CAPITULO 3 Desarrollo del método de diseño Superpave

CAPITULO 3 Desarrollo del método de diseño

Superpave

3. Desarrollo del método de diseño Superpave En práctica de diseño de mezclas asfálticas se ha recurrido a diferentes

métodos para establecer un diseño óptimo en el laboratorio correlacionado con

el comportamiento de las mezclas en campo. Comúnmente los más utilizados

son el método Marshall en México y Superpave en Estados Unidos de Norte

América; siendo el primero el más común en la práctica mexicana.

La práctica actual del diseño de mezclas asfálticas deja ver la importancia de

lograr propiedades volumétricas adecuadas en la carpeta asfáltica terminada,

ya que de esto depende en gran medida el desempeño de la superficie de

rodamiento en su vida de servicio. De ahí, la trascendencia de simular de

manera adecuada en el laboratorio la densificación que ocurre en campo bajo

la acción vehicular, y de esta forma llegar a fórmulas de trabajo que permitan

dosificar mezclas que exhiban un mejor comportamiento en condiciones

específicas de tránsito y clima.

El objetivo que se busca a lo largo de este capitulo es mostrar de manera clara

y detallada lo correspondiente al diseño del método Superpave. Así también se

requiere del conocimiento de cierta terminología y fórmulas, las cuales, son

esenciales para realizar el diseño volumétrico.

Un adecuado diseño de mezcla asfáltica depende principalmente de la

selección de los materiales y de las propiedades volumétricas de la mezcla

compactada. Como se muestra a continuación en la siguiente figura 3.1 la

mezcla asfáltica compacta tiene básicamente tres componentes agregados,

asfalto y aire.

Figura 3.1 Parámetros de diseño volumétrico

Va

VmaVfa

Vb

Vmb

Vba

Vmm

Vsb

Vse

Figura 3.2 Diagrama de los componentes de una mezcla asfáltica compactada

Donde:

Vma = volumen de vacios en agregado mineral

Vmb = volumen total de la mezcla asfáltica

Vmm = volumen de la mezcla asfáltica sin vacios

Vfa = volumen de vacios llenados con asfalto

Va = volumen de vacios de aire

Vb = volumen de asfalto

Vba = volumen de asfalto absorbido

Vsb = volumen de agregado mineral (gravedad especifica de la masa)

Vse = volumen de agregado mineral (gravedad efectiva)

A continuación se definen las formulas volumétricas fundamentales.

Gravedad específica neta, Gsb.– Proporción de la masa al aire de una unidad

de volumen de un material permeable (incluyendo vacíos permeables e

impermeables del material) a una temperatura indicada, con respecto a una

masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una

temperatura indicada (Figura 3.1).

..........(3.1)

Donde:

G sb = gravedad específica neta para el agregado total

P1, P2, Pn = porcentajes individuales por masa de agregado

G1, G2, Gn = gravedad específica neta individual del agregado

La gravedad específica neta del filler es difícil de determinar correctamente. De

cualquier modo, si la gravedad específica aparente del filler es estimada, el

error es usualmente insignificante.

Gravedad específica aparente, Gsa.– Proporción de la masa en aire de una

unidad de volumen de un material impermeable a una temperatura indicada,

con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua

destilada a una temperatura indicada (Figura 3.1 ).

..........(3.2)

Donde:

G sb = gravedad específica neta para el agregado total



Gravedad específica efectiva, Gse – Proporción de la masa en aire de una

unidad de volumen de un material permeable (excluyendo vacíos permeables

de asfalto) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de

igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura

indicada (Figura 2.1).

..........(3.3)

Donde:

G se = gravedad específica efectiva del agregado

Gmm = gravedad específica teórica máxima (ASTM D 2041/AASHTO T

209) de mezcla de pavimento (sin vacíos de aire)

Pmm = porcentaje de masa del total de la mezcla suelta = 100

P b = contenido de asfalto con el cual ASTM D 2041/AASHTO T 209 desarrolló

el ensayo; el porcentaje por el total de la masa de la mezcla

Gb = gravedad específica del asfalto

Vacíos en el agregado mineral, VAM.– Volumen de espacio vacío

intergranular entre las partículas del agregado de una mezcla asfáltica

compactada, que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo,

expresado como un porcentaje del volumen total de la muestra (Figura 3.2).

