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Diferentes Nieveles de Compactacion
Diferentes Nieveles de Compactacion
Diferentes Nieveles de Compactacion
FACULTAD DE INGENIERÍA
TESIS
PRESENTA:
OSCAR MARTÍNEZ HERNÁNDEZ
DIRECTOR:
ING. FRANCISCO ARMANDO RANGEL ORDÓÑEZ
IV
Agradecimientos
El presente trabajo no hubiese sido posible sin la cooperación de todas y cada una de las
personas que apoyaron desinteresadamente; y muchas de las cuales han sido un soporte y compañía
indispensable.
Agradecer a mi familia, porque gracias a su cariño, guía y apoyo he llegado a realizar
uno de los anhelos más grandes de mi vida, fruto del inmenso apoyo, amor y confianza que en mi se
depositó y con los cuales he logrado terminar mis estudios profesionales que constituyen el legado
más grande que pudiera recibir y por lo cual les viviré agradecido.
De manera especial, agradecer al Ing. Francisco Armando Rangel Ordóñez, por la
oportunidad que me ha dado y la confianza que ha depositado en mí en el curso de esta tesis. Por ser
parte importante del trabajo, por todo lo que me ha enseñado y sobre todo por el tiempo y el
esfuerzo que ha dedicado; muchas gracias.
Al Dr. en I. Efraín Ovando Shelley, Coordinador del Área de Vías Terrestres del Instituto
de Ingeniería de la UNAM, cuyo apoyo e interés hizo posible la realización de esta investigación.
Al Instituto de Ingeniería de la UNAM, el cual brindo sus instalaciones durante el
proceso de investigación.
A la Facultad de Ingeniería, por ser parte fundamental de mi formación como ingeniero y
todo el apoyo que recibí durante el transcurso de la carrera.
Así también a la Dra. en I. Alexandra López Ossa y el Dr. en I. Jesús Alfredo Hernández
Noguera, por los consejos y ayuda en el transcurso de la tesis.
A todo el personal del Laboratorio de Vías Terrestres: Francisco, Joel, Roberto, Hugo;
por su ayuda indispensable en el transcurso de la investigación, ya que cada uno se encontró en
disposición de ayudar y facilitar el aprendizaje para el término de este trabajo.
A PINFRA S.A. DE C.V. y a la Planta de Asfalto de la Cd. De México, por la donación
de material pétreo y asfalto, insumos indispensables y valiosos para la investigación.
A los Ingenieros Alberto, Daniel, José, José Luis, Leticia, Maribel y Neihel quienes al
mismo tiempo son amigos y compañeros de laboratorio; con quienes he pasado muy buenos
momentos y quienes siempre me han brindado una sonrisa.
V
Resumen
VI
Índice
Agradecimientos ................................................................................................................ V
Resumen ........................................................................................................................... VI
Índice ............................................................................................................................... VII
Lista de figuras ................................................................................................................. IX
Lista de tablas .................................................................................................................. XII
Capítulo 1. Introducción y objetivos................................................................................... 1
1.1. Introducción ........................................................................................................ 1
1.1.1. Problema ........................................................................................................ 1
1.2. Objetivos ............................................................................................................. 2
1.2.1. Objetivo general ............................................................................................. 2
1.2.2. Objetivo particular ......................................................................................... 2
1.2.3. Hipótesis de investigación ............................................................................. 2
1.2.4. Metodología ................................................................................................... 2
Capítulo 2. Mezclas asfálticas ............................................................................................ 3
2.1. Tipos de mezclas asfálticas ................................................................................. 3
2.2. Características físicas de la mezcla asfáltica en el pavimento flexible ............... 8
2.2.1. Características físicas del ligante asfaltico..................................................... 8
2.2.2. Características físicas del agregado mineral ................................................ 11
2.2.3. Características físicas de mezclas asfálticas ................................................ 13
2.2.4. Parámetros volumétricos en mezclas asfálticas ........................................... 14
Capítulo 3. Métodos de diseño de mezclas asfálticas ....................................................... 23
3.1. Método Marshall ............................................................................................... 23
3.1.1. Pruebas a las mezclas asfálticas compactadas ............................................. 24
3.2. Método Superpave............................................................................................. 25
3.2.1. Pruebas al agregado mineral ........................................................................ 25
3.2.2. Pruebas al cemento asfáltico ........................................................................ 28
3.2.3. Pruebas a las mezclas asfálticas compactadas ............................................. 31
Capítulo 4. Descripción del experimento.......................................................................... 33
4.1. Caracterización de los materiales utilizados...................................................... 33
4.1.1. Agregado pétreo ........................................................................................... 33
4.1.2. Cemento asfáltico ........................................................................................ 42
4.2. Diseño de las mezclas asfálticas ........................................................................ 48
VII
4.2.1. Selección de la granulometría ...................................................................... 49
4.2.2. Dosificación de los agregados para la elaboración de los especímenes de
prueba 52
4.2.3. Estimación del contenido óptimo inicial...................................................... 57
4.2.4. Compactación de los especímenes ............................................................... 59
4.2.5. Determinación de propiedades fundamentales de las mezclas compactas y
determinación del contenido óptimo ......................................................................................... 62
4.3. Selección de nivel de compactación de los especímenes de ensayo ................. 70
4.3.1. Influencia del nivel de compactación en los parámetros volumétricos........ 71
4.4. Elaboración de las mezclas y compactación para su estudio de comportamiento
73
Capítulo 5. Pruebas mecánicas y análisis de resultados ................................................... 77
5.1. Comportamiento de las mezclas a la deformación permanente ........................ 77
5.1.1. Resultados y análisis .................................................................................... 78
5.1.2. Reporte fotográfico ...................................................................................... 81
5.2. Comportamiento de las mezclas a la fatiga ....................................................... 83
5.2.1. Resultados y análisis .................................................................................... 86
5.2.2. Reporte fotográfico ...................................................................................... 89
5.3. Comportamiento de las mezclas a la tensión por compresión ........................... 91
5.3.1. Resultados y análisis .................................................................................... 92
5.3.2. Reporte fotográfico ...................................................................................... 96
5.4. Comportamiento de las mezclas por susceptibilidad a la humedad .................. 99
5.4.1. Resultados y análisis .................................................................................. 101
5.4.2. Reporte fotográfico .................................................................................... 107
Capítulo 6. Conclusión y líneas de investigación ........................................................... 111
Capítulo 7. Bibliografía .................................................................................................. 114
Anexo: Control recomendado de la colocación y compactación de mezclas asfálticas en
campo. ............................................................................................................................................. 117
VIII
Lista de figuras
FIGURA 1-1 METODOLOGÍA A SEGUIR ......................................................................................................................... 2
FIGURA 2-1 MEZCLA ASFÁLTICA DENSA ELABORADA EN LABORATORIO ............................................................................... 3
FIGURA 2-2 COLOCACIÓN DE MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE.......................................................................................... 4
FIGURA 2-3 MEZCLA ASFÁLTICA DENSA, COMPACTADA CON EL MARTILLO MARSHALL ........................................................... 4
FIGURA 2-4 MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE CON GRANULOMETRÍA ABIERTA ..................................................................... 5
FIGURA 2-5 MEZCLA ASFÁLTICA DE GRANULOMETRÍA DISCONTINUA SMA.......................................................................... 6
FIGURA 2-6 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE MEZCLAS SMA ................................................................................................. 6
FIGURA 2-7 REPARACIÓN DE BACHE CON MEZCLA ASFÁLTICA FRÍA ..................................................................................... 7
FIGURA 2-8 COLOCACIÓN DE MORTERO ASFALTICO ........................................................................................................ 7
FIGURA 2-9 RIEGO DE SELLO EN UNA CARPETA YA EXISTENTE............................................................................................ 8
FIGURA 2-10 SUSCEPTIBILIDAD A LA TEMPERATURA DEL ASFALTO ..................................................................................... 9
FIGURA 2-11 VISTA MICROSCÓPICA DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO DE UN LÍQUIDO ....................................................... 9
FIGURA 2-12 COMPORTAMIENTO VISCO-ELÁSTICO DEL ASFALTO.................................................................................... 11
FIGURA 2-13 ESQUELETO PÉTREO DEL AGREGADO ....................................................................................................... 12
FIGURA 2-14 COMPORTAMIENTO DEL AGREGADO BAJO CARGA DE CORTE ........................................................................ 12
FIGURA 2-15 COMPORTAMIENTO DEL AGREGADO EN PILAS DE ACOPIO ............................................................................ 12
FIGURA 2-16 TEORÍA DE MOHR-COULOMB ............................................................................................................... 13
FIGURA 2-17 VARIACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE APLICACIÓN DE UNA
CARGA ........................................................................................................................................................ 14
FIGURA 2-18 DIAGRAMA DE FASES DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA COMPACTADA ................................................................... 14
FIGURA 2-19 ILUSTRACIÓN DEL VOLUMEN DE AIRE, VOLUMEN DE ASFALTO EFECTIVO Y VOLUMEN DE ASFALTO ABSORBIDO EN UNA
MEZCLA ASFÁLTICA COMPACTA ........................................................................................................................ 15
FIGURA 2-20 GRAVEDAD ESPECÍFICA TOTAL DEL AGREGADO ......................................................................................... 16
FIGURA 2-21 GRAVEDAD ESPECÍFICA APARENTE DEL AGREGADO ..................................................................................... 17
FIGURA 2-22 GRAVEDAD ESPECÍFICA EFECTIVA............................................................................................................ 18
FIGURA 3-1 ESTABILIDAD MARSHALL ........................................................................................................................ 24
FIGURA 3-2 APARATO PARA MEDIR LA ANGULARIDAD DEL AGREGADO FINO ...................................................................... 26
FIGURA 3-3 DISPOSITIVO CALIBRADOR PROPORCIONAL PARA MEDIR PARTÍCULAS CHATAS Y ALARGADAS ................................. 27
FIGURA 3-4 EQUIPO DE EQUIVALENTE DE ARENA ......................................................................................................... 27
FIGURA 3-5 ENSAYO DE PELÍCULA DELGADA EN HORNO ROTATORIO ................................................................................ 29
FIGURA 3-6 CÁMARA DE ENVEJECIMIENTO A PRESIÓN .................................................................................................. 29
FIGURA 3-7 REÓMETRO DE CORTE DINÁMICO ............................................................................................................. 30
FIGURA 3-8 VISCOSÍMETRO ROTACIONAL ................................................................................................................... 30
FIGURA 4-1 BANCO TRIBASA EN IXTAPALUCA, EDO. DE MÉXICO .................................................................................... 33
FIGURA 4-2 LÍMITE LÍQUIDO .................................................................................................................................... 34
FIGURA 4-3 DETERMINACIÓN DEL LÍMITES DE CONSISTENCIA ......................................................................................... 35
FIGURA 4-4 MEDICIÓN DEL EQUIVALENTE DE ARENA .................................................................................................... 36
FIGURA 4-5 DESGASTE LOS ÁNGELES ........................................................................................................................ 37
FIGURA 4-6 DISPOSITIVO PARA EL ENSAYO DE FORMA DE PARTÍCULA .............................................................................. 39
FIGURA 4-7 DISPOSITIVO PARA MEDIR LA ANGULARIDAD DEL AGREGADO FINO .................................................................. 40
FIGURA 4-8 CARAS FRACTURADAS EN EL AGREGADO GRUESO ......................................................................................... 40
FIGURA 4-9 REBLANDECIMIENTO ............................................................................................................................. 43
FIGURA 4-10 ENSAYO DE PENETRACIÓN EN EL ASFALTO ................................................................................................ 44
FIGURA 4-11 ENSAYO DE PUNTO DE INFLAMACIÓN ...................................................................................................... 45
FIGURA 4-12 CANTIDAD DE ASFALTO UTILIZADA EN EL REÓMETRO DE CORTE DINÁMICO ...................................................... 46
FIGURA 4-13 HORNO ROTATORIO DE PELÍCULA DELGADA .............................................................................................. 47
FIGURA 4-14 REGIONES GEOGRÁFICAS PARA LA UTILIZACIÓN RECOMENDABLE DE CEMENTOS ASFALTICOS GRADO PG .............. 49
IX
FIGURA 4-15 LÍMITES DE LA SCT Y CURVA PROYECTO ................................................................................................... 50
FIGURA 4-16 LÍMITES DE SUPERPAVE Y CURVA PROYECTO ............................................................................................. 51
FIGURA 4-17 CRIBADO DEL MATERIAL PÉTREO ............................................................................................................ 52
FIGURA 4-18 HOMOGENIZACIÓN Y CUARTEO DEL MATERIAL PÉTREO ............................................................................... 52
FIGURA 4-19 REPRESENTACIÓN DE LAS GRANULOMETRÍAS POR RETENIDO Y LA CURVA PROYECTO ......................................... 53
FIGURA 4-20 REPRESENTACIÓN DEL MÉTODO DE ROUFUCH .......................................................................................... 53
FIGURA 4-21 PORCENTAJES A DOSIFICAR, OBTENIDOS CON EL MÉTODO DE ROUFUCH ......................................................... 54
FIGURA 4-22 MATRIZ DE PORCENTAJES RETENIDOS ..................................................................................................... 55
FIGURA 4-23 INVERSA DE LA MATRIZ DE PORCENTAJES RETENIDOS .................................................................................. 56
FIGURA 4-24 MATRIZ DE LOS PORCENTAJES RETENIDOS DE LA CURVA PROYECTO ............................................................... 56
FIGURA 4-25 MATRIZ RESULTADO, PORCENTAJES A DOSIFICAR PARA CONSTRUIR LA CURVA GRANULOMÉTRICA ........................ 57
FIGURA 4-26 AGREGADO PÉTREO, MOLDES Y UTENSILIOS EN HORNO............................................................................... 59
FIGURA 4-27 PROCESO DE MEZCLADO....................................................................................................................... 60
