacin del Superpave, este equipo simula de mejor forma las densidades y acomodo de partculas de la mezcla asfltica encontradas en el campo. Los parmetros de compactacin son la presin vertical (600 kPa), ngulo de giro (1,25 ), la velocidad de rotacin (30 rev/min) y el nmero de giros. En la Figura 4 se puede observar una representacin de la compactacin giratoria. El esfuerzo de compactacin esta en funcin de los ejes equivalentes (ESALs). Los ESALs de diseo es el nivel de trnsito esperado para el carril de diseo en un periodo de 20 aos. Se debe determinar los ESALs de diseo a los 20 aos para seleccionar un valor correcto de Ndiseo. En la Tabla 1 se presentan los

diferentes rangos de esfuerzos de compactacin.

Se pueden observar que para un ESALs de diseo existen tres valores de compactacin Ninicial = es el nmero de giros que produce la mnima compactacin que se debe

presentar en el campo Ndiseo = es el nmero de giros que se necesitan para producir la compactacin de

diseo en campo Nmximo = es el nmero de giros que produce la mxima compactacin que se debe

presentar en el campo. Los requerimientos que debe cumplir cada valor de N, se pueden observar en la Tabla 2.

7 PROCEDIMIENTO Se debern elaborar 12 probetas, cuatro porcentajes de asfalto (Pbi 0,5% +1,0%) con tres rplicas. La densificacin de la mezcla asfltica se deber realizar de acuerdo con el nmero de giros establecidos en el Ndiseo para el ESALs determinado. Los

parmetros de compactador giratorio son :Presin vertical 600 kPa; ngulo de giro-1,25; velocidad de rotacin-30rev/min. De acuerdo con la grfica de viscosidad-temperatura, se determinarn las temperaturas de mezclado y compactacin, que correspondan a los rangos de viscosidades de 0,28 0,03 Pa.s y 0,17 0,02 Pa.s, respectivamente. Se debern realizar dos pruebas a la mezcla asfltica con el fin de conocer sus propiedades volumtricas: Gravedad especfica terica mxima, esta prueba se realiza en la mezcla asfltica en forma suelta, mediante la Norma ASTM D2041.

Gravedad especfica neta de la mezcla asfltica compactada, esta prueba se realiza en la mezcla asfltica compactada, mediante la Norma ASTM D1188 o D2726, la seleccin de la Norma a utilizar depender del porcentaje de absorcin de la probeta.

Se deber calcular los parmetros volumtricos; vacos en el agregado mineral (VAM), vacos llenos de asfalto (VFA) y vacos de aire (Va), a continuacin se presentan las frmulas de cada parmetro volumtrico y la especificacin de cada parmetro.

Para este parmetro la especificacin establece un rango de 3 a 5 % de vacos de aire.

Va = porcentaje de vacos de aire (%)

Gmm = gravedad especfica terica mxima

Gmb = gravedad especfica neta de la mezcla asfltica compactada

Los valores mnimos de VMA, se presentan en la Tabla 3

VFA = Vacos llenos de asfalto Los rangos de valores en que se debe encontrar el VFA se presentan en la Tabla 4.

Susceptibilidad a la humedad: Se deber realizar la prueba de susceptibilidad a la humedad de la mezcla asfltica, mediante la Norma AASHTO T283, Susceptibilidad a la humedad por medio del ensayo de tensin indirecta (TSR). Esta prueba tiene como finalidad determinar la prdida de resistencia que sufre la mezcla asfltica despus de ser acondicionada en un bao Mara a 60 C durante 24 h. La susceptibilidad a la humedad es la relacin entre el promedio de las probetas acondicionadas entre el promedio de las probetas de control (sin acondicionamiento), se debe tener una relacin mnima de 80 %. Las probetas debern tener un porcentaje de vacos aire de 7%.

TSR = Ensayo de tensin indirecta P = carga mxima (N) t = espesor de la probeta (mm) D = dimetro de la probeta (mm)

8 EJEMPLO DE CLCULO

A continuacin se presentan una descripcin detallada del diseo de una mezcla asfltica, tomando en cuenta 4 pasos fundamentales para la seleccin del diseo.

Seleccin de los materiales

Seleccin de la granulometra

Seleccin del contenido ptimo de asfalto

Evaluacin de la sensibilidad a la humedad.

El tamao mximo nominal del agregado es de 19 mm y el nivel de trnsito es de 8 000 000 de ESALs. estos parmetros se utilizarn para determinar la granulometra a utilizar, as como determinar el nmero de giros en la compactacin, propiedades fsicas de los agregados y requerimiento volumtricos de la mezcla asfltica.