..........(3.4)

Donde:

VAM = vacíos en el agregado mineral (porcentaje del volumen neto)

Gsb = gravedad específica neta del total de agregado

Gmb = gravedad específica neta de la mezcla asfáltica compactada

(ASTM D 1188 O D 2726/AASHTO T 166)

Ps = contenido de agregado, porcentaje del total de la masa de la mezcla

asfáltica

O, si la composición de la mezcla es determinada como el porcentaje de la

masa del agregado:

..........(3.5)

Donde:

Pb = contenido de asfalto, porcentaje de la masa del agregado

Contenido de asfalto efectivo, Pbe.– Contenido de asfalto total de una mezcla

asfáltica, menos la proporción de asfalto absorbido en las partículas del

agregado.

Vacíos de aire, Va.– Volumen total de una pequeña bolsa de aire entre las

partículas cubiertas del agregado en una mezcla de pavimento compactado,

expresado como el porcentaje del volumen neto de la mezcla del pavimento

compactado (Figura 3.2).

..........(3.6)

Donde:

Va = vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total

Gmm = gravedad específica máxima de la mezcla asfáltica

Gmb =gravedad específica neta de la mezcla asfáltica compactada

Vacíos llenados con asfalto, VFA.-– Porción del porcentaje del volumen de

espacio vacío intergranular entre las partículas del agregado, que es ocupado

por el asfalto efectivo. Se expresa como la porción de (VAM – V a) entre VAM.

(Figura 2.2).

El procedimiento de diseño de mezcla, calcula los valores de VAM para las

mezclas de pavimento en términos de la gravedad específica neta de los

agregados, Gsb.

..........(3.7)

Donde:

VFA = vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VAM

VAM = vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen total

Va = vacíos de aire en mezclas compactadas, porcentaje del volumen total

Gravedad específica máxima de la mezcla asfáltica - En el diseño de una

mezcla asfáltica para un agregado dado, se necesitará la gravedad específica

máxima, Gmm, para cada contenido de asfalto con el fin de calcular el

porcentaje de vacíos de aire para cada contenido de asfalto. Mientras que la

gravedad específica máxima puede determinarse para cada contenido de asfalto mediante ASTM D 2041/ASSHTO T 209; la precisión del ensayo es

mejor cuando la mezcla está cerca del contenido de asfalto de diseño. Además,

es preferible medir la gravedad específica máxima por duplicado o triplicado.

Después de calcular la gravedad específica efectiva del agregado para cada

gravedad específica máxima medida y promediando los resultados del Gse, la

gravedad específica máxima para cualquier otro contenido de asfalto puede

obtenerse con la siguiente ecuación, la cual supone que la gravedad específica

efectiva del agregado es constante. Esta es válida puesto que la absorción del

asfalto no varía apreciablemente con los cambios en el contenido de asfalto.

..........(3.8)

Donde:

Gmm = gravedad específica teórica máxima de la mezcla del pavimento (sin

vacíos de aire)

Pmm = porcentaje de la masa del total de la mezcla suelta = 100


Pb = contenido de asfalto, porcentaje del total de la masa de la mezcla

Gse = gravedad específica efectiva del agregado


Absorción del asfalto - La absorción se expresa como un porcentaje de la

masa del agregado, más que como un porcentaje del total de la masa de la

mezcla.

La absorción del asfalto Pba se determina mediante:

..........(3.9)

Donde:

Pba = asfalto absorbido, porcentaje de la masa del agregado

Gse = gravedad específica efectiva del agregado

Gsb = gravedad específica neta del agregado


A continuación se presenta el diagrama de flujo del Diseño Marshall vs

Superpave. En el cual se puede observar que la principal diferencia consiste en

la utilización del compactador giratorio y la inclusión de la prueba AASHOT-283

para determinar la susceptibilidad a la humedad de las mezclas asfálticas.

3.1 Trial Blend (Mezcla de Prueba) Con la finalidad de explicar de manera sistemática el proceso de diseño de la

mezcla por medio del método SUPERPAVE, se utiliza el programa del diseño

de mezclas del Instituto Americano del Asfalto. El proyecto seleccionado

corresponde a la Autopista México – Querétaro en la cual se utilizaron

materiales del banco El fresno y Palmillas.

Tabla 3.3 Agregados a utilizar para la mezcla.

Cost ($/ton)Aggregate 1 = Aggregate 2 = Aggregate 3 =

Grava 3/4-3/8 Fresno Arena 3/8-Finos Fresno

Arena 1/4-Finos Palmillas

Material Description

La tabla 3.4 nos muestra las propiedades granulométricas del agregado que es

la cantidad de agregado en porcentaje que pasa a través de las mallas, las

cuales tienen diferente configuración en relación a los tamaños de los orificios

en cada una de ellas (tamaño en mm y pg como se puede observar en el

costado izquierdo de la tabla 3.4). Esto se aplica para cada uno de los

agregados a utilizar en el diseño.