FIGURA 4-28 ESQUEMA DE PROBETA COMPACTADA POR AMASADO EN EL CGS ................................................................. 61
FIGURA 4-29 COMPACTACIÓN DE PROBETAS EN EL COMPACTADOR GIRATORIO SUPERPAVE ................................................ 61
FIGURA 4-30 PROCEDIMIENTO DE COMPACTACIÓN MARSHALL ...................................................................................... 62
FIGURA 4-31 DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA TOTAL DE LA MEZCLA COMPACTA ............................................. 63
FIGURA 4-32 BOMBA Y PICNÓMETRO PARA DETERMINAR LA GRAVEDAD ESPECIFICA MÁXIMA TEÓRICA .................................. 64
FIGURA 4-33 GMM PARA DIFERENTES CONTENIDOS DE ASFALTO .................................................................................... 64
FIGURA 4-34 PROBETAS DEL DISEÑO MARSHALL ......................................................................................................... 65
FIGURA 4-35 ACONDICIONAMIENTO DE PROBETAS A 60°C ........................................................................................... 66
FIGURA 4-36 CONFIGURACIÓN DE PRUEBA DE ESTABILIDAD Y FLUJO MARSHALL ................................................................ 66
FIGURA 4-37 FIN DE LA PRUEBA DE ESTABILIDAD Y FLUJO MARSHALL .............................................................................. 66
FIGURA 4-38 DISEÑO MARSHALL ............................................................................................................................. 67
FIGURA 4-39 DISEÑO SUPERPAVE ............................................................................................................................ 68
FIGURA 4-40 DENSIFICACIÓN DE LOS ESPECÍMENES SUPERPAVE, LLEVADOS AL NÚMERO MÁXIMO DE GIROS ............................ 69
FIGURA 4-41 AUMENTO DE VACÍOS CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN PROBETAS SUPERPAVE ................. 72
FIGURA 4-42 DENSIFICACIÓN DE LAS PROBETAS MARSHALL........................................................................................... 73
FIGURA 4-43 DENSIFICACIÓN DE LOS ESPECÍMENES DE SUPERPAVE ................................................................................. 74
FIGURA 4-44 DOSIFICACIÓN Y MEZCLADO DE PLACAS PARA DEFORMACIÓN PLÁSTICA .......................................................... 75
FIGURA 4-45 COMPACTADOR DE RODILLO ................................................................................................................. 75
FIGURA 4-46 CORTE DE PLACAS PARA OBTENER VIGAS .................................................................................................. 76
FIGURA 5-1 NÚMERO DE CICLOS VS DEFORMACIÓN, RESULTADOS DE LOS ESPECÍMENES MARSHALL....................................... 79
FIGURA 5-2 NÚMERO DE CICLOS VS DEFORMACIÓN, RESULTADOS DE LOS ESPECÍMENES SUPERPAVE ...................................... 80
FIGURA 5-3 ESPÉCIMEN ANTES DEL ENSAYO................................................................................................................ 81
FIGURA 5-4 PREPARACIÓN DEL ENSAYO ..................................................................................................................... 81
FIGURA 5-5 RUEDA APOYADA EN EL ESPÉCIMEN .......................................................................................................... 82
FIGURA 5-6 ESPÉCIMEN DESPUÉS DEL ENSAYO ............................................................................................................ 82
FIGURA 5-7 CURVA DE WÖHLER .............................................................................................................................. 83
FIGURA 5-8 DIMENSIONES DE LOS ESPECÍMENES ......................................................................................................... 84
FIGURA 5-9 CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA ............................................................................................................... 85
FIGURA 5-10 PERDIDA DE LA RIGIDEZ INICIAL CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN DISEÑO MARSHALL ......... 87
FIGURA 5-11 PERDIDA DE LA RIGIDEZ INICIAL CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN DISEÑO SUPERPAVE ........ 88
FIGURA 5-12 VIGAS CORTADAS PARA ENSAYO DE FATIGA .............................................................................................. 89
FIGURA 5-13 AUMENTO DE VACÍOS CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN.................................................... 89
FIGURA 5-14 CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA DE FATIGA .............................................................................................. 90
FIGURA 5-15 VIGAS DESPUÉS DEL ENSAYO ................................................................................................................. 90
FIGURA 5-16 RUPTURA DE UN ESPÉCIMEN EN EL ENSAYO DE TENSIÓN INDIRECTA ............................................................... 91
FIGURA 5-17 DISMINUCIÓN DE LA RTI CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN PROBETAS MARSHALL.............. 93
X
FIGURA 5-18 %RTI VS % GMB (MARSHALL) .............................................................................................................. 94
FIGURA 5-19 PERDIDA DE LA RTI CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN PROBETAS SUPERPAVE .................... 95
FIGURA 5-20 %RTI VS %GMB (SUPERPAVE) .............................................................................................................. 96
FIGURA 5-21 CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA DE TENSIÓN INDIRECTA EN ESPECÍMENES MARSHALL ...................................... 96
FIGURA 5-22 RUPTURA DE PROBETA MARSHALL, ENSAYADA A TENSIÓN INDIRECTA............................................................ 97
FIGURA 5-23 ZONA DE FALLA EN PROBETAS MARSHALL DEBIDO A LA RTI ......................................................................... 97
FIGURA 5-24 CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA DE TENSIÓN INDIRECTA EN ESPECÍMENES SUPERPAVE ...................................... 98
FIGURA 5-25 RUPTURA DE PROBETA SUPERPAVE, PROBADA A TENSIÓN INDIRECTA ............................................................ 98
FIGURA 5-26 ZONA DE FALLA DE PROBETAS SUPERPAVE ............................................................................................... 99
FIGURA 5-27 PERDIDA DE LA RTI EN ESPECÍMENES MARSHALL DEBIDO AL ACONDICIONAMIENTO ....................................... 103
FIGURA 5-28 AUMENTO DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN
ESPECÍMENES MARSHALL ............................................................................................................................. 104
FIGURA 5-29 PERDIDA DE RTI EN ESPECÍMENES SUPERPAVE DEBIDO AL ACONDICIONAMIENTO........................................... 105
FIGURA 5-30 AUMENTO DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD CONFORME DISMINUYE EL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN
ESPECÍMENES SUPERPAVE ............................................................................................................................. 106
FIGURA 5-31 ESPECÍMENES MARSHALL Y SUPERPAVE PARA ENSAYO DE SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD ............................ 107
FIGURA 5-32 SATURACIÓN DE LAS PROBETAS, COMO PARTE DEL ACONDICIONAMIENTO PARA EL ENSAYO DE SUSCEPTIBILIDAD A LA
HUMEDAD ................................................................................................................................................. 107
FIGURA 5-33 ESPECÍMENES SUPERPAVE DURANTE EL CICLO DE CONGELAMIENTO A -18°C................................................. 108
FIGURA 5-34 APARIENCIA DE ESPECÍMENES SUPERPAVE DESPUÉS DEL CICLO DE CONGELAMIENTO ....................................... 108
FIGURA 5-35 ESPECÍMENES SUPERPAVE DURANTE EL CICLO DE DESCONGELAMIENTO A 60°C ............................................. 109
FIGURA 5-36 ACONDICIONAMIENTO DE ESPECÍMENES MARSHALL ................................................................................ 109
FIGURA 5-37 APARIENCIA DE LOS ESPECÍMENES MARSHALL DESPUÉS DEL CICLO DE CONGELAMIENTO .................................. 110
FIGURA 5-39 ESPECÍMENES MARSHALL DURANTE EL CICLO DE DESCONGELAMIENTO ........................................................ 110
XI
Lista de tablas
TABLA 1 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO ............................................................................................................ 34
TABLA 2 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO........................................................................................................... 34
TABLA 3 DETERMINACIÓN DEL EQUIVALENTE DE ARENA ................................................................................................ 35
TABLA 4 DESGASTE EN LA MÁQUINA DE LOS ÁNGELES. PRUEBA B ................................................................................... 37
TABLA 5 DESGASTE EN LA MÁQUINA DE LOS ÁNGELES. PRUEBA C ................................................................................... 37
TABLA 6 ENSAYO DE FORMA DE PARTÍCULA ................................................................................................................ 38
TABLA 7 MEDICIÓN DE LA ANGULARIDAD EN EL AGREGADO FINO ..................................................................................... 39
TABLA 8 RESUMEN DE LAS DENSIDADES DEL AGREGADO ................................................................................................ 42
TABLA 9 REBLANDECIMIENTO DEL ASFALTO ................................................................................................................ 43
TABLA 10 PROMEDIO DE LECTURAS DE PENETRACIÓN EN EL ASFALTO ............................................................................... 44
TABLA 11 LECTURAS DEL PUNTO DE INFLAMACIÓN Y DE COMBUSTIÓN ............................................................................. 45
TABLA 12 RESUMEN DE LA PRUEBA DE RESIDUO DEL HORNO DE PELÍCULA DELGADA .......................................................... 46
TABLA 13 RESUMEN DE PRUEBAS FÍSICAS EN EL AGREGADO ........................................................................................... 47
TABLA 14 RESUMEN DE PRUEBAS FÍSICAS EN EL ASFALTO ............................................................................................... 48
TABLA 15 CURVA GRANULOMÉTRICA DE PROYECTO...................................................................................................... 49
TABLA 16 DOSIFICACIÓN CON EL MÉTODO DE ROUFUCH .............................................................................................. 54
TABLA 17 COMPARACIÓN DE MÉTODOS PARA DOSIFICAR .............................................................................................. 57
TABLA 18 PORCENTAJES DE ASFALTO A CONSIDERAR EN CADA DISEÑO ............................................................................. 59
TABLA 19 ENERGÍA DE COMPACTACIÓN ..................................................................................................................... 60
TABLA 20 PARÁMETROS DE COMPACTACIÓN SUPERPAVE .............................................................................................. 60
TABLA 21 CRITERIO Y VALORES OBSERVADOS DE LA DENSIFICACIÓN DE SUPERPAVE ............................................................ 69
TABLA 22 RESUMEN DE LOS DISEÑOS ........................................................................................................................ 70
TABLA 23 INFLUENCIA DEL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN LOS PARÁMETROS VOLUMÉTRICOS DEL DISEÑO MARSHALL ................. 72
TABLA 24 INFLUENCIA DEL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN LOS PARÁMETROS VOLUMÉTRICOS DEL DISEÑO SUPERPAVE ................ 72
TABLA 25 DIMENSIONES DE PROBETAS PARA TENSIÓN INDIRECTA Y SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD..................................... 73
TABLA 26 CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA.................................................................................................................. 78
TABLA 27 RESULTADOS DEL ENSAYO PARA DISEÑO MARSHALL ....................................................................................... 79
TABLA 28 RESULTADOS DEL ENSAYO PARA DISEÑO SUPERPAVE ....................................................................................... 80
TABLA 29 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ENSAYO PARA ESPECÍMENES MARSHALL ............................................................... 86
TABLA 30 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ENSAYO PARA ESPECÍMENES SUPERPAVE............................................................... 87
TABLA 31 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA TENSIÓN INDIRECTA PARA EL DISEÑO MARSHALL ...................... 92
TABLA 32 RESUMEN DE RESULTADOS DE RTI MARSHALL............................................................................................... 93
TABLA 33 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA TENSIÓN INDIRECTA PARA EL DISEÑO SUPERPAVE ...................... 94
TABLA 34 RESUMEN DE RESULTADOS DE RTI SUPERPAVE .............................................................................................. 95
TABLA 35 GRUPO A, SIN ACONDICIONAMIENTO Y ENSAYADOS A 25°C ........................................................................... 102
TABLA 36 GRUPO B, CON ACONDICIONAMIENTO Y ENSAYADAS A 25°C.......................................................................... 102
TABLA 37 RESUMEN DE SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD EN PROBETAS MARSHALL ........................................................ 103
TABLA 38 GRUPO C, SIN ACONDICIONAMIENTO Y ENSAYADAS A 25°C ........................................................................... 104
TABLA 39 GRUPO D, CON ACONDICIONAMIENTO Y ENSAYADAS A 25°C ......................................................................... 105
TABLA 40 RESUMEN DE SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD EN PROBETAS SUPERPAVE........................................................ 105
XII
Capítulo 1. Introducción y objetivos
1.1. Introducción
Actualmente la red carretera de México consta de aproximadamente 360 mil kilómetros
de vías, de las cuales alrededor de 127 mil son pavimentadas y del total de vías pavimentadas más
del 95% son con concreto asfaltico.
Por carretera se transporta 73.6% de la carga (473.8 millones de toneladas) y 90.9% de
los pasajeros (3 141 millones). Por ello la red carretera es, por mucho, la columna vertebral de la
vida económica del país.
En la actualidad, el estado de la red dista de ser óptimo pues, debido a varios factores, una
buena parte de ella presenta diversos grados de deterioro. Sin duda, uno de los que más destacan es
el hecho de que arriba de 60% de los tramos existentes se construyeron hace más de 40 años, con
criterios de diseño, especificaciones y materiales diferentes a los exigidos en la práctica moderna.
Además los volúmenes de transito que circulan hoy por la red federal son mucho mayores a los
previstos en su diseño original, y el tránsito de vehículos pesados se ha incrementado hasta en un
50% en algunos tramos. La importancia del sector ha generado la necesidad de conservar,
modernizar y extender la infraestructura carretera nacional; sin embargo, es imperativo avanzar en
el estudio y caracterización de nuevos materiales; en la revisión, puesta al día y mejoramiento de los
métodos actuales de diseño y en la ejecución de investigaciones experimentales con pruebas de
simulación de desempeño de asfaltos y mezclas asfálticas que representen de mejor manera las
condiciones a las que están sometidas durante su construcción y operación.
Las mezclas asfálticas asumen un papel fundamental en los pavimentos flexibles no solo
por los volúmenes requeridos en su construcción, sino porque constituyen la parte más costosa de
los mismos, y la superficie por la que transitan diariamente los millones de vehículos.
La mayoría de las fallas que se presentan en los pavimentos del país (grietas, baches,
asentamientos, etc.) se deben a que no se diseña la mezcla asfáltica adecuada para cada carretera en
específico (con características de tráfico y clima propias), sino que para todas se emplea un solo
tipo de mezcla, generalmente con granulometría densa de ¾” a finos.
1.1.1. Problema
El diseño de mezclas asfálticas adecuadas para cada carretera en específico, es parte de lo
que se tiene que hacer para tener una red vial con alto desempeño; sin embargo, el control adecuado
del proceso de construcción, juega un papel muy importante. Así por ejemplo, una mezcla asfáltica
tendida en campo y con una mala compactación, trae como consecuencia una diferencia en el
comportamiento de la mezcla sometida al tránsito, respecto a lo estimado en la etapa de diseño.
La mala compactación de las carpetas asfálticas durante la construcción, tiene como
consecuencia la presencia de huellas o surcos a causa de la canalización del tráfico. Además, se
debe dejar suficientes vacíos en la mezcla compacta para que no haya exudación de asfalto y se
vuelva inestable debido a la reducción del contenido de vacíos causada por el tráfico y por la
expansión térmica del asfalto.
Si el contenido de vacíos es alto (generalmente mayor a 8%), el pavimento se dejara
atacar por el aire, el sol y la lluvia, presentando desmoronamiento y desintegración.