Seleccin de los materiales Asfalto

Para las condiciones ambientales del lugar se determin que el asfalto debe ser un PG 64-10, las temperaturas de mezclado de y compactacin del asfalto son de 148-152 C y 139-145 C respectivamente (Figura 5).

Agregado mineral

Para la seleccin de la granulometra se utiliz una mezcla de tres agregados. El tamao mximo de la mezcla de agregados (TMA) es 19 mm (3/4). En la Figura 6 se presenta la grfica de Fuller, los puntos de control y zona restringida, al igual que la granulometra de diseo seleccionada.

Figura 6. Grfica de Fuller

Como se puede observar en la Figura anterior, la granulometra cumple con las especificaciones requeridas, debido a que pasa por los puntos de control y no atraviesa la zona restringida. Los resultados de las pruebas de calidad realizadas en la mezcla de agregados se pueden observar en la Tabla 5.

Tabla 5 Pruebas de calidad a la mezcla de agregado

Seleccin del contenido ptimo de asfalto

Para seleccionar el contenido ptimo de asfalto, primeramente se debe establecer el porcentaje de asfalto inicial (Frmulas 1-5). Los resultados de las frmulas se presentan en la Tabla 6

Tabla 6 Clculo del asfalto inicial

De acuerdo con el nivel de trnsito establecido se determinaron los siguientes parmetros de compactacin; Nini = 8, Ndes = 100 y Nmx = 160. Se compactarn 12

probetas, de acuerdo con los parmetros antes mencionados. Siendo los porcentajes de asfalto utilizados; 4,1; 4,6; 5,1; 5,6 (tres rplicas por porcentaje). En la Figura 7 se presenta el equipo de compactacin utilizado.

Despus de compactar las probetas se deben realizar dos ensayes a la mezcla asfltica. Los resultados promedio obtenidos para cada porcentaje de asfalto se presentan en la Tabla 7.

Tabla 7 Pruebas de densidad a la mezcla asfltica

Con los resultados obtenidos de las pruebas de densidad a la mezcla asfltica, se calcularon los parmetros volumtricos que se utilizarn para la seleccin del contenido ptimo de asfalto, los resultado de los clculo se pueden observar en la Tabla 8.

Tabla 8 Propiedades volumtricas

Para la determinacin del contenido ptimo de asfalto se utilizan comparaciones entre el porcentaje y las propiedades volumtricas. Primeramente se selecciona el porcentaje de vacos de aire que se quiere obtener, en este caso se seleccion la mitad del rango (4%), para este valor se obtuvo un porcentaje de asfalto de 5,3% (Figura 8.b), con este porcentaje de asfalto se entra en las Figura 8.c y 8.d para obtener los valores de VMA y VFA, los cuales son 17,5 y 73 respectivamente. Como ambos valores cumplen con las especificaciones Superpave (Tabla 3 y 5), se acepta como el 5,3% como el contenido ptimo de asfalto.

Figura 8 Grficas para el diseo Superpave

Sensibilidad a la humedad

Se elaboraron 6 probetas para la prueba de tensin indirecta (TSR), las primeras tres se ensayaron sin acondicionar (25 C), las tres restantes se colocaron en un bao Maria a 60 C durante 24 h, para despus ensayarse a 25 C. Los resultados volumtricos se presentan en las Tabla 9 y los de las prueba de tensin indirecta en la Tabla 10.

Tabla 9 Propiedades volumtricas

Tabla 10 Resultados de ensayo

Como se puede observar en el clculo anterior, la mezcla asfltica cumple con la especificacin de susceptibilidad a la humedad, por lo tanto los resultados de diseo se presentan en la Tabla 11

Tabla 11 Resultados del diseo

Conclusiones y Comentarios

En conclusin este es un mtodo muy bueno para el diseo de mezclas asflticas debido a su fcil manejo y entendimiento, adems de tomar factores tan importantes como lo son el transito, el clima.

BIBLIOGRAFA

- Artculo desarrollado y publicado por: H. DELGADO ALAMILLA, Investigador, Instituto Mexicano del Transporte J. A. GMEZ LPEZ, Investigador, Instituto Mexicano del Transporte

P. GARNICA ANGUAS, Investigador, Instituto Mexicano del Transporte

- Material de trabajo entregado por el profesor - Disco del curso de electiva - BITUMIX CVV Especialidades Asflticas.

- SNCHEZ-LEAL FREDDY J. Metodologa de Anlisis y Diseo de Geomateriales Compactados, Enero 2009 - Norma ACTM 1559, DISEO de mezclas mtodo Marshall