Tabla 3.4 Propiedades granulométricas de los materiales

Sieve Size

mm US Agg.1 Agg.2 Agg.3

50 2" 100.0 100.0 100.0

37.5 1 1/2" 100.0 100.0 100.0 25 1" 100.0 100.0 100.0

19 3/4" 96.0 100.0 100.0

12.5 1/2" 53.0 100.0 100.0

9.5 3/8" 17.0 100.0 100.0

4.75 #4 1.0 86.0 100.0

2.36 #8 1.0 67.0 76.0

1.18 #16 1.0 50.0 50.0

0.6 #30 1.0 37.0 32.0

0.3 #50 1.0 26.0 21.0

0.15 #100 1.0 19.0 16.0

0.075 #200 1.0 12.0 13.0 Gsb* 2.663 2.567 2.430 Gsa* 2.668 2.786 2.697

En la tabla 3.5 se muestra un pequeño resumen de algunas pruebas de calidad

realizadas a los agregados, tomando en cuenta la especificación la cual

depende principalmente del número de ejes equivalentes.

A su vez nos encontramos con dos tipos de propiedades: propiedades de

consenso y propiedades de origen. La primer propiedad fue llamada de

consenso pues hubo un consenso de expertos viales los cuales dictaron que

ciertas características de los agregados fueran consideradas críticas e

imprescindibles variando en función del nivel de tránsito y de la posición de los

agregados en la mezcla. Para la segunda propiedad los expertos pe había

otras características críticas de los agregados. Sin embargo no pudieron

acordar valores críticos para esas propiedades pues dichos valores son

específicos de cada fuente de origen.

Tabla 3.5 Propiedades físicas de los materiales.

Nomenclatura correspondiente a la Tabla 3.5

CAA 1FF: Cantidad de agregado con una sola cara fracturada.

CAA 2FF: Cantidad de agregado con dos caras fracturadas.

FAA: Angularidad del agregado fino.

F & E: Caras plana y elongadas.

SE: Equivalente de arena.

LA Wear: Abrasión del material.

Specific Gravity of Binder 1.0350

Enter 20 yr. design esals 25,000,000 Enter the depth to this lift. 100 mm

Gyratory Comp. LevelsNinitial Ndesign Nmax

8 100 160 Tabla 3.6 Niveles de Compactación giratoria para el número de ejes

equivalentes

Gravedad especifica de la Specific Gravity of Blinder mezcla

Cantidad de ejes equivalentes que circularan por la carretera durante su

Enter 20 yr. Design esals

periodo de diseño.

Enter the depth to this lift Grueso de la capa superficial

Los niveles de compactación se dividen en tres: Gyratoy Comp. Levels Nini (inicial), Ndes (diseño) y Nmax (máxima)

En el número de ejes equivalentes para esta mezcla es de 25,000,000 dicho

nivel de transito es utilizado para la determinación del número de giros de

diseño para la compactación.

Como se muestra en la Tabla 3.6 los niveles de compactación se dividen en

tres Nini (número inicial de giros), Ndes (número de giros de diseño), Nmax

(número máximo de giros). Los cuales son explicados de forma detallada para

una mejor comprensión de los mismos.

Nini es un indicador del comportamiento del agregado y de las propiedades del

ligante. La cantidad de giros iniciales de estar dentro de los 6, 7, 8 ó 9 giros

con un %Gmm@ Nini = 89% a 91.5%. Tomando en cuenta que una rápida

consolidación a un bajo número de giros es un indicador de que se trata de una

mezcla inestable.

Ndes es la densidad de diseño (compactación de rodillo + tráfico) determinada

por el número de ESAL los cuales van de 50-125.

Nmax es considerado un factor de seguridad para revisar que la mezcla no

tenga una densificación que produzca un deterioro en el pavimento tomando en

cuenta que el Nmax varia de 75 a 205 (al menos 2x Ndes) con un

%Gmm@Nmax=98%.

La Tabla 3.7 que se muestra a continuación ejemplifica lo que es una mezcla

de prueba (Trial Blend) por medio del ensayo de prueba y error. Para

seleccionar la estructura del agregado se calcula la granulometría individual de

los materiales (sección amarilla). La granulometría de la mezcla es comparada

con los requerimientos de especificación para los tamices correspondientes.