1
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo general
El desempeño de las mezclas asfáltica puestas en campo debe de ser igual o semejante a
las características y comportamiento de lo estimado en la etapa de diseño.
1.2.4. Metodología
La presente tesis de investigación es un estudio sobre el comportamiento de mezclas
asfálticas calientes de granulometría densa, particularmente en el diseño Marshall y Superpave, para
determinar el contenido óptimo de cemento asfaltico y peso volumétrico recomendado; y después,
medir el desempeño de los diseños a diferentes niveles de compactación, usando valores aceptados
como mínimos por la SCT y tomando en cuenta algún valor intermedio.
Para lograr los objetivos planteados en esta tesis, a continuación se enlistan una serie de
actividades siguiendo una secuencia lógica de realización con la siguiente metodología:
Reporte de conclusiones.
2
Capítulo 2. Mezclas asfálticas
3
Mezclas asfálticas en caliente: son las elaboradas en caliente, utilizando cemento
asfáltico y materiales pétreos, en una planta mezcladora estacionaria o móvil, provista del equipo
necesario para calentar los componentes de la mezcla.
4
granulometría densa, con la finalidad principal de satisfacer los requerimientos de calidad
de rodamiento del tránsito; permitir que el agua de lluvia sea desplazada por los huecos,
ocupando los vacíos de la carpeta con lo que se incrementa la fricción de las llantas con la
superficie de rodadura, se minimiza el acuaplaneo, se reduce la cantidad de agua que se
impulsa sobre los vehículos adyacentes (roció) y se mejora la visibilidad del señalamiento
horizontal y se reduce el ruido producido por el rodamiento de la rueda sobre el pavimento.
Las mezclas asfálticas de granulometría abierta no deben de colocarse en zonas susceptibles
al congelamiento ni donde la precipitación sea menor de 600 mm por año.
5
Figura 2-5 Mezcla asfáltica de granulometría discontinua SMA
Mezclas asfálticas en frío: son las elaboradas en frío, en una planta mezcladora móvil,
utilizando emulsiones asfálticas o asfaltos rebajados y materiales pétreos.
6
Figura 2-7 Reparación de bache con mezcla asfáltica fría
7
Mezclas asfálticas por el sistema de riegos: son las que se construyen mediante la
aplicación de uno o dos riegos de un material asfáltico, intercalados con una, dos o tres capas
sucesivas de material pétreo triturado de granulometría uniforme, colocado en tamaños
decrecientes. Éstas se clasifican en carpetas de uno, de dos y de tres riegos. Las carpetas de un riego
o la última capa de las carpetas de dos o tres riegos, pueden ser premezcladas o no. Normalmente se
colocan sobre una base impregnada o una carpeta asfáltica, nueva o existente, como capa de
rodadura con el objeto de proporcionar resistencia al derrapamiento y al pulimiento.
8
Figura 2-10 Susceptibilidad a la temperatura del asfalto
Es decir, una baja velocidad de carga puede simularse con una temperatura elevada, y una
alta velocidad de carga puede simularse con bajas temperaturas.
Comportamiento a alta temperatura
A alta temperatura, como en el desierto, o bajo cargas sostenidas, como camiones a baja
velocidad, el cemento asfaltico actúa como un líquido viscoso y fluye. La viscosidad es la
característica que describe la resistencia de los líquidos a fluir. Si pudiera observarse fluir
lentamente, con un poderoso microscopio, a un líquido como el asfalto caliente, se vería el
movimiento relativo de las capas adyacentes del líquido.
9
Los líquidos viscosos como el asfalto caliente son a veces llamados plásticos, porque una
vez que comienzan a fluir no regresan a su posición original.
Comportamiento a baja temperatura
A baja temperatura, como días fríos de invierno, o bajo cargas muy rápidas, camiones a
altas velocidades, el asfalto se comporta como un sólido elástico. Los sólidos elásticos son como
bandas de goma. Esto es, se deforman al ser cargados y retornan a su forma original al ser
descargados. La deformación elástica se recobra completamente.
Si se aplica una carga excesiva, el sólido elástico puede romperse. Aunque el asfalto es
un sólido elástico a baja temperatura, puede volverse demasiado frágil y agrietarse bajo carga
excesiva. Es por esto que el agrietamiento a baja temperatura a veces ocurre en pavimentos
asfalticos en climas fríos. En este caso, las cargas se deben a esfuerzos internos que se desarrollan
dentro del pavimento cuando el proceso de contracción es restringido, por ejemplo, durante y
después de una caída de la temperatura.
Envejecimiento
Existe otra característica especial de los asfaltos. Debido a que están compuestos por
moléculas orgánicas, reaccionan con el oxígeno del medio ambiente. Esta reacción se llama
oxidación y cambia la estructura y composición de las moléculas del asfalto. El resultado es una
estructura más frágil, y es la razón del término endurecimiento por oxidación o por envejecimiento.
Algunas de las características de este fenómeno son:
10
Figura 2-12 Comportamiento visco-elástico del asfalto
11
Figura 2-13 Esqueleto pétreo del agregado
Sin embargo, una pieza de agregado redondeado podría poseer la misma resistencia
interna de una pieza angular, las partículas angulares tienden a cerrarse más apretadamente,
resultando una fuerte masa de material. Las partículas redondeadas, en vez de trabarse, tienden a
deslizarse una sobre otras. Cuando una masa de agregados es cargada, puede generarse dentro de la
masa un plano por el que las partículas sean deslizadas unas respecto de otras, lo cual resulta en una
deformación permanente de la masa.
Es en este plano donde las tensiones de corte exceden a la resistencia al corte de la masa
de agregados. La resistencia al corte del agregado es de crítica importancia en las mezclas
asfálticas.
La diferencia de comportamiento a la resistencia al corte de distintos agregados puede
observarse en las pilas de acopio, en las cuales los agregados triturados forman pilas más empinadas
y estables que los redondeados. A la pendiente de la pila se le denomina ángulo de reposo.
12
tensión normal a que están sometidos los agregados y la fricción interna de los agregados. La
ecuación de Mohr-Coulomb usada para expresar la resistencia al corte de un material es:
Donde:
τ: es la resistencia al corte de la mezcla de agregados
c: es la cohesión del agregado
σ: es la tensión normal a la cual está sujeto el agregado
φ: es el ángulo de fricción interna
Una masa de agregados tiene relativamente baja cohesión. Así, la resistencia al corte
depende principalmente de la oposición al movimiento que ofrecen los agregados. Además, cuando
es cargada, la masa de agregados tiende a ser más fuerte porque la tensión resultante tiende a unir
los agregados más estrechamente entre sí, es decir, la resistencia al corte aumenta. El ángulo de
fricción interna indica la capacidad del agregado para entrelazarse y, así, crear una masa de
agregados casi tan fuerte como las partículas individuales.
13
Figura 2-17 Variación del comportamiento de una mezcla asfáltica en función del tiempo de aplicación de una carga
14
Donde:
Vmb: volumen total de la mezcla compactada
Vmm: volumen de la mezcla sin vacíos
VAM: volumen de vacíos en el agregado mineral
Vsb: volumen total del agregado
Vse: volumen efectivo del agregado
Vbe: volumen efectivo de asfalto
Vba: volumen de asfalto absorbido
Vaire: volumen de aire
Wmb: masa total de la mezcla compacta
Wa: masa de aire
Wb: masa del asfalto
Wsb: masa total del agregado
La mezcla asfáltica debe de analizarse en base al volumen, por tanto, es importante definir y
entender cada uno de los volúmenes del diagrama de fases. A continuación se representa las
definiciones:
Volumen de asfalto efectivo, Vbe. Es el volumen de asfalto que cubre las partículas de
agregado; es decir, es el asfalto que no es absorbido por los poros del agregado.
Volumen de asfalto absorbido, Vba. Es el volumen de asfalto que es absorbido por los poros
externos del agregado.
Volumen total del agregado, Vsb. Es el volumen total del agregado que comprende el
volumen del sólido y el de los poros permeables al agua.
Volumen efectivo del agregado, Vse. Es el volumen de agregado que comprende el
volumen del sólido y el de los poros permeables al agua no llenos con asfalto.
Volumen aparente del agregado, Vsa. Es el volumen del solido del agregado, es decir, no
incluye el volumen de los poros permeables al agua.
Figura 2-19 Ilustración del volumen de aire, volumen de asfalto efectivo y volumen de asfalto absorbido en una mezcla
asfáltica compacta
15
Relaciones de masas y volúmenes
En mecánica de suelos se relaciona la masa de las distintas fases de un suelo con sus
volúmenes correspondientes por medio del concepto de masa especifica; es decir, por la relación de
la masa de la sustancia y su volumen. Así también, la masa específica de un suelo se relaciona con
la masa específica del agua destilada a una temperatura específica, por medio del concepto de masa
específica relativa o densidad relativa.
En mezclas asfálticas, la masa específica relativa se llama gravedad específica, ósea la
relación entre la masa de un volumen de una sustancia dada y la masa de agua de igual volumen;
ambos, a la misma temperatura.
Donde:
Gm: gravedad específica del material [1]
: masa especifica del material, g/cm3
: masa especifica del agua g/cm3
Wm: masa del material
Vm: volumen del material
16
Sin embargo, la mezcla consiste en fracciones de agregado grueso, agregado fino y polvo;
todos tienen gravedades específicas diferentes, por lo que es necesario determinar la gravedad
específica para la combinación de agregado mediante la siguiente ecuación:
Donde:
Gsb: gravedad específica total de la combinación de agregado seleccionado
P1,P2,…,PN: porcentajes individuales por masa de agregado seleccionado
G1,G2,…,GN: gravedad específica total individual del agregado
Es importante señalar que la gravedad específica del total del agregado debe medirse en
laboratorio con la mayor precisión posible, pues esta es usada para convertir las masas medidas a
volúmenes; y cualquier error pequeño en el Gsb se reflejará en un error significativo en el cálculo de
volúmenes, lo cual podría no ser descubierto.
Gravedad específica aparente del agregado, Gsa: es la relación entre la masa en el aire de
un volumen unitario de agregado, considerando sólo el volumen del solido del agregado, y la masa
de igual volumen de agua destilada, ambos a la misma temperatura.
Donde:
Gsa: gravedad específica aparente de la combinación de agregado seleccionado
P1,P2,…,PN: porcentajes individuales por masa de agregado seleccionado
G1,G2,…,GN: gravedad específica aparente individual del agregado
Gravedad especifica efectiva del agregado, Gse: es la relación entre la masa en el aire de
un volumen unitario de agregado, considerando solo el volumen de poros permeables al agua no
llenos con asfalto, y la masa de igual volumen de agua, ambos a la misma temperatura.
17
Figura 2-22 Gravedad específica efectiva
Esta gravedad depende del volumen de asfalto absorbido, por lo que se determina a partir
de la gravedad específica máxima teórica de la mezcla.
La gravedad específica efectiva, se calcula con la siguiente ecuación:
Donde:
Gse: gravedad específica efectiva de la combinación de agregado seleccionado
Pmm: porcentaje de masa total de la mezcla suelta=100
Gmm: gravedad especifica teórica máxima de la mezcla suelta
Pb: contenido de asfalto, porcentaje con respecto al total de la mezcla
Gb: gravedad específica del asfalto
El valor para la gravedad específica efectiva de un agregado debe ubicarse entre su
gravedad específica total y su gravedad específica aparente. Cuando la gravedad específica efectiva
está fuera de estos límites, se debe de asumir que los valores son incorrectos, y se debe volver a
determinar la gravedad especifica máxima teórica para encontrar la causa del error.
Otras gravedades específicas necesarias de determinar son las siguientes:
Gravedad específica del asfalto, Gb: es la relación de masa en el aire de un volumen de
asfalto y la masa de igual volumen de agua, ambos a la misma temperatura.
Gravedad específica teórica máxima de la mezcla, Gmm: es la relación entre la masa de un
volumen dado de mezcla asfáltica sin vacíos de aire y masa de igual volumen de agua, ambos a la
misma temperatura.
Donde:
Gmm: gravedad especifica teórica máxima de la mezcla suelta
Pmm: porcentaje de masa total de la mezcla suelta=100
Gse: gravedad específica efectiva de la combinación de agregado seleccionado
18
Ps: porcentaje de masa del agregado pétreo= (100- Pb)
Pb: contenido de asfalto, porcentaje con respecto al total de la mezcla
Gb: gravedad específica del asfalto
En el diseño de una mezcla asfáltica es necesario determinar la Gmm, para cada contenido
de asfalto con el fin de calcular el porcentaje de vacíos de aire para cada contenido de asfalto.
Además, es preferible medir la gravedad específica teórica máxima por duplicado o triplicado.
Gravedad especifica total de la mezcla asfáltica compactada, Gmb: es la relación entre la
masa en el aire de un volumen dado de mezcla asfáltica compactada y la masa de igual volumen de
agua destilada, ambos a la misma temperatura.
Es importante hacer una aclaración sobre la nomenclatura.
Peso específico: se define como la relación entre el peso y el volumen. Sus unidades son:
kg (fuerza)/dm3, g (fuerza)/cm3, ton/m3, etc.
Gravedad específica: relación entre la masa de un volumen de una sustancia dada y la masa
de agua de igual volumen; sin unidades.
Peso específico y gravedad específica son numéricamente iguales, ya que el peso
específico del agua es muy cercano a 1 g/cm3 y su gravedad específica es 1 a 25°C. Es una
herramienta comúnmente usada para muchas aplicaciones de la ingeniería civil, pues representa un
modelo conveniente para calcular distintos pesos y volúmenes en materiales de construcción no
homogéneos.
Parámetros volumétricos
Los tres parámetros que han sido ampliamente utilizados y que forman parte de los
requisitos de diseño de mezclas, son los vacíos en el agregado mineral (VAM), vacíos llenos con
asfalto (VFA) y los vacíos de aire (Va).
Vacíos de aire, Va: Es el volumen de los pequeños espacios de aire entre las partículas de
agregado, cubiertas por asfalto en una mezcla asfáltica compactada. Del diagrama de fases se tiene
que:
Utilizando las gravedades específicas definidas anteriormente se tiene que los vacíos de
aire en porcentaje con respecto del volumen total se calculan con la siguiente ecuación:
Donde:
Gmb: gravedad especifica total de la mezcla compactada
Gmm: gravedad especifica teórica máxima de la mezcla suelta
19
Vacíos en el agregado mineral, VAM. Es el volumen de espacio vacío intergranular entre
las partículas de agregado en una mezcla asfáltica compactada. Es decir, es la relación entre el
volumen de asfalto efectivo más el volumen de aire y el volumen total de la mezcla compacta.