Las pruebas consisten en variar el porcentaje de cada agregado de las pilas de

acopio para obtener mezclas que satisfagan los requerimientos

granulométricos esto se puede ver reflejado en la grafica perteneciente a la

Tabla 3.7 la cual esta estructurada por una línea intermedia de color rojo

llamada línea de máxima densidad la cual a su vez esta delimitada por unos

putos también de color rojo los cuales son llamados zona restringida. La zona

restringida evita el utilizar granulometrías que produzcan mezclas débiles que

presenten problemas de compactación. Se recomienda no tocar la zona

restringida al menos que se tenga experiencia en el uso de los materiales

empleados.

A continuación se muestra una grafica la cual ilustra las partes de la misma que

ya fueron mencionadas anteriormente en este párrafo. También debe tomarse

en cuenta que al variar el tamaño nominal de la mezcla, los valores mínimo y

máximo requeridos para los tamices de control, así como la zona restringida

cambian.

Cualquier granulometría propuesta para la mezcla de prueba debe pasar entre

los puntos de control establecidos sobro los cuatro tamices, y por fuera del área

restringida. Para una mezcla nominal de 19mm como es nuestro caso puede

intentarse cualquier número de mezclas de prueba, siendo tres el número

standard de mezclas.

Tabla 3.7 Mezcla de prueba Num.1 (Trial Blend #1)

Se realiza una segunda mezcla de materiales cambiando los porcentajes de los

agregados. El procedimiento es exactamente el mismo a la Tabla 3.7

mostrando en la gráfica una superposición del resultado de la gráfica anterior

con el nuevo resultado. De esta manera se puede observar de forma más clara

el comportamiento de la mezcla siendo la curva azul la mezcla correspondiente

a la Tabla 3.7 y la curva roja a la Tabla 3.8.


Se realiza una tercera mezcla de materiales cambiando los porcentajes de los

agregados. Con el mismo procedimiento que las dos mezclas de prueba

anteriores pudiéndose observar en la gráfica, el comportamiento de las tres

mezclas propuestas.


Como resultado de las mezclas de prueba se obtienen tres gráficas que

corresponden a una mezcla fina, una gruesa y una intermedia. En las mezclas

de prueba 1 y 3 se puede apreciar que pasan por debajo de la zona restringida.

Esto no es un requerimiento del programa pero no es recomendable tener

mezclas que pasen por arriba de la zona restringida como el caso de la mezcla

de prueba 2.

El siguiente paso es conocer sus contenidos de asfalto estimados para cada

una y fabricar dos especímenes para conocer sus propiedades volumétricas de

cada Mezcla de prueba (Trial Blend)

3.2 Selección de la Estructura de la Mezcla En esta sección se muestran los cálculos correspondientes para la

determinación del contenido de asfalto.

Tabla 3.10 Contenido inicial de asfalto

Para el contenido de asfalto se considera el Pb= 5%, Ps=95%, Gb=1.035, y

Va=4% como un valor predeterminado.

Donde:

Pb=es el porcentaje de ligante (se ha supuesto 0.05)

Ps= es el porcentaje de agregado (se ha supuesto 0.95)

Gb= gravedad especifica del ligane (se ha supuesto 1.035)

Va= es el volumen de vacios de aire (se fija un valor de 0.04 cm3/cm3)

Ejemplo referente al Trial Blend 1

Nota: Los Trial Blend siguientes referentes a la Tabla 3.10 se realizan de la

misma forma.

………(3.1)

Sustituyendo en la formula anterior

621.2

56.243

663.257

4357=

+

+=Gsb

Donde:

Gsb = gravedad específica neta para el agregado total.

P1, P2, Pn = porcentajes individuales por masa de agregado.

G1, G2, Gn = gravedad específica neta individual del agregado.

Gseinit = Gsb + 0.8(Gsa-Gsb) ………(3.10)


( ) 698.2663.2668.28.0621.2 =−+=Gseinit

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+

−=

GseGsbGsePs

GbPb

VaPsVbainit 11*)1( ………(3.11)


0249.0698.21

621.21*

698.295.0

035.105.0

)04.01(95.0=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+

−=Vbainit

Donde:

Vba= es el volumen absorbido del ligante.

Pb=es el porcentaje de ligante (se ha supuesto 0.05)

Ps= es el porcentaje de agregado (se ha supuesto 0.95)

Gb= gravedad especifica del ligane (se ha supuesto 1.035)

Va= es el volumen de vacios de aire (se fija un valor de 0.04 cm3/cm3)

Vbeint= 0.081 – 0.02931(ln(Sn)) ………(3.12)


[ ] 0897.0)75.0ln(02931.0081.0int =−=Vbe

Donde:

Sn= es el tamaño del tamiz máximo nominal de la mezcla de agregados (en

pulgadas).