Utilizando las gravedades específicas se tiene que los VAM en porcentaje con respecto al
volumen total son:
Donde:
Gmb: gravedad especifica total de la mezcla compactada
Gsb: gravedad especifica total del agregado
Ps: peso del agregado con respecto a la mezcla, en porcentaje
Vacíos llenos con asfalto, VFA. Es la porción del volumen de espacio vacío intergranular
(VAM) que es ocupado por el asfalto efectivo. Es decir, la relación entre el volumen de asfalto
efectivo y el volumen de vacíos en el agregado mineral de la mezcla compacta.
Utilizando las gravedades específicas de los materiales, se tiene que, el asfalto absorbido
con respecto al agregado como porcentaje en peso es:
Donde:
Gse: gravedad específica efectiva de la combinación de agregado
Gsb: gravedad especifica total de la combinación de agregado
Gb: gravedad específica del asfalto
Contenido de asfalto efectivo. Es la relación entre la masa de asfalto efectivo y la masa
total de la mezcla compactada.
20
Así se tiene también que, el contenido de asfalto efectivo, como porcentaje en peso con
respecto de la mezcla es:
Donde:
Pb: porcentaje de asfalto respecto de la mezcla
Pba: porcentaje absorbido de asfalto en peso, con respecto al agregado
Ps: porcentaje del agregado con respecto a la mezcla
21
22
Capítulo 3. Métodos de diseño de mezclas asfálticas
Asfalto suficiente para cubrir por completo las partículas de agregado e impermeabilizarlas,
y pegarlas para asegurar un pavimento durable con una compactación adecuada.
Estabilidad suficiente para satisfacer los requerimientos de servicio y las demandas del
tráfico sin deformación ni desplazamiento.
Vacíos suficientes en la mezcla total compactada para dejar un espacio de reserva para la
expansión del asfalto y para una ligera compactación adicional, que con las cargas del
tráfico se va a producir.
Trabajabilidad suficiente para permitir la colocación y compactación de la capa de
pavimento y una operación eficiente de construcción.
Existen varios métodos para diseño de mezclas, por varias décadas ha tenido gran
difusión y aceptación el procedimiento conocido como Marshall. Sin embargo, hoy en día, es
cuestionado, pues el método no fue desarrollado pensando en el comportamiento de las mezclas
asfálticas a lo largo del tiempo ni el efecto que tienen otros aspectos importantes en su desempeño.
Por lo anterior, se desarrolló un método más representativo y confiable, además de estar
asociado a procedimientos y ensayos que evalúen el comportamiento y desempeño de la mezcla a lo
largo del tiempo; es así como surge el procedimiento llamado SUPERPAVE (Superior Performing
Asphalt Pavement). En este capítulo se presenta la descripción de ambos métodos de diseño.
23
Marshall son un análisis de las relaciones entre densidad y volumen de huecos y un ensayo para la
determinación de la estabilidad y fluencia de las probetas compactadas.
La estabilidad del espécimen de prueba es la máxima resistencia en N (lb) que desarrolla
cuando es ensayado a una temperatura de 60° C. El valor de flujo es el movimiento total o
deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100”), que ocurre en el espécimen entre estar sin carga y
el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad.
24
Con el equipo de prueba listo, se removerá el espécimen de prueba del baño maría y
cuidadosamente se secara la superficie. Colocándolo y centrándolo en la mordaza inferior, se
procederá a colocar la mordaza superior y se centrara completamente en el aparato de carga.
Posteriormente se aplica la carga de prueba al espécimen a una deformación constante de
51 mm por minuto, hasta que ocurra la falla. El punto de falla está definido por la lectura de carga
máxima obtenida. El número total de N (lb) requeridos para que se produzca la falla del espécimen
deberá registrarse como el valor de estabilidad Marshall.
Mientras que la prueba de estabilidad está en proceso, si no se utiliza un equipo de
registro automático se deberá mantener el medidor de flujo sobre la barra guía y cuando la carga
empiece a disminuir habrá que tomar la lectura y registrarla como el valor de flujo final. La
diferencia entre el valor de flujo final e inicial expresado en unidades de 0.25 mm (1/100”) será el
valor de flujo Marshall.
Determinación del peso específico y análisis de vacíos
Una vez determinados los ensayos de estabilidad y flujo debe de hacerse la determinación
del peso específico y el análisis de vacíos para cada serie de probetas.
Utilizando la gravedad específica y la gravedad específica efectiva del total del agregado;
el promedio de las gravedades específicas de las mezclas compactadas; la gravedad específica del
asfalto y la gravedad específica teórica máxima de la mezcla asfáltica, se calcula el porcentaje de
asfalto absorbido en peso del agregado seco, porcentaje de vacíos (Va); porcentaje de vacíos
llenados con asfalto (VFA) y el porcentaje de vacíos en el agregado mineral (VAM).
Con los valores así obtenidos se preparan gráficos separados con las siguientes
relaciones:
Estabilidad-contenido de asfalto
Fluencia-contenido de asfalto
Peso específico-contenido de asfalto
Vacíos de aire- contenido de asfalto
VAM-contenido de asfalto
VFA-contenido de asfalto
25
función del nivel de tránsito y la posición de la mezcla en el paquete estructural del pavimento.
Estas propiedades son:
Angularidad del agregado grueso: se define como el porcentaje en peso del agregado mayor
de 4.75 mm con una o más caras fracturadas. Una cara fracturada se define como alguna
superficie fracturada que ocupa más del 25% del área del contorno de la partícula del
agregado visible en esa orientación.
Angularidad del agregado fino: se define como el porcentaje de vacíos de aire presente en
los agregados, menores de 2.36 mm, levemente compactados. Contenidos de vacíos
mayores significan más caras fracturadas.
Partículas alargadas y chatas: es el porcentaje en peso del agregado grueso cuya relación
entre la dimensión máxima y mínima es mayor que 5. Las partículas alargadas son
indeseables porque tienden a quebrarse, limitando las partículas alargadas se asegura que
los agregados de la mezcla asfáltica serán menos susceptibles a fractura durante la
manipulación, construcción y bajo el efecto del tránsito.
26
Figura 3-3 Dispositivo calibrador proporcional para medir partículas chatas y alargadas
Las propiedades de origen del agregado son aquellas utilizadas para calificar las fuentes
locales de agregados. El cumplimiento de estas propiedades es importante, pero no especificaron
valores críticos ya que ellas son muy específicas de la fuente de origen. Las propiedades de origen
de los agregados son:
27
Materiales deletreos: son definidos como el porcentaje en peso de contaminantes con los
agregados. Se mide con el ensayo de determinación de terrones de arcilla y el de partículas
fiables.
Para especificar la graduación del agregado utilizan en el gráfico de granulometría límites
de control y una zona restringida. El diseño de la estructura del agregado debe pasar entre los
puntos de control evitando la zona restringida. En este mismo gráfico también se dibuja la
graduación de máxima densidad, desde el pasante 100% del tamaño máximo del agregado al origen.
Las ordenadas de la carta son los porcentajes que pasan, en escala aritmética, las abscisas
representan las aberturas de los tamices en mm, elevadas a la potencia 0.45.
Algunas definiciones importantes que tienen que ver con el grafico son las siguientes:
28
Figura 3-5 Ensayo de película delgada en horno rotatorio
La tercera etapa ocurre cuando envejece el cemento asfáltico ya colocado, ocurre después
del proceso de mezclado y de su colocación como carpeta asfáltica, hasta el fin de su vida de diseño
para la cual fue planeado. Esta etapa se simula en la vasija de envejecimiento a presión (PAV),
mediante la exposición de muestras de asfalto a calor y presión, para representar el envejecimiento
del pavimento a lo largo de los años de servicio.
Las propiedades físicas de los ligantes son medidas con cuatro dispositivos:
Reómetro de corte dinámico: se emplea para caracterizar las propiedades visco-elásticas
del ligante. Mide el modulo complejo en corte (G*) y el ángulo de fase (δ), sometiendo una muestra
pequeña de ligante a tensiones de corte oscilante. La muestra está situada entre dos platos paralelos.
29
Figura 3-7 Reómetro de corte dinámico
30
3.2.3. Pruebas a las mezclas asfálticas compactadas
Los requerimientos del diseño de mezclas asfálticas de Superpave son:
Requerimientos volumétricos de la mezcla: vacíos de aire; vacíos del agregado mineral y
vacíos llenos de asfalto. El contenido de vacíos de aire es una propiedad importante que se utiliza
como base para la selección del contenido del cemento asfáltico. Así también se toman en cuenta
los vacíos del agregado mineral (VAM) y los vacíos llenos de asfalto (VFA).
Proporción de polvo: se calcula como la relación entre el porcentaje en peso del agregado
más fino que el tamiz 0.075 mm y el contenido de asfalto efectivo en porcentaje de peso total de la
mezcla.
Susceptibilidad a la humedad: El ensayo de susceptibilidad a la humedad para evaluar
una mezcla asfáltica al desprendimiento es la Norma AASHTO T-283, Resistencia de mezclas
bituminosas compactadas al daño inducido por humedad. Este ensayo, que no se basa en el
desempeño, sirve para dos propósitos; primero, identificar si una combinación de cemento asfáltico
y agregado es susceptible a la acción del agua; segundo, mide la efectividad de los aditivos anti
desprendimiento o de mejora de adherencia.
31
32
Capítulo 4. Descripción del experimento
33
A continuación se muestran los límites de consistencia para la porción de agregados finos
que se utilizara en la curva granulométrica seleccionada.
Tabla 1 Determinación del límite líquido
Límite líquido
Cápsula No. de Peso Peso Peso del Peso de la Peso del Contenido
No. golpes cápsula+suelo cápsula+suelo agua (g) cápsula suelo de agua
húmedo (g) seco (g) (g) seco (g) (W) (%)
39 9 53.94 48.32 5.62 21.53 26.79 20.98
41 19 50.86 46.12 4.74 21.48 24.64 19.24
8 27 48.98 44.59 4.39 21.52 23.07 19.03
21 36 51.90 47.25 4.65 21.43 25.82 18.01
25.00
20.00
Contenido de agua en %
15.00
10.00
5.00
0.00
1 5 6 7 8 910 20 30 40 50
Número de golpes
LL=19.08
Tabla 2 Determinación del límite plástico
Límite plástico
Cápsula No. de Peso Peso Peso del Peso de la Peso del Contenido
No. golpes cápsula+suelo cápsula+suelo agua (g) cápsula suelo de agua
húmedo (g) seco (g) (g) seco (g) (W) (%)
46 -- 23.60 23.33 0.27 21.51 1.82 14.84
17 -- 23.66 23.37 0.29 21.45 1.92 15.10
13 -- 23.64 23.35 0.29 21.50 1.85 15.68
Limite plástico= 15.21
34
Figura 4-3 Determinación del Límites de consistencia
Ensayo 1 2
Lectura de Arena 3.3 3.52
Lectura de Arcilla 4.7 5.25
Equivalente de 70.21 67.05
Arena
E.A. Promedio 68.63
35
Figura 4-4 Medición del equivalente de arena
Desgaste de los Ángeles: esta prueba ha sido ampliamente usada como un indicador de la
calidad relativa o competencia de varios tipos de agregado que tienen composición mineral similar.
La prueba es una medida de la degradación de los agregados minerales de granulometría
estándar resultado de una combinación de acciones que involucran abrasión o desgaste, impacto y
molienda en un cilindro hueco de acero giratorio que contiene un número especificado de esferas de
acero, el número depende sobre todo de la granulometría de la muestra. Cuando el cilindro gira, una
placa radial de acero separa la muestra y las esferas de acero, llevándolas alrededor hasta que estas
caen en el lado opuesto del cilindro, creando un efecto de trituración e impacto. Los contenidos
giran dentro del cilindro hueco bajo una acción de desgaste y molienda hasta que la placa radial de
acero separa la muestra y las esferas de acero, y el ciclo es repetido. Después del número de
revoluciones preestablecidas, los contenidos son retirados del cilindro y la porción de agregado es
cribado para medir la degradación como perdida de porcentaje.
Se calcula la pérdida (diferencia entre la masa original y la masa final de la muestra de
prueba) como un porcentaje de la masa original de la muestra de prueba. Se reporta este valor como
la pérdida en porcentaje.
36
Tabla 4 Desgaste en la máquina de Los Ángeles. Tabla 5 Desgaste en la máquina de Los Ángeles.
Prueba B Prueba C
Prueba B Prueba C
Malla Peso (g) Malla Peso (g)
Pasa 3/4" R-1/2" 2500.50 Pasa 3/8" R-1/4" 2500.30
Pasa 1/2" R-3/8" 2500.40 Pasa 1/4" R-4 2500.60
Peso Inicial (PI)= 5000.90 Peso Inicial (PI)= 5000.90
Peso final (PF)= 4208.00 Peso final (PF)= 4149.20
PI-PF= 792.90 PI-PF= 851.70
Porcentaje de 15.86 Porcentaje de 17.03
desgaste= desgaste=
Forma de partícula: las partículas de agregado planas o alargadas, para algunos usos en
construcción, pueden interferir con la consolidación y provocar dificultad para colocar los
materiales.
En esta prueba se define las dimensiones del agregado de la siguiente forma:
37
La prueba de partículas planas y partículas alargadas, se hace en cada tamaño del material
de acuerdo a uno de los tres grupos: planas, alargadas y ni planas ni alargadas. Se pesa la muestra
seca tomada por cuarteo y se cuentan el número de partículas, cuando menos 100 partículas.
En la prueba de partículas planas, se coloca la partícula en la abertura mayor con su
ancho y se revisa si pasa en la abertura con su espesor.
La prueba de partículas alargadas, se coloca la partícula en la abertura mayor con su largo
mayor y se revisa si pasa en la abertura menor con su ancho.
Para las partículas planas y alargadas, se coloca la partícula en la abertura mayor con su
largo mayor y se revisa si pasa en la abertura menor con su espesor.
Finalmente se reporta el porcentaje por peso o por número de partículas, para cada una de
las condiciones antes descritas. Así también, se reporta la relación utilizada (1:2, 1:3 y 1:5), numero
de partículas y los porcentajes calculados por número y por masa.