Wsinit= {Ps x (1-Va)} / {(Pb/Gb) + (Ps/Gseinit)} ………(3.13)

278.2

698.295.0

035.105.0

)04.01(95.0=

+

−=Ws

Donde:

Ws= es el peso del agregado en gramos

WsVbaVbeGbVbaVbeGbPbinit

+++

=)(

)( ………(3.14)


%9.4278.2)0249.0089.0(035.1

)0249.0089.0(035.1=

+++

=Pbinit

Donde:

Pbi=es el porcentaje del ligante (en peso de la mezcla)

Ws= es el peso del agregado en gramos

Ya determinado el contenido de asfalto para cada uno de los Trial Blend se

realizaran dos especímenes para su compactación. El número de giros para la

compactación es determinado por el Ndes.

Tabla 3.11 Prueba de pastillas

Nomenclatura referente a la Tabla 3.11

DRY WT (peso seco de la mezcla). Para este caso se toma el valor tal cual se

lee en la báscula con una mezcla completamente seca.

SUB WT (peso sumergido de la mezcla). La mezcla es sumergida y se toma

directamente el peso.

SSD WT (peso superficialmente seco de la mezcla). La mezcla húmeda es

secada de forma superficial con una toalla y luego es pesada al igual que las

anteriores el peso es leído directo de la báscula.

Ejemplo para Trial Blend 1 A

Gmb @ Ndes se obtiene de la siguiente manera

………(3.15)


329.26.27421.4757

7.4692=

−=Gmb

Donde:

A = masa del espécimen al aire

B = masa del espécimen saturado, y superficialmente seco

C = masa del espécimen sumergido en agua

Ave @ Ndes Es el promedio de los dos Gmb @ Ndes correspondiente al Trial

Blend 1Ay 1B (mismo procedimiento para los otros Trial Blend).

327.22

325.2320.2=

+=ΘNdesAve

Sample in air = se toma directamente del peso de la mezcla suelta seca.

Sample & Bowl in H2O = al igual que la anterior se toma de forma directa al

pesar la muestra con el embase en agua.

Bowl in H2O = solamente se pesa el embase en agua.

El cálculo del Gmm se realiza de la siguiente manera:

………(3.16)


502.27.23269.13923.1552

3.1552=

−+=Gmm

Donde:

G = masa de la mezcla asfáltica (estado suelto)

H = masa del picnómetro + agua

I = masa del picnómetro + mezcla + agua

Ave Gmm es el promedio de los Gmm.

499.22

497.2502.2. =+

=GmmAve

La tabla 3.12 refleja las propiedades volumétricas de la mezcla para cada nivel

de compactación. Durante la compactación, la altura del espécimen es

continuamente monitoreada al finalizar la compactación se desmolda y se deja

enfriar para luego hacer la determinación de los datos que se muestran en la

misma.

Tabla 3.12 Datos para la densificación para la mezcla de prueba

A continuación se presentan los cálculos para el Trial Blen No 1 para los casos

2 y 3 se produce de manera similar.

Height @ Nini = altura del espécimen a los 8 giros esta es determinada por el

compactador giratorio.

Corr Factor este es un factor de corrección el cual será aplicado al Gmm @

Nini

Ave.Corr Gmb @ Nini es el promedio del Gmb @ Nini incluyendo el factor de

corrección

090.22

091.2090.2. =+

=ΘNiniCorrGmbAve

Para el valor de % Gmm @ Nini se requiere de las siguientes formulas:

100*% ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Θ

=ΘGmm

NiniGmbNiniGmm ………(3.17)


5.83100*499.2090.2% =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=ΘNiniGmm

Ave % Gmm @ Nini es el promedio del Gmm @ Nini correspondiente a los Trial

Blend 1y 2 de cada espécimen

6.832

7.835.83% =+

=ΘNiniGmmAve

Para el valor de % Gmm @ Ndes se requiere de la siguiente formula:

% Gmm @ Ndes = 100 – Va………(3.18)

100*⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=Gmm

GmbGmmVainitial o 100% - Ave % Gmm @ Ndes………(3.19)


9.6100*502.2

329.2502.2=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=Vainitial

1.939.6100% =−=ΘNdesGmm

Ave % Gmm @ Ndes es el promedio del Gmm @ Ndes

1.932

1.931.93% =+

=ΘNdesGmmAve

VMAinitial dicho valor se obtiene de la siguiente manera:

………(3.20)


6.15621.2

95*499.2*100

1.93

100 =−=VMA

Donde:






asfáltica

En la tabla 3.13 se calcula, para cada mezcla de prueba, el contenido de

ligante asfáltico estimado para alcanzar un 4% de vacíos de aire (96% de Gmm

para el Ndiseño).