38
Figura 4-6 Dispositivo para el ensayo de Forma de Partícula
Angularidad del agregado fino: en este método se usa un cilindro calibrado de 100 cm3,
el cual se llena con el agregado fino de graduación establecida (de acuerdo al método) permitiendo
a la muestra fluir a través del embudo dentro del cilindro. El exceso de material se quita y el
cilindro se pesa. El contenido de vacíos sin compactar de la muestra se calcula usando este peso y la
gravedad específica neta del agregado Gsb. El método A (Muestra de graduación estándar) usa
muestras de graduación especificada con material que pasa la malla No. 8 y retenido en la malla No.
100. El método B (Fracciones de tamaños individuales) usa tres fracciones de tamaños individuales,
de la malla No. 8 a la 16, de la malla 16 a 30, de la malla 30 a 50 y de la malla 50 a 100 y se
determina por medio de la media del contenido de vacíos. El método C (Graduación de muestras tal
como se reciben) usa la porción de agregados finos que pasan la malla No. 4. Los vacíos sin
compactar en el material en porcentaje se calculan de la siguiente manera:
( )
Donde:
V: volumen del cilindro
F: masa neta del agregado
G: densidad especifica total del agregado fino
La densidad especifica de la muestra der agregados finos es Gsb=2.456
Tabla 7 medición de la angularidad en el agregado fino
Ensayo 1 2 3
Peso del agregado fino que llena 141.74 141.55
el cilindro (g) 141.33
39
Figura 4-7 Dispositivo para medir la angularidad del agregado fino
40
Densidad del agregado grueso: Este método de prueba cubre la determinación de la
densidad promedio de una cantidad de partículas de agregado grueso (no incluye el volumen de
vacíos entre las partículas), la densidad relativa (gravedad específica), y la absorción del agregado
grueso. Dependiendo del procedimiento usado, se expresa como seca al horno (SH), saturada y
superficialmente seca (SSS), o como densidad aparente. De cualquier manera, la densidad relativa
(gravedad específica), es una cantidad adimensional, se expresa como SH, SSS o como densidad
relativa aparente (gravedad especifica aparente).
Se seca la muestra del agregado en un horno hasta peso constante, después la muestra es
sumergida en agua por aproximadamente 24 ± 4 horas para llenar los poros. Después la muestra es
retirada del agua, secada superficialmente y pesada. Subsecuentemente el volumen de la muestra se
determina por el método del desplazamiento de agua. Finalmente la muestra se seca en el horno y se
determina la masa. Usando las masas obtenidas y las fórmulas de este método de prueba, es posible
calcular la densidad, densidad relativa (gravedad específica) y la absorción. Dichas gravedades se
calculan con las siguientes formulas:
Donde:
A: masa de la muestra seca en horno, g
B: masa de la muestra saturada superficialmente seca, g
C: masa aparente en agua de la muestra saturada, g
Densidad del agregado fino: Se seca la muestra del agregado en un horno hasta peso
constante, la muestra se sumerge en agua o se incrementa al menos 6% de humedad al agregado
fino y se deja reposar por aproximadamente 24 ± 4 horas para llenar los poros. Se decanta el agua
con cuidado para evitar pérdida de finos, se extiende la muestra en una superficie plana no
absorbente exponiéndola a movimientos suaves de corriente de aire, y mezclando frecuentemente
para asegurar un secado homogéneo. Se puede emplear ayuda mecánica tal como espátula o
agitador para lograr la condición saturada y superficialmente seca. Se continúa con esta operación
hasta que el espécimen de prueba se aproxime a la condición de flujo libre.
Para determinar si la humedad superficial continúa presente en las partículas que
constituyen el agregado fino se sigue el procedimiento siguiente. Se sostiene un molde con forma de
cono truncado, firmemente sobre una superficie suave y lisa con el diámetro grande hacia abajo. Se
vacía cuidadosamente la porción del agregado fino secado parcialmente llenando hasta el borde y
amontonando material adicional sobre la parte superior del molde, sosteniendo el molde con los
dedos de la mano. Se apisona ligeramente el agregado fino dentro del molde con 25 golpes del
pisón. Se deja caer el pisón desde una altura de 5 mm arriba de la superficie del agregado fino.
Permitiendo que el pisón caiga libremente bajo la atracción gravitacional en cada uno de los golpes.
Se ajusta la altura al inicio para una nueva elevación de la superficie después de cada golpe y se
distribuyen los golpes sobre la superficie. Se retira la arena suelta de la base y se levanta el molde
verticalmente. Si la humedad superficial continúa presente, el agregado fino tendrá la forma del
molde. Cuando haya una caída insignificante o escasa de agregado fino del molde se ha alcanzado
la condición de secado superficial.
41
Se hace el primer intento de prueba de humedad superficial cuando hay algo de agua en el
espécimen de prueba. Se continúa secando con mezclado constante y probando a intervalos
constantes hasta que el ensaye indique que el espécimen ha alcanzado la condición de secado
superficial. Si el primer intento de la prueba de humedad superficial indica que no hay humedad
presente en la superficie de las partículas, el material está más seco que la condición de saturado y
superficialmente seco. En este caso, se mezclan completamente unos pocos mililitros de agua con el
agregado fino y se deja reposar el espécimen en un contenedor cubierto durante 30 minutos. Luego
se reanuda el proceso de secado y ensaye a intervalos frecuentes para el inicio de la condición de
secado superficial.
Se llena parcialmente el picnómetro (calibrado) con agua. Se introduce dentro del
picnómetro 500 ± 10 g de agregado fino saturado y superficialmente seco y se llena con agua
adicional hasta aproximadamente 90% de la capacidad. Se tapa manualmente, se invierte y agita el
picnómetro para eliminar todas las burbujas de aire. Se requieren normalmente cerca de 15 a 20
minutos para eliminar las burbujas de aire por métodos manuales. Se ha visto que es útil mojar la
punta de una toalla de papel dentro del picnómetro para dispersar la espuma que algunas veces se
concentra cuando son eliminadas las burbujas de aire. Opcionalmente una pequeña cantidad de
alcohol isopropílico puede ser usado para dispersar la espuma.
Después de eliminar todas las burbujas de aire, se ajusta la temperatura del picnómetro y
su contenido a 23.0 ± 2°C si es necesario por inmersión parcial en agua circulando, y se llena con
agua el picnómetro hasta la marca de calibración. Se determina la masa total de la muestra, el
picnómetro y el agua.
Se retira el agregado fino del picnómetro, se seca a una temperatura de 110 ± 5°C hasta
masa constante, se enfría a temperatura ambiente durante 1 ± ½ horas y se determina la masa seca.
Se determina la masa del picnómetro lleno hasta la marca de calibración con agua a una
temperatura de 23 ± 2.0 °C.
A continuación se muestran las densidades por tamaño de los agregados utilizados:
Tabla 8 Resumen de las densidades del agregado
Finos
Tamaño del 12.70 mm 9.530 mm 6.350 mm 4.750 mm (Material
material (1/2”) (3/8”) (1/4”) (4) que pasa
4.750 mm
(4))
Gsb 2.608 2.613 2.608 2.602 2.456
Gsss 2.649 2.654 2.653 2.647 2.574
Gsa 2.270 2.726 2.729 2.723 2.784
Absorción 1.586 1.586 1.691 1.697 4.785
42
ml de material asfaltico fluido por un viscosímetro calibrado, bajo condiciones de presión y
temperatura establecidas.
La viscosidad dinámica a 60°C para nuestro asfalto es de 236.5 Pa*s.
Punto de reblandecimiento (anillo y bola): esta prueba determina la susceptibilidad
térmica de los asfaltos. Los asfaltos que tienen puntos de reblandecimiento más altos para una
determinada penetración a 25° C son menos susceptibles a los cambios de consistencia debidos a la
temperatura.
Para realizar el ensayo, se coloca primero el asfalto en un pequeño anillo y se deja enfriar.
A continuación se sumerge el anillo en agua o en glicerina; se coloca sobre el asfalto una pequeña
bola de acero calibrada y se aplica calor al líquido. En determinado momento, al subir la
temperatura, el asfalto se reblandece y permite la caída de la bola. Se denomina punto de
reblandecimiento del asfalto a la temperatura expresada en grados centígrados en la que esto se
realiza.
Tabla 9 Reblandecimiento del asfalto
Prueba Temperatura
°C
A 1 52.00
2 53.00
B 1 51.50
2 52.00
Promedio 52.13
43
La penetración y la consistencia son inversamente proporcionales; es decir, cuanto mayor
es la penetración, más blando es el asfalto.
Tabla 10 Promedio de lecturas de penetración en el asfalto
Penetración (10-1mm)
Ensayo A B C
1 75.00 75.00 74.00
2 71.50 73.50 75.00
3 72.00 75.00 72.00
4 72.00 75.00 70.00
5 71.00 73.00 74.00
6 71.50 75.00 75.00
7 72.50 74.00 75.00
8 70.00 73.00 75.00
Promedio 71.94 74.19 73.75
Promedio 73.29
44
Tabla 11 Lecturas del punto de inflamación y de combustión
Reómetro de corte dinámico: esta prueba nos permite conocer las propiedades reológicas
del cemento asfaltico y su variación con la temperatura. Para esto se somete a una muestra de
asfalto de geometría circular a una fuerza de torsión cíclica a temperatura controlada mediante un
reómetro de corte. Este equipo, permite medir la fuerza aplicada y la deformación que experimenta
la muestra de asfalto. Los resultados obtenidos a 64°C son:
Módulo complejo: 7068.75 Pa
Ángulo de fase: 89.38°
Por lo tanto, el factor de ahuellamiento se calcula dividiendo el módulo complejo entre el
seno del ángulo de fase.
( ) ( )
45
Figura 4-12 Cantidad de asfalto utilizada en el reómetro de corte dinámico
Residuo del horno de película delgada y rolada: esta prueba permite estimar el cambio
que sufre el ligante asfaltico en películas de pequeño espesor que se someten a los efectos del calor
y aire. La prueba consiste en someter una muestra de cemento asfaltico a un proceso de
calentamiento, para producir el efecto simulado del envejecimiento en el asfalto por mezclado y
colocación de la mezcla en el lugar, revisando posteriormente el residuo al cual se le determina la
perdida por calentamiento, penetración, determinación de módulo complejo y ángulo de fase.
Tabla 12 Resumen de la prueba de Residuo del Horno de Película Delgada
Prueba Resultado
Perdida por calentamiento, % 1.2
Viscosidad dinámica, Pa*s 246.8
Penetración, 10-1mm 61
Módulo reológico de corte dinámico, Pa 33 287.5
Ángulo de fase, ° 79.64
( ) ( )
46
Figura 4-13 Horno rotatorio de película delgada
47
Tabla 14 Resumen de pruebas físicas en el asfalto
Se puede observar que el asfalto tiene características que lo clasifican con un grado PG
64. La caracterización del asfalto se realizó para el grado de alta temperatura y se considera que el
grado de baja temperatura es de -22°C; la cual es un valor medio para grados PG 64. La
simplificación anterior es debida a que el presente trabajo de investigación no está enfocado al
estudio profundo de los asfaltos.
Las temperaturas consideradas en los ensayos de desempeño que se realizaron en el
presente trabajo están en un rango de -18 a 60 °C; temperaturas en las que se considera que el
asfalto tendrá un desempeño satisfactorio, debido a que el AC-20 que se utilizó se ha clasificado
como un grado PG 64-22.
48
Figura 4-14 Regiones Geográficas para la utilización recomendable de cementos asfalticos Grado PG
Proyecto
Abertura Designación
mm Porcentaje Porcentaje
50.080 2" que pasa que retiene
38.100 1 1/2 "
25.400 1" 100 0
19.050 3/4" 94 6
12.700 1/2" 83 11
9.530 3/8" 72 11
6.350 1/4" 57 15
4.750 N°4 47 10
2.360 N°8 31 16
1.180 N°16 22 9
0.600 N°30 16 6
0.300 N°50 11 5
0.149 N°100 7 4
0.075 N°200 4 3
Filler 0 4
49
Para el diseño Marshall se dibujó una curva entre los límites establecidos por la SCT,
para granulometrías de carpetas asfálticas densas de tamaño máximo de 1” (25mm) y cualquier
valor de ESALs de diseño. Finalmente se graficó en una escala semilogarítmica.
12.700
19.050
25.400
38.100
50.080
0.149
0.075
0.300
0.600
1.180
2.360
4.750
6.350
9.530
100
90
80
Porcentaje que pasa
70
60
50
40
30
20
10
0
0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
Abertura de las malla, en mm
Así también, se revisó que la granulometría cumpliera con los requisitos establecidos por
Superpave. Para esto se graficó con la abertura de las mallas elevado a la 0.45; además, se dibujó la
línea de máxima densidad y zona restringida.
50
0.31
0.42
0.58
0.79
1.08
1.47
2.02
2.30
2.76
3.14
3.77
4.29
100
90
80
Porcentaje que pasa
70
60
50
40
30
20
10
0
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
Abertura de las malla elevados a la 0.45
51
4.2.2. Dosificación de los agregados para la elaboración de los especímenes de
prueba
De acurdo con el tamaño máximo, en este caso de 1”, se realizó el cribado por 12
diferentes mallas para realizar la dosificación lo más exacta posible. Cada retenido por malla llevo
un control de calidad, el cual consistió en la homogenización y obtención de granulometría por el
medio húmedo.
52
0.300
0.075
0.149
0.600
1.180
2.360
4.750
6.350
9.530
12.700
19.050
25.400
38.100
50.080
100
95
90
85
80
75
70
Porcentaje que pasa
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
Abertura de las malla, en mm
Como paso siguiente, se trazan líneas rectas amarillas, lo más parecidas a las
granulometrías por retenido. Por último se trazan rectas de color verde que unan las rectas
amarillas, como se muestra a continuación.
9.530
0.075
0.149
0.300
0.600
1.180
2.360
4.750
6.350
12.700
19.050
25.400
38.100
50.080
100
95
90
85
80
75
70
Porcentaje que pasa
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
Abertura de las malla, en mm
Los cruces de las rectas verdes con la granulometría de proyecto, son los porcentajes de
material pétreo a dosificar. A continuación se muestran dichos porcentajes.
53
Figura 4-21 Porcentajes a dosificar, obtenidos con el método de Roufuch
. . . . .
. . . . .
Donde:
: son porcentajes retenidos de las granulometrías realizadas a
los 12 retenidos en mallas
: son porcentajes retenidos de la curva granulométrica de proyecto
: son los porcentajes para dosificar la curva granulométrica de
proyecto
54
El sistema de ecuaciones lineales antes planteado, puede resolverse mediante cualquier
método de solución ya conocido, en el presente trabajo se recurrió al uso de matrices.