Tabla 3.13 Contenido de ligante asfáltico

Ejemplo referente al Trial Blend 1

Nota: Los Trial Blend siguientes referentes a la Tabla 3.13 se realizan de la

misma forma.

([ initialinitialest VaPbPb −−= 4*4.0 )]

)]

………(3.21)


[ ] 1.6)9.64(*4.09.4 =−−=Pbest

([ initialinitialest VaCVMAVMA −+= 4* ………(3.22)


[ ] 01.15)9.64(*2.059.15 =−+=VMAest

C = constant = 0.1 si Va es menor a 4.0%

0.2 si Va es mayor a 4.0%

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

=est

estest VMA

VMAVFA

0.4*100 ………(3.7)


4.7301.15

0.401.15*100 =⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=estVFA

)4(%% VaNGmmNGmm inicialpruebaiicialestimada −−Θ=Θ ………(3.23)


5.86)9.64(5.83% =−−=Θ iicialestimada NGmm

( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

−=GsbGse

GsbGseGbPsPbPbe estest *** ………(3.24)


0.5621.2*698.2

)621.2698.2(*)035.1*95(10.6 =⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

−=estPbe

estest Pbe

PDP 075.0= ………(3.25)


1.10.5075.0 ==

PDPest

3.3 Diseño Volumétrico Un factor que debe ser tomado en cuenta al considerar el comportamiento de la

mezcla asfáltica, es el de las proporciones volumétricas del asfalto y de los

componentes del agregado; o más simplemente, parámetros volumétricos de la

mezcla asfáltica. Este capitulo describe el análisis volumétrico de HMA, el cual

juega un rol muy importante en muchos procedimientos de diseño de mezclas.

Las propiedades volumétricas de una mezcla de pavimento compactado

(vacíos de aire (Va); vacíos en el agregado mineral (VAM); vacíos llenados con

asfalto (VFA); y contenido de asfalto efectivo (Pbe) proporcionan una indicación

del probable funcionamiento de la mezcla asfáltica.

El procedimiento de diseño de mezcla, calcula los valores de VMA para las

mezclas de pavimento en términos de la gravedad específica neta de los

agregados, Gsb.

Los vacíos en el agregado mineral (VAM) y vacíos de aire (Va), se expresan

como un porcentaje del volumen de la mezcla asfáltica. Los vacíos llenos de

asfalto (VFA) son el porcentaje del VAM llenado con el asfalto efectivo.

Dependiendo de cómo se especifica el contenido de asfalto, el contenido de

asfalto efectivo puede ser expresado como un porcentaje de la masa total de la

mezcla asfáltica o como porcentaje de la masa del agregado de la mezcla

asfáltica.

Debido a que el vacío de aire, VAM y VFA son cantidades de volumen; una

mezcla asfáltica, primero debe ser diseñada o analizada sobre la base del

volumen. Para propósitos de diseño, este acercamiento volumétrico puede ser

fácilmente cambiado a valores masas, para proveer una mezcla de diseño.

La mezcla de prueba (Trial Blend) que se muestra a continuación es el

adecuado de acuerdo a las diversas pruebas de Trial Blend que se realizaron

en capítulos anteriores cabe resaltar que para esta selección se requiere de

mucha experiencia por parte del que esta realizando la prueba ya que depende

de su criterio la selección del Trial Blend para la obtención de una optima

mezcla.

El principio fundamental de la compactación giratoria y el diseño volumétrico se

muestra en el siguiente diagrama.

+Densidad del Lugar

Tráfico futuro

Densidad de diseño

Vacíos de Aire15-25% antes de compactar

6 - 9 % después de compactar

Vacíos de Aire3 - 5 % Marshall4% Superpave

En la siguiente sección se presenta el diseño volumétrico correspondiente a la

mezcla seleccionada (mezcla intermedia Trial Blend No 2).

En la Tabla 3.15 se muestra todo el análisis volumétrico realizado a la mezcla

de diseño así como las propiedades físicas de los materiales empleados.

Tabla 3.14 Trial Blend No.1 Datos Granulométricos y de Diseño

Tabla 3.15 Análisis volumetrico

A continuación se muestran de manera detallada la obtención de los datos

concentrados en la Tabla 3.16 las propiedades físicas de la mezcla de

materiales seleccionada.