Se define
A: como la matriz cuadrada, cuyos elementos son
X: es la matriz, cuyos elementos son
B: es la matriz cuyos elementos son
Por lo tanto, el sistema de ecuaciones anterior se puede expresar en forma matricial
como:
Despejando X, se tiene
55
Figura 4-23 Inversa de la matriz de porcentajes retenidos
56
Figura 4-25 Matriz resultado, porcentajes a dosificar para construir la curva granulométrica
Método 6.00 12.00 10.00 17.00 11.00 14.00 10.00 7.00 3.00 4.00 2.00 4.00 100.00
grafico
Método 6.00 12.26 9.56 16.23 10.89 15.22 8.87 6.13 4.32 4.91 4.07 1.54 100.00
matricial
Se puede ver que para los retenidos en mallas de tamaño grande, los porcentajes a
dosificar son muy parecidos; sin embargo, esto no sucede con los tamaños a partir de la malla 16.
Para saber cuál de las dosificaciones es la correcta, se dosifico ambas por duplicado y se les realizo
la prueba de granulometría.
Al hacer las pruebas de granulometría, se observó que las muestras dosificadas con el
método grafico tienen variaciones considerables en los retenidos de las mallas 100, 200 y pasa 200,
respecto de la curva proyecto. Mientras que usando las matrices, la granulometría es muy próxima a
la curva proyecto, por lo que fue aceptada para realizar las dosificaciones en el presente trabajo.
57
La gravedad específica efectiva de la mezcla se estima mediante la siguiente formula, en
la cual, 0.8 puede ser ajustado a discreción del diseñador. Los agregados absorbentes pueden
requerir valores cercanos a 0.6 o 0.5.
( ) ( )
Donde:
Vba: es el volumen absorbido del ligante, cm3/cm3 de mezcla
Pb: es el porcentaje de ligante, se hizo la suposición de que sea 0.05
Ps: es el porcentaje de agregado, se hizo el supuesto de 0.95
Gb: gravedad especifica del ligante igual a 1.03
Va: volumen de vacíos de aire, se fija un valor de 0.04 cm3/cm3
[ ( )] [ ( )]
( ) ( )
( ) ( )
58
Tabla 18 Porcentajes de asfalto a considerar en cada diseño
59
Figura 4-27 Proceso de mezclado
Métodos de compactación
En la compactación de la mezcla asfáltica caliente se utilizó el compactador giratorio para
las probetas de Superpave, y el martillo de impacto para las probetas Marshall.
La metodología Superpave, en sus inicios tomaba en cuenta como factores para la
selección de la energía de compactación (número de giros), el nivel de tránsito (ESALs) y la
temperatura. Recientes modificaciones al método, establecen que la elección del número de giros de
diseño (Ndiseño) a la que se compactará la mezcla, va en función del nivel de tránsito; este mismo
criterio lo comparte el método Marshall.
Tabla 19 Energía de compactación
Parámetros Especificación
Esfuerzo vertical 600 KPa
Ángulo de giro 1.25 °
Velocidad de rotación 30 rpm
60
Figura 4-28 Esquema de probeta compactada por amasado en el CGS
61
Figura 4-30 Procedimiento de compactación Marshall
Donde:
Wa: masa del espécimen en aire, en g.
Ww: masa del espécimen sumergido en agua, en g.
Wsss: masa en el aire del espécimen saturado y superficialmente seco, en g.
62
Es importante mencionar que la precisión de la balanza para determinar las masas debe
ser de al menos 0,1g.
Donde:
A: masa de la mezcla, en g.
B: masa del picnómetro con agua, en g.
C: masa del picnómetro con agua y muestra, en g.
63
Figura 4-32 Bomba y Picnómetro para determinar la gravedad especifica máxima teórica
% CA Gmm
5.3 2.466
5.8 2.442
6.3 2.418
6.8 2.395
Con dichos resultados se hizo una regresión lineal y de esta grafica se tomó el valor de
Gmm para cada uno de los demás porcentajes de cemento asfaltico.
2.480
2.460
2.440
2.420
G mm
2.400
2.380
2.360
2.340
5.2 5.7 6.2 6.7 7.2 7.7 8.2
%CA
64
Determinación del contenido óptimo
Se ha encontrado que las curvas que representan las propiedades de las mezclas asfálticas
de granulometría densa son siempre semejantes unas a otras. Las características que se estudian
normalmente son las siguientes:
65
Figura 4-35 Acondicionamiento de probetas a 60°C
66
Figura 4-38 Diseño Marshall
Para la elección del contenido óptimo de asfalto, se recomienda como primer criterio de
selección elegir aquel contenido de asfalto correspondiente al 4% de vacíos de aire, y verificar
después que los parámetros volumétricos restantes se encuentren dentro de los rangos establecidos
por el método.
Para nuestro diseño vemos que un porcentaje de 6.4% de asfalto es el correspondiente al
4% de vacíos de aire; sin embargo, también se puede ver que la estabilidad Marshall para este
contenido de asfalto está en la rama descendente húmeda (a la derecha de la máxima estabilidad
67
Marshall); en cuanto al flujo, está muy cercano al límite máximo permitido, cosas que no son
deseables en el diseño de las mezclas. En base a las anteriores observaciones se decide utilizar un
porcentaje 6.3 como contenido óptimo de asfalto, el cual, cumple con los límites especificados.
A continuación se muestran los parámetros volumétricos del diseño Superpave.
68
Asfalto efectivo con respecto a la mezcla:
100
98
96
94
% de Gmm
92
90
88
86
84
82
80
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Número de ciclos
Figura 4-40 Densificación de los especímenes Superpave, llevados al número máximo de giros
La revisión del Nmax, es una prueba en la que la mezcla se somete a una energía de
compactación mayor a la utilizada para el diseño, simulando el efecto del tránsito de proyecto sobre
la mezcla. El hecho de que la Gmb de la mezcla después del Nmax no alcance el 98% de la Gmm,
indica que es una mezcla estable, resistente a la deformación permanente.
69
Comparando los métodos de diseño, se observa que la compactación giratoria produce
mayores densidades de las mezclas asfálticas compactadas; lo cual influye en los demás parámetros
volumétricos. También se puede observar que los vacíos de aire son mayores para las mezclas
elaboradas con el método Marshall.
Como se tiene más espacio intergranular en las mezclas elaboradas con el método
Marshall, se tienen valores más altos de VAM para estas probetas. Por la misma razón, Superpave
tiene mayores valores mayores de VFA, ya que se tiene menos espacio entre las partículas para
alojar el asfalto efectivo. En la tabla siguiente se muestran los contenidos óptimos para ambos
métodos.
Tabla 22 Resumen de los diseños
70
Así también, se encuentra en la bibliografía el Protocolo AMAAC 00/2008: Diseño de
Mezclas Asfálticas de Granulometría Densa de Alto Desempeño, la cual es una metodología
necesaria para diseñar una mezcla asfáltica que se utilice en la construcción de pavimentos para
carreteras en donde se desee obtener altos niveles de desempeño. Dicha publicación establece lo
siguiente:
La densidad de la mezcla compactada en campo deberá ser de al menos el 97%
del peso volumétrico de la mezcla compactada en el laboratorio y deberá de ser
medida con densímetro nuclear o electromagnético previamente calibrado en la
franja de prueba.
Por otro lado, en la bibliografía referente al tema, se encuentran algunas de las ventajas
como resultado de la compactación de pavimentos al 100 por ciento de la densidad de laboratorio,
dichas ventajas son observaciones que se han tenido en la práctica. A continuación se mencionan
algunas:
71
Tabla 23 Influencia del nivel de compactación en los parámetros volumétricos del diseño Marshall
Figura 4-41 Aumento de vacíos conforme disminuye el nivel de compactación en probetas Superpave
72
4.4. Elaboración de las mezclas y compactación para su estudio de
comportamiento
En el presente trabajo se analiza el comportamiento de las mezclas en pruebas de tensión
indirecta, susceptibilidad a la humedad, deformación permanente y fatiga en vigas. Para dichas
pruebas se fabricaron los especímenes siguiendo el método de mezclado descrito anteriormente y la
compactación de cada condición (95, 98 y 100, porcentajes de compactación) se realizó de la
siguiente manera.
Para las pruebas de tensión indirecta y susceptibilidad a la humedad se utilizaron probetas
con las siguientes dimensiones:
Tabla 25 Dimensiones de probetas para tensión indirecta y susceptibilidad a la humedad
73
de altura se efectúa continuamente, midiendo la posición del pistón antes y durante el ensayo. El
cambio vertical en la posición del pistón acompaña al cambio de altura en el espécimen.
Este cálculo supone que el espécimen es un cilindro de bordes lisos, lo cual, dista de ser
cierto. El volumen del espécimen es ligeramente menor que el volumen de un cilindro de bordes
lisos, pues la superficie es irregular. Esta es la razón por la cual la G mb estimada difiere de la medida
después de que termina la compactación y se ha enfriado el espécimen. Para corregir esta
diferencia, la Gmb estimada a cualquier número de giros es multiplicada por la relación entre al
gravedad especifica bruta medida y la gravedad especifica bruta estimada. De esta manera se
obtiene la gráfica siguiente, de donde se tomaron el número de giros necesarios para las condiciones
de 98 y 95 porciento de compactación.
74
Figura 4-44 Dosificación y mezclado de placas para deformación plástica
Por ultimo para la prueba de fatiga en vigas, se fabricaron placas con el compactador de
rodillo y después se cortaron las vigas de 6.3 cm de ancho, 38 cm de largo y 5 cm de alto.
75
Figura 4-46 Corte de placas para obtener vigas
76
Capítulo 5. Pruebas mecánicas y análisis de resultados
77
Para caracterizar el comportamiento de la mezcla asfáltica a la deformación permanente
se utilizó la Pista Española, conforme a la norma UNE-EN-12697-22:2008+A1.
Esta prueba consiste en someter una probeta de la mezcla asfáltica, al paso de una rueda
en condiciones determinadas de presión y temperatura, midiéndose periódicamente la profundidad
de la deformación producida.
El equipo consta de una cámara controlada termostáticamente que proporciona una
temperatura constante durante todo el ensayo, con una variación máxima de ± 1 °C. Cuenta con una
rueda metálica y dotada de una banda de rodadura de goma maciza de 50 mm de ancho y 20 mm de
espesor, con una dureza de 80 en la escala de Dunlop. La presión de contacto normalizada de la
rueda sobre la superficie de la probeta durante todo el ensayo, es de 900 ± 25 KN/m2. La
deformación que sufren los especímenes durante el ensayo se mide mediante un transductor
colocado en la misma posición de la rueda. El recorrido de ensayo es de 230 ±10 mm y una
frecuencia de 26.5 ± 1 ciclos de carga cada 60 s.
El ensayo se lleva a cabo a un temperatura de 60 ± 1 °C y una presión de contacto de 900
± 25 KN/m2, para todo tipo de mezclas y zonas climáticas. Existen dos tipos de prueba A y B, en la
tabla siguiente se muestran los parámetros para cada prueba.
Tabla 26 Configuración de la prueba
78
Tabla 27 Resultados del ensayo para diseño Marshall
20
18
16
14 95-1
Deformación, mm
12 95-2
10 96-1
8 98-1
6 98-2
4 100-1
2 100-2
0
0 2000 4000 6000 8000 10000
No. de ciclos
De los resultados anteriores se puede observarse que las mezclas compactadas al 100%
(Gmb=2.312), se deforman más lentamente y al termino de los 10 000 ciclos alcanzan una
deformación promedio de 14.98 mm. Para las mezclas compactadas al 98%, la deformación
promedio al termino de los 10 000 ciclos es de 17.65 mm, un 18% más respecto a la deformación de
las compactadas al 100%.
Para la mezcla compactada al 96%, se alcanza una deformación de 19.82 a los 7 000
ciclos. La deformación promedio de las mezclas compactadas al 100% a los 7 000 ciclos, es de
10.77 mm. Al compararlas se tiene un 84% más de deformación en mezclas compactadas al 96%
con respecto a las del 100%.
Por último, las mezclas compactadas al 95% alcanzan una deformación promedio de
19.69 mm a los 5 750 ciclos. Para las mezclas compactas al 100% a los mismos ciclos, se tiene una
deformación de 9.21 mm. La mezcla compacta al 95% tiene un 113% más de deformación con
respecto a la compactada al 100%.
Para el caso de las placas con el contenido óptimo Superpave, se fabricaron 7. Se analizó
el comportamiento de dos placas con 100%, una con 98%, dos con 96% y dos con 95% de
compactación. Los resultados se muestran en la siguiente tabla.
79
Tabla 28 Resultados del ensayo para diseño Superpave
20
18
16
14 95-1
Deformación, mm
12 96-2
10 96-1
8 98-1
6 100-2
4 100-1
2 95-2
0
0 2000 4000 6000 8000 10000
No. de ciclos
Haciendo el mismo análisis que se hizo con las palcas elaboradas con Marshall, se tienen
que las mezclas compactadas al 100% (Gmb=2.333), se deforman más lentamente y al termino de
los 10 000 ciclos alcanzan una deformación promedio de 14.74 mm. Para la mezcla compactada al
98%, la deformación promedio a los 9 750 ciclos es de 17.65 mm, un 20% más respecto a la
deformación de las compactadas al 100%.
Para las mezclas compactadas al 96%, se alcanza una deformación promedio de 19.82 a
los 7 500 ciclos. La deformación promedio de las mezclas compactadas al 100% a los 7 500 ciclos,
es de 12.21 mm. Al compararlas se tiene un 62% más de deformación en mezclas compactadas al
96% con respecto a las del 100%.
Por último, las mezclas compactadas al 95% alcanzan una deformación promedio de
19.77 mm a los 4 750 ciclos. Para las mezclas compactas al 100% a los mismos ciclos, se tiene una
deformación de 9.57 mm. La mezcla compacta al 95% tiene un 106% más de deformación con
respecto a la compactada al 100%.
Por otro lado, la mezcla en estudio compactada al 100%, presento un buen
comportamiento, pues la máxima profundidad de deformación permanente fue de 15 mm
80
aproximadamente la cual es menor a 20 mm, deformación permanente máxima para la prueba
realizada en la Pista Española.
Al comparar los resultados obtenidos en ambos métodos se observa una similitud, la
diferencia del contenido de asfalto en ambos diseños, para nuestro caso, no influyo en la
deformación permanente, pues se tiene valores muy cercanos. Cabe mencionar que la compactación
se realizó mediante el mismo método con el rodillo compactador en laboratorio.
81
Figura 5-5 Rueda apoyada en el espécimen
82
5.2. Comportamiento de las mezclas a la fatiga
Los materiales se pueden romper si se les aplica repetidamente un gran número de
solicitaciones cuya amplitud sea menor que su resistencia a la ruptura instantánea. Este fenómeno
de fatiga es muy importante en las construcciones, como por ejemplo la solicitación de los
materiales utilizados en vías debido al paso repetido de vehículos pesados. Una carga puede generar
micro-grietas en el pavimento, estas micro-grietas acumuladas con la repetición de cargas pueden
generar macro-grietas visibles.
Wöhler fue uno de los primeros científicos que se dedicaron a estudiar este fenómeno
hace unos 150 años. Gracias a esto y numerosas investigaciones sobre los metales, ya se tienen
conocimientos muy importantes al respecto; lo mismo debe de hacerse con los materiales utilizados
en la construcción de vías.
El comportamiento de la fatiga de un material consiste en someter una probeta a
solicitaciones repetitivas e idénticas para determinar el número de repeticiones que llevan a la
ruptura. La curva resultante se conoce como la curva de Wöhler.
El valor de la solicitación para la cual la probeta soportaría N ciclos antes de romperse se
llama resistencia a la fatiga. El número de ciclos antes de la ruptura se denomina duración de vida, y
su representación esquemática se muestra en la figura siguiente.
83
Existen dos clases de ensayos:
84
Figura 5-9 Configuración de la prueba
Determinar las dimensiones de altura, ancho y largo de cada uno de los especímenes con
una precisión de 0.01 mm.
Se acondiciona la muestra a una temperatura de 20 ± 0.5°C durante dos horas para asegurar
que la muestra este a la temperatura requerida antes de iniciar la prueba.
Una vez ambientada la probeta, se abre las abrazaderas y se coloca la probeta en su
posición. Cuando la muestra y las abrazaderas están en su posición correcta, se aplica una
presión suficiente para mantener la muestra en su lugar.
Ya fija la probeta, se ajusta el sensor de deformación con una lectura cercana a cero.
El paso siguiente es la configuración de la prueba. Mediante el software se indica la
amplitud de deformación, la frecuencia de carga y el criterio de fin del ensayo; el criterio de
fin de ensayo puede ser un número de ciclos o cuando la rigidez inicial se reduce al 50%,
cuando la muestra alcanza el 50% de la rigidez inicial o menos, se considera por norma que
la probeta ha fallado por fatiga.
A partir del ensayo experimental se puede determinar los siguientes parámetros:
Tensión de tracción máxima (Pa)
Donde:
P: carga aplicada por el actuador, en N
b: promedio del ancho de la muestra, en m
h: promedio de la altura de la muestra, en m
Deformación máxima a la tracción (m/m)
Donde:
85
: Máxima deflexión en el centro de la viga, en m
a: el espacio entre las piezas de su interior, 0.357/3 m, (0.119m)
L: longitud de la barra entre las piezas de exterior, 0.357
La rigidez a la flexión (Pa)
Promedio
Duración
Rigidez Rigidez de la Promedio
% de de vida.
Viga Gmb compactación
inicial final rigidez del No.
No.
(MPa) (MPa) inicial Ciclos
Ciclos
(MPa)
M-100-1 2.302 99.56 1214.63 601.62 184012
1502.15 182502
M-100-2 2.322 100.44 1789.68 936.96 180992
M-98-1 2.262 97.83 1209.93 599.76 43000
1173.74 125001
M-98-2 2.260 97.74 1137.55 522.11 207002
M-95-1 2.208 95.49 1332.33 526.49 68758
1080.46 64612
M-95-2 2.204 95.35 828.59 409.25 60466
86
1600
1500
1400
1300
Rigidez (MPa)
1200
1100
1000
900
800
100 99 98 97 96 95 94
%Gmb
Figura 5-10 Perdida de la rigidez inicial conforme disminuye el nivel de compactación en diseño Marshall
Se observa que hay dispersión en los resultados, lo cual como ya se había mencionado es
una característica inherente al fenómeno de la fatiga. Para poder hacer una conclusión solamente se
tomara en cuenta el promedio de la rigidez inicial y el promedio del número de ciclos.
Se observa que al disminuir el nivel de compactación disminuyen la rigidez inicial y la
duración de vida (número de ciclos necesarios para disminuir la rigidez de la muestra al 50%). Las
muestras compactadas al 98% pierden un 21.86% de la rigidez inicial y las muestras compactadas al
95% pierden un 28.07% de la rigidez inicial.
Para las mezclas elaboradas con el contenido óptimo de Superpave, se tienen los
siguientes resultados:
Tabla 30 Resultados obtenidos del ensayo para especímenes Superpave
Promedio
Duración
Rigidez Rigidez de la Promedio
% de de vida.
Viga Gmb compactación
inicial final rigidez del No.
No.
(MPa) (MPa) inicial Ciclos
Ciclos
(MPa)
S-100-1 2.332 99.94 1576.51 726.57 140010 1720.33 145005
S-100-2 2.327 99.75 1864.15 846.9 150000
S-98-1 2.280 97.74 1344.72 672.36 98000 1344.72 98000
S-95-1 2.217 95.04 1160.75 540.91 251015 949.58 178185
S-95-2 2.215 94.92 738.41 370 105355
87
2000
1800
1600
1400
Rigidez (MPa)
1200
1000
800
600
400
200
0
100 99 98 97 96 95 94
%Gmb
Figura 5-11 Perdida de la rigidez inicial conforme disminuye el nivel de compactación en diseño Superpave
88
5.2.2. Reporte fotográfico
89
Figura 5-14 Configuración de la prueba de fatiga
90
5.3. Comportamiento de las mezclas a la tensión por compresión
Se relaciona con el agrietamiento de la mezcla asfáltica, especialmente para bajas
temperaturas. La resistencia a la tensión es un buen indicador del potencial de agrietamiento. Una
deformación alta a la falla, indica que la mezcla asfáltica puede tolerar deformaciones altas antes de
fallar, lo cual significa que probablemente resistirá más al agrietamiento que una mezcla con una
deformación baja a la falla.
El ensayo de tensión indirecta consiste en aplicar una carga de compresión a lo largo de
los ejes diametrales del espécimen cilíndrico. La carga se aplica por medio de dos barras, debido a
la forma cilíndrica de la probeta; la carga de compresión produce un esfuerzo de tensión en el plano
que corresponde a los diámetros. Durante el ensayo, la carga y la deformación son registradas hasta
que ocurre la falla del espécimen.
91
4. Se aplica la carga a la probeta manteniendo la velocidad de deformación de 50.8
mm/minuto constante hasta que se rompa la probeta.
La resistencia a la tensión indirecta se calcula con la siguiente formula:
Donde:
RTI: resistencia a la tensión indirecta
P: carga máxima, kgf
h: altura del espécimen, cm
d: diámetro del espécimen, cm
π: 3.1416
% de
Carga máx. Resistencia a la
compa H D Desplazamient
Probeta Gmb de rotura tensión indirecta
ctación (mm) (mm) o vertical (mm)
(kgf) (kgf/cm2)
92
10.00
9.00
8.00
7.00
RTI (kgf/cm2) 6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
2.320 2.300 2.280 2.260 2.240 2.220 2.200 2.180 2.160
Gmb
Figura 5-17 Disminución de la RTI conforme disminuye el nivel de compactación en probetas Marshall
De los datos anteriores se obtienen los valores promedio para cada nivel de
compactación, quedando la siguiente tabla.
Tabla 32 Resumen de resultados de RTI Marshall
Resistencia a la % de RTI
Deformación
% de tensión respecto a
vertical
compactación indirecta la RTI
(mm)
(kgf/cm2) inicial
100 8.91 100.00 1.89
98 8.35 93.76 1.87
96 6.83 76.66 2.10
95 4.32 48.50 2.38
93
100
80
% de RTI (kgf/cm2) 60
40
20
0
100 99 98 97 96 95 94
%Gmb
De los datos anteriores puede verse como la resistencia a la tensión indirecta disminuye
conforme es menor el nivel de compactación. Una mezcla compacta al 98% de la Gmb, pierde un
6.24% de resistencia respecto a la Gmb de diseño; para una mezcla compactada al 95% de la Gmb,
la perdida es considerablemente mayor, se tiene una pérdida de 51.5%.
Por otro lado, también se observa que la deformación vertical aumenta conforme
disminuye el nivel de compactación y la resistencia a la tensión indirecta.
Para el caso de los especímenes compactados con el método Superpave, se tienen los
siguientes resultados.
Tabla 33 Resultados de los ensayos de Resistencia a la Tensión indirecta para el diseño Superpave
Carga Resistencia a
% de Desplazamien
H D máx. de compresión
Probeta Gmb compactació to vertical
n (cm) (cm) rotura diametral
(mm)
(kgf) (kgf/cm2)
100-1 2.324 99.60 91.30 149.85 2059.64 3.03 9.58
100-2 2.336 100.11 91.85 149.85 2050.35 2.99 9.48
100-3 2.312 99.09 92.70 149.85 1976.56 2.97 9.06
98-1 2.301 98.64 92.90 149.85 2000.53 3.23 9.15
96-1 2.241 96.07 92.40 149.85 1519.14 3.90 6.98
96-2 2.233 95.71 92.70 149.85 1404.17 3.52 6.44
95-1 2.225 95.35 92.20 149.85 1299.21 4.01 5.99
95-2 2.216 95.00 92.80 149.85 1274.24 3.71 5.83
94
10.00
9.00
8.00
RTI (kgf/cm2)
7.00
6.00
5.00
4.00
2.338 2.318 2.298 2.278 2.258 2.238 2.218 2.198
Gmb
Figura 5-19 Perdida de la RTI conforme disminuye el nivel de compactación en probetas Superpave
Resistencia %
a respecto a Deformación
% de
compresión la vertical
compactación
diametral resistencia (mm)
(kgf/cm2) inicial
100 9.38 100 3.00
98 9.15 97.58 3.23
96 6.71 71.57 3.71
95 5.91 63.04 3.86
95
110
100
90
%RTI (kg/cm2)
80
70
60
50
40
100 99 98 97 96 95 94
%Gmb
De la misma manera que ocurre con las probetas compactadas con el método Marshall, la
resistencia a la tensión indirecta disminuye conforme es menor el nivel de compactación. Una
mezcla compacta al 98% de la Gmb, pierde un 2.42% de resistencia respecto a la Gmb de diseño;
para una mezcla compactada al 95% de la Gmb, la perdida es considerablemente mayor, se tiene
una pérdida de 36.96%. Así también, la deformación vertical aumenta conforme disminuye el nivel
de compactación y la resistencia a la tensión indirecta.
Al comparar ambos métodos de compactación, se observó que es menor la pérdida de
resistencia a la tensión indirecta, debida al nivel de compactación, de los especímenes compactados
por la metodología de Superpave.
96
Figura 5-22 Ruptura de probeta Marshall, ensayada a Tensión indirecta
97
Figura 5-24 Configuración de la prueba de Tensión indirecta en especímenes Superpave
98
Figura 5-26 Zona de falla de probetas Superpave
99
fricción que producen los neumáticos de los vehículos, forman la emulsión asfáltica, lo que
ocasiona el desprendimiento entre el asfalto y el agregado.
Congelamiento del agua atrapada en la mezcla: otra posible causa por la que el asfalto se
despega del agregado consiste en el congelamiento del agua que queda atrapada en la
mezcla, pues ésta, al incrementar su volumen, rompe la cohesión entre las moléculas del
asfalto.
Polaridad: el asfalto es una mezcla de diversos compuestos orgánicos, generalmente
hidrocarburos de distintos pesos moleculares y estructuras químicas, por lo que el mismo es
un material no polar (no conduce la electricidad) en comparación del agregado, que es
totalmente polar. A pesar de esta no polaridad del asfalto, algunos tipos contienen ciertos
ácidos carboxílicos que le proporcionan una ligera carga negativa, los cuales, al estar en
contacto con agregados ácidos (silicosos) cargados negativamente, generan una alta
repulsión en la superficie, lo que explica que se desprendan con mucha facilidad del
agregado en presencia del agua. Debido a esto, existen sustancias como la cal que cambia la
carga del agregado para formar el enlace químico, y sustancias que tienen una parte no
polar afín al agregado, con la misma finalidad; estos aditivos son llamados “aditivos
promotores de adhesividad” o “aditivos antistripping”.
Para evaluar el daño de la humedad en las mezclas asfálticas existen diversos métodos.
Los más utilizados en la mayoría de los países son:
100
3º C por un periodo de 16 ± 1 horas para su curado. Después del curado, se sube la temperatura a
temperatura de compactación ± 3º C durante 120 ± 10 minutos. Transcurrido ese periodo la mezcla
se compacta hasta alcanzar un volumen de vacíos (Va) de 7,0 ± 0,5%.
2. Acondicionamiento de los especímenes
- Se separan los especímenes en dos grupos. Se debe procurar que los vacíos de aire
promedio de ambos grupos sean aproximadamente iguales. Uno de los dos grupos de
especímenes se acondiciona.
- El acondicionamiento consiste en saturar los especímenes entre el 70 y 80%.
- Se cubre ajustadamente cada espécimen parcialmente saturado con la película de plástico.
Posteriormente se coloca cada espécimen cubierto, en una bolsa de plástico que contenga
10 ± 0.5 ml de agua y se sella la bolsa. Se colocan las bolsas que contienen los especímenes
en el refrigerador a una temperatura de -18 ± 3º C por un periodo mínimo de 16 horas.
- Después del periodo dentro del refrigerador, se extraen los especímenes y se colocan en un
baño de agua potable a 60 ± 1º C por un periodo de 24 ± 1 hora. Tan pronto como sea
posible, después de colocar los especímenes en el baño, se retira la bolsa y la película de
plástico de cada espécimen.
- Después de la inmersión de 24 horas, se retiran los especímenes y se colocan en otro baño a
25 ± 0.5º C por un periodo de 120 ± 10 minutos.
3. Ensaye de los especímenes
- Después del periodo de acondicionamiento se retiran los especímenes y se ensayan; en
cuanto a los especímenes del otro subgrupo, solamente se mantienen a 25° C durante dos
horas y se ensayan.
- Con lo anterior se obtiene un valor promedio de la fuerza por unidad de área para los dos
grupos. También se obtiene el valor de relación de fuerza de tensión indirecta (RST)
dividiendo el valor promedio de ambos especímenes; este valor debe de ser mayor a 80%
para que la mezcla sea resistente a los daños causados por la humedad.