Tabla 3.16 Propiedades Físicas

Prueba Realizada a la mezcla los valores de Dry Wt (peso mezcla seca), Sub

Wt (peso mezcla sumergida), SSD Wt (peso de la mezcla superficialmente

seca), dichos valores son obtenidos directamente de la bascula de la cual se

esta pesando la mezcla.

Tabla 3.17 Peso sumergido, Superficialmente Seco y Seco del Agregado

Grueso

Tabla 3.18 Peso sumergido, Superficialmente Seco y Seco del Agregado Fino

Ejemplo Specimen #1 para la obtención del Gsb y Gsa:

CBAGsb−

= ………(3.26)

Agregado Grueso


662.23.9537.1513

1492=

−=Gsb

Agregado Fino


567.26.15595006.1248

1.485=

−+=Gsb

CAAGsa−

= ………(3.27)

Agregado Grueso


77.23.9531492

1492=

−=Gsa

Agregado Fino


78.2)6.12486.1559(1.485

1.485=

−−=Gsa

Donde:

A = secada al horno

B = masa SSS

C = masa sumergida

DryWtSSDDryWtAbs

... −

= ………(3.28)

Agregado Grueso


%45.1100*1492

14927.1513=

−=Abs

Agregado Fino

07.3100*1.485

1.485500=

−=Abs

Valores obtenidos de realizar las actividades que se indican en cada renglón de

las tablas que se muestran.

Tabla 3.19 Determinación de la angularidad del agregado fino, así como forma

de la partícula del agregado grueso y densidades combinadas

Formula para la obtención de Gsb y Gsa para ambos casos se aplicara la

misma formula.

………(3.3)


626.2

567.243

663.257

4357=

+

+=Gsb

776.2

786.243

668.257

4357=

+

+=Gsa

Donde:

Gsb= Gsa = gravedad específica neta para el agregado total



Datos obtenidos de las tablas referentes al Trial Blend 1A y 1B.

Tabla 3.20 Contenidos de asfalto, gravedad máxima de la mezcla sin

compactador,

Pb dato proveniente de la Tabla 3.10 del Trial Blend 1

Gmm dato proveniente de la Tabla 3.11 Trial Blend 1A

Gb dato proveniente de la Tabla 3.10 del Trial Blend 1

GbPb

GmmPmm

PbPmmGse−

−= ………(3.29)


696.2

035.10.5

499.2100

0.5100=

−

−=Gse

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

= GbGsbGseGsbGsePba *

**100 ………(3.9)


03.1035.1*691.2*698.2691.2698.2*100 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=Pba

Tabla 3.21 Equivalente de arena

Tabla 3.22 Gravedad máxima de la mezcla suelta

En la Tabla 3.22 se toman los pesos directamente de la báscula como ya se ha

explicado anteriormente. Para el Gmm se requiere de la siguiente expresión.

………(3.16)


502.27.23269.13943.1552

3.1552=

−+=Gmm

Donde:

G = masa de la mezcla asfáltica (estado suelto)

H = masa del picnómetro + agua

I = masa del picnómetro + mezcla + agua

Ave Gmm es el promedio de los Gmm.

499.22

497.2502.2. =+

=GmmAve

Se procede a realizar ocho especímenes cada uno con diferente contenido de

asfalto y cualidades volumétricas como se muestra en la Tabla 3.23.

Mostrando los datos de entrada de cada uno de los especímenes, realizando

los pesajes de cada una de las pastillas en las condiciones que se indican en la

parte superior de la Tabla 3.23 las cuales ya se han explicado a lo largo de este

diseño de mezcla.

Tabla 3.23 Propiedades gravimétricas de las pastillas elaboradas con

diferentes tipos de asfalto

Nomenclatura referente a la Tabla 3.23

Pb = Porcentaje de asfalto.

DRY WT = Peso seco del espécimen.

SUB WT = Peso sumergido del espécimen.

Ht @ Nini = Altura del espécimen a los ocho giros.

Ht @ Ndes = Altura del espécimen a los cien giros.

Tabla 3.24 Propiedades volumétricas para los diferentes niveles de

compactación

xHDNiniGmbEst ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=Θ

4.

2π………(3.30)


012.25.124*4

)150(.2

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=Θ

mmNiniGmbEst π

( ) 1.

..+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

Θ−Θ

Θ=ΘNdesGmbMeas

GmbNdesEstNdesGmbMeasNiniEstGmbNiniCorrGmb ……(3.31)


11.21342.2

232.2342.2*)012.2( =+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=ΘNiniCorrGmb

NiniGmbrrpromedioCoNiniGmbAve Θ=Θ ..