Donde:
RST: es la relación de resistencia a la tensión
S1: es la resistencia a la tensión por medio de la muestra sin acondicionamiento,
en kgf/cm2
S2: es la resistencia a la tensión por medio de la muestra acondicionada, en
kgf/cm2
101
Tabla 35 Grupo A, sin acondicionamiento y ensayados a 25°C
% de Resistencia a la
Núm. Carga máx. Desplazamien
compactació H D tensión
Probet Gmb de rotura to vertical
n (mm) (mm) indirecta
a (kgf) (mm)
(kgf/cm2)
100-2 2.295 99.28 64.05 101.63 802.44 1.88 7.85
100-4 2.316 100.16 62.51 101.46 860.76 1.63 8.64
100-8 2.313 100.06 63.60 101.60 884.27 1.57 8.71
98-3 2.251 97.37 65.88 101.71 841.90 1.87 8.00
98-4 2.284 98.79 63.98 101.50 993.43 1.58 9.74
98-6 2.258 97.66 64.88 101.63 868.38 1.67 8.38
96-3 2.250 97.33 66.66 101.55 874.75 2.12 8.23
96-5 2.222 96.11 66.90 101.59 845.94 1.69 7.92
96-6 2.223 96.16 67.14 101.53 652.75 1.99 6.10
95-3 2.203 95.30 68.83 101.65 730.46 2.07 6.65
95-4 2.198 95.07 68.56 101.68 689.18 2.12 6.29
95-6 2.202 95.23 68.15 101.60 794.08 1.68 7.30
% de Resistencia a la
Núm. Carga máx. Desplazamien
compactació H D tensión
Probet Gmb de rotura to vertical
n (mm) (mm) indirecta
a (kgf) (mm)
(kgf/cm2)
100-3 2.289 98.98 63.20 101.45 829.11 2.25 8.23
100-6 2.318 100.24 62.19 101.61 762.66 2.03 7.68
100-7 2.295 99.28 64.50 101.60 725.82 1.88 7.05
98-1 2.272 98.27 64.11 101.66 778.62 1.86 7.61
98-2 2.248 97.22 64.59 101.69 730.18 2.12 7.08
98-5 2.268 98.08 64.48 101.68 672.93 2.17 6.53
96-1 2.243 97.01 65.76 101.56 713.84 1.92 6.80
96-2 2.225 96.22 66.32 101.48 697.23 2.59 6.60
96-4 2.229 96.40 66.62 101.70 663.15 1.85 6.23
95-1 2.204 95.34 68.28 101.64 500.68 1.99 4.59
95-2 2.196 94.97 67.88 101.68 554.80 2.33 5.12
95-5 2.199 95.09 66.23 101.65 481.88 2.55 4.56
Graficando los datos de ambas tablas en un mismo gráfico, se observa la perdida de resistencia a la
tensión indirecta, entre ambos grupos.
102
10.00
9.00
8.00
RTI (kg/cm2)
7.00
6.00
5.00
4.00
2.340 2.320 2.300 2.280 2.260 2.240 2.220 2.200 2.180
Gmb
Utilizando los valores promedio, se tiene que la perdida de resistencia por tensión directa
es la siguiente.
103
100
95
90
85
RST
80
75
70
65
100 99 98 97 96 95 94
% Gmb
Figura 5-28 Aumento de la susceptibilidad a la humedad conforme disminuye el nivel de compactación en especímenes
Marshall
% de Carga Resistencia
Desplazamien
Núm. compactac H D máx. de a la tensión
Gmb to vertical
Probeta ión (mm) (mm) rotura indirecta
(mm)
(kgf) (kgf/cm2)
100-1 2.301 98.61 93.40 149.85 2123.42 4.07 9.66
100-3 2.331 99.90 92.70 149.85 1957.43 2.73 8.97
98-1 2.282 97.81 93.78 149.85 1992.83 3.10 9.03
98-3 2.296 98.42 93.70 149.84 2330.53 2.80 10.57
97-1 2.260 96.89 94.38 149.86 2006.44 2.87 9.03
97-3 2.279 97.67 94.38 149.90 1968.24 3.08 8.86
95-2 2.203 94.43 93.40 150.44 1659.80 3.93 7.52
95-4 2.219 95.12 91.70 149.85 1696.82 3.30 7.86
104
Tabla 39 Grupo D, con acondicionamiento y ensayadas a 25°C
% de Carga Resistencia a
Núm. Desplazamien
compactació H D máx. de la tensión
Probet Gmb to vertical
n (mm) (mm) rotura indirecta
a (mm)
(kgf) (kgf/cm2)
100-2 2.314 99.21 90.50 149.85 1591.09 3.73 7.47
100-4 2.304 98.75 91.80 149.85 1673.87 3.36 7.75
98-2 2.294 98.31 94.05 149.9 1640.21 4.17 7.41
98-4 2.284 97.91 94.23 149.78 1796.44 3.67 8.10
97-2 2.271 97.36 94.68 149.8 1418.50 3.90 6.37
97-4 2.268 97.21 94.40 149.85 1445.38 3.89 6.50
95-1 2.217 95.01 92.54 149.95 1068.79 4.41 4.90
95-3 2.214 94.92 93.20 149.93 1175.79 3.67 5.36
Graficando los datos de ambas tablas en un mismo gráfico, se observa la perdida de
resistencia a la tensión indirecta, entre ambos grupos.
11
10
9
RTI (kg/cm2)
4
2.340 2.320 2.300 2.280 2.260 2.240 2.220 2.200 2.180
Gmb
Utilizando los valores promedio, se tiene que la perdida de resistencia por tensión directa
es la siguiente.
Tabla 40 Resumen de Susceptibilidad a la Humedad en probetas Superpave
105
85
80
%RST
75
70
65
100 99 98 97 96 95 94
% Gmb
Figura 5-30 Aumento de la Susceptibilidad a la humedad conforme disminuye el nivel de compactación en especímenes
Superpave
Para un 100% se tiene un RST= 81.68%. El 100% tienen un RST mayor al 80%, por lo
tanto es resistente a los daños inducidos por la humedad.
Con un 98% de la Gmb se tiene un RST=77%, que es 6.0% menor respecto al RST para
el 100% de la Gmb. El valor del RST para esta condición, es muy cercano al mínimo. De usarse
esta mezcla, se tiene que considerar como elevar la resistencia de la susceptibilidad a la humedad o
modificar el diseño.
Para la condición del 95% de la Gmb, se tiene un RST=66.5%, menor al mínimo, para
esta condición, la mezcla es más susceptible a los daños inducidos por la humedad. Además el RST
para el 95% de la Gmb es un 18.9% menor respecto al obtenido para 100% de la Gmb.
Se puede observar que la mezcla compactada con el contenido óptimo de Superpave, es
más susceptible a la humedad, situación producto de que para Superpave el contenido óptimo de
asfalto es menor respecto al Marshall. El hecho de que Superpave tenga un contenido menor de
asfalto, implica que la película de asfalto que envuelve a las partículas de agregado pétreo sea más
delgada y se tenga una mayor interacción entre el agua y agregado pétreo; así también, una menor
cohesión entre las partículas.
El hecho de que Superpave tenga una mayor densidad que la Marshall, es producto del
tipo de compactación, lo que da lugar a una menor cantidad de asfalto para cumplir las
especificaciones volumétricas.
106
5.4.2. Reporte fotográfico
Figura 5-32 Saturación de las probetas, como parte del acondicionamiento para el ensayo de Susceptibilidad a la
humedad
107
Figura 5-33 Especímenes Superpave durante el ciclo de congelamiento a -18°C
108
Figura 5-35 Especímenes Superpave durante el ciclo de descongelamiento a 60°C
109
Figura 5-37 Apariencia de los especímenes Marshall después del ciclo de congelamiento
110
Capítulo 6. Conclusión y líneas de investigación
El diseño mediante el método Marshall, resulto con un contenido de asfalto óptimo mayor
(3%) y un peso específico menor (0.9%), comparado con el contenido óptimo del diseño
Superpave.
Los Vacíos de Aire (Va), son mayores en el diseño Marshall, situación que trae consigo un
porcentaje mayor de Vacíos en el Agregado Mineral (VAM) y un porcentaje menor de
Vacíos Llenos con Asfalto (VFA), al compararlos con el diseño Superpave.
En ambos diseños se dosifico (el agregado pétreo y asfalto) y mezclo de la misma forma. El
método de compactación es el que provoca las diferencias de resultados entre ambos
métodos.
La tecnología desarrollada por Superpave, para compactar en laboratorio, está enfocada a
simular de mejor manera la compactación de campo. Esta situación trae como consecuencia
equipos sofisticados y costosos comparados con la tecnología desarrollada por Marshall.
Así también, el control de calidad en campo con la tecnología de Superpave se complica,
porque es difícil llevar los equipos a campo.
Superpave controla en campo el peso volumétrico, granulometría y contenido de asfalto
mientras que el método Marshall adicionalmente controla la estabilidad y el flujo. Ambos
tienen cuidado de las temperaturas de mezclado, colocación y compactación
Respecto al nivel de compactación
111
El valor de la Gmb llevada al Nmax, para las mezclas estudiadas, es un valor que garantiza
una mezcla estable; es decir, con una alta resistencia a la deformación permanente. Esta
situación se comprueba con los ensayos en la Rueda de Pista Española; para especímenes
compactados al 100% de la Gmb de proyecto, no se alcanza la deformación máxima
permitida en la norma.
Una mezcla compactada al 95% de la Gmb de proyecto, disminuye poco más del 50% su
desempeño; es decir, la mitad de ciclos que resistiría la mezcla compactada al 100% del
proyecto.
La diferencia de contenido de asfalto, la cual era muy poca, no provoco gran diferencia de
resultados entre los dos contenidos óptimos, pero si se manifiesta.
112
La compactación recomendada es al 100% del Gmb, lo cual se logra teniendo un alto
control de calidad en el proceso de fabricación de la mezcla y en la construcción.
Futuras líneas de investigación
Para poder lograr una mayor certeza del comportamiento de las mezclas compactadas en un
rango de 100% al 95% de la Gmb de proyecto se puede realizar un trabajo más extenso que
el presentado en esta tesis. Algunas de las condiciones a estudiar en ese trabajo más extenso
serían las siguientes:
o Estudiar con más de un material pétreo, considerando los materiales más utilizados
en la pavimentación en el país.
o Estudiar con asfaltos que se consideren que tendrán un desempeño satisfactorio
para diferentes zonas climáticas en el país.
o Utilizar varias curvas granulométricas, por ejemplo una fina, otra gruesa y una
intermedia, verificando que cumplan con las zonas establecidas por normas.
Es importante también saber la repercusión económica que se tendría al elevar el nivel
mínimo de compactación, comparando la mejora de desempeño en el costo global
actualizado de tramos carreteros bien compactados respecto de aquellos que se encuentre en
el mínimo especificado.
113
Capítulo 7. Bibliografía
114
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116
Anexo: Control recomendado de la colocación y
compactación de mezclas asfálticas en campo.
Algunas recomendaciones que deben de tener en cuenta para la compactación de las
mezclas asfálticas son:
117
Compactación inicial (cerrado de la mezcla): la primera pasada de la compactadora
sobre la carpeta recién colocada.
Compactación intermedia: todas las pasadas siguientes de la compactadora para obtener
la densidad requerida antes de que la mezcla se enfríe por debajo de la temperatura
requerida de acuerdo al equipo empleado.
Compactación final: la compactación efectuada solo para mejorar la superficie mientras
la mezcla todavía está lo suficientemente caliente para permitir la eliminación de
cualquier marca de la compactadora.
La colocación de la mezcla asfáltica en caliente puesta con una pavimentadora (terminadora
o finisher) debe de hacerse a una temperatura adecuada, no debe dejarse vaciar la tolva y
debe de hacerse con una sincronización entre la colocación e inicio de compactación. La
pavimentadora es una máquina automotriz diseñada para colocar mezcla asfáltica uniforme,
con un espesor determinado y para proporcionar una compactación preliminar de la carpeta.
Los rodillos lisos deben de ser de peso adecuado que eviten el desplazamiento; así también,
deben de tener un diámetro adecuado para el acomodo inicial. Este tipo de rodillo puede
utilizarse en la compactación inicial, en la intermedia y en la final. Es necesario revisar que
las cuchillas raspadoras y las barras rociadoras de agua se hallen en buen estado para que no
se pegue la mezcla a las ruedas ni queden desperfectos en el acabado.
Los compactadores de neumáticos (de llantas) pueden usarse para dos tipos de
compactación: para la compactación intermedia y para el alisado final de la superficie. La
acción amasadora del compactador de llantas puede conseguir el mismo grado de
compactación que se logra con los compactadores de rodillo liso.
Para el uso de vibro compactadores, la frecuencia y la velocidad de la compactadora deben
de ser iguales, de tal manera que se produzcan 30 impactos de vibración por cada metro de
recorrido. el control de la amplitud permite al operador variar la fuerza desarrollada en la
rueda, regulando de esta manera la energía impartida. Es muy importante que la
compactadora este vibrando solo cuando está en movimiento. Si las vibraciones continúan
cuando la compactadora está en reposo, o cuando está cambiando de dirección, cada rueda
vibratoria dejará huella en el pavimento.
El control de campo, para cada método de diseño es el siguiente:
Superpave: revisión del % de cemento asfaltico, granulometría de proyecto y peso
volumétrico en el lugar.
Marshall: revisión de % de cemento asfaltico, granulometría, peso volumétrico en el
lugar y testigos de muestreos representativos; determinación de estabilidad y flujo.
Adicionalmente para el caso de Superpave, pueden hacerse probetas Marshall con el
fin de controlar la estabilidad y flujo del diseño Superpave y tener mayor certeza de los
trabajos realizados en campo.
Debe tenerse un historial de la variación del % de cemento asfaltico, granulometría y
densidad en los tramos colocados como parte del control de calidad con la finalidad de
corregir y afinar la colocación en los tramos siguientes.
118
ecuaciones de sus definiciones físicas. Luego se incorporan los contornos para
estabilidad y flujo, para los valores de especificación, trazados a partir del mapeo de
resultados de ensayos a compresión realizados en familias de especímenes elaborados
con energía de compactación variable, en un amplio rango de contenidos de asfalto. La
combinación de todos estos trazos genera un área de aceptación definida como la región
más grande de posibles combinaciones de CA y Gmb donde se cumplen todas las
especificaciones. A continuación se muestra un ejemplo de un lote controlado.
119