107.22

102.2111.2. =+

=ΘNiniGmbAve

GmmNiniGmbNiniofGmm Θ

=Θ% ………(3.32)


%2.85100*474.2107.2% ==ΘNiniofGmm

xHDDRYWTEstGmbNdes

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

4

.2π

………(3.33)


232.22012

8.4425==EstGmbNdes

( )SUBWTSSDWTDRYWTNdesMeasGmb

−=Θ

. ………(3.34)


( ) 342.23.25659.4454

8.4425=

−=ΘNdesMeasGmb

NdesasGmbpromedioMeNdesGmbAve Θ=Θ.

338.22

333.2342.2. =+

=ΘNdesGmbAve

Sección de datos volumétricos Tabla 3.25 referente a los diferentes

especímenes.

Tabla 3.25 Resultados Volumétricos

Ejemplo referente a la Tabla 3.25

GbPb

GsePs

PmmGmm+

= ………(3.8)


474.2

035.16.5

696.24.94100

=+

=Gmm

Donde:

Gmm = gravedad especifica máxima de la mezcla

Pmm = porcentaje de masa floja en la mezcla100

Ps = agregado contenido en el total de la mezcla

Pb = contenido de asfalto del total de la mezcla

Gse = gravedad especifica de la mezcla

Gb = gravedad especifica del asfalto

………(3.6)


50.5474.2

338.2474.2*100 =−

=Va

Donde:

Va = vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total

Gmm = gravedad específica máxima de la mezcla asfáltica

Gmb =gravedad específica neta de la mezcla asfáltica compactada

………(3.4)


95.15626.2

95*338.2100 =−=VMA

Donde:






asfáltica

O, si la composición de la mezcla es determinada como el porcentaje de la

masa del agregado:

………(3.5)


20.15100*5100

100*626.2338.2100 =

+−=VMA

Donde:

P b = contenido de asfalto, porcentaje de la masa del agregado

………(3.7)


5.6595.15

50.595.15*100 =−

=VFA

Donde:

VFA = vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VAM

VAM = vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen total

Va = vacíos de aire en mezclas compactadas, porcentaje del volumen total

GbGseGsbGsbGsePba *

**100 −

= ………(3.9)


02335.1035.1*696.2*626.2626.2696.2*100 =

−=Pba

………(3.35)


( ) 63.46.5100*10002335.16.5 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −−=Pbe

Donde:

Pbe = porcentaje efectivo de asfalto

Pba = Porcentaje absorbido de asfalto por el agregado

Ps =

Pb = porcentaje de asfalto

………(3.25)


24.163.47.5==DP

Donde:

Dp = proporción de polvo

Pbe = contenido de asfalto efectivo

P0.075= porcentaje de agregado que pasa la malla número 0.075

3.4 Selección del contenido de asfalto

La práctica actual del diseño volumétrico de mezclas asfálticas, recomienda

como primer criterio de selección elegir aquel contenido de asfalto

correspondiente al 4 % de vacíos de aire (Va), y verificar después que los

parámetros volumétricos restantes se encuentren dentro de los rangos

establecidos por el método.

Dado que el principal aspecto a tomar en cuenta en el presente diseño, es

obtener una mezcla asfáltica que se desempeñe adecuadamente y que

además sea resistente a la deformación permanente (roderas), se ha decidido

cambiar el criterio en la selección del contenido óptimo, estableciendo aquel

contenido de asfalto.

Las graficas que se muestran a continuación nos dan el parámetro para la

selección del contenido de asfalto óptimo siguiendo los limites que se indican

dentro de las graficas así como en el costado de las mismas.

Graficas 3.26 Graficas de las propiedades volumétricas de la HMA para diferentes contenidos de asfalto

Tabla 3.27 Verificación del nivel de compactación máximo de la mezcla Nmax

Tabla 3.28 muestra datos que dejan claramente marcado el porcentaje de

asfalto de diseño, los datos siguientes a este son tomados de las pruebas

anteriormente realizadas.

Tabla 3.28

En la siguiente sección como se ha venido haciendo a lo largo de este diseño

se ingresan los pesos de los especímenes en las diferentes condiciones como

se indica en la parte superior de la Tabla 3.29.

Tabla 3.29

La Tabla 3.30 muestra la altura de los especímenes a la cantidad de giros que

se indica en la parte superior cabe mencionar que estos datos se toman

directamente del compactador giratorio.

Tabla 3.30

Tabla 3.31

Ejemplo referente al espécimen A de la Tabla 3.31

HDNiniGmbEst *4

.2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=Θ

π

………..(3.36)

006.28.125*4

)150(.2

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=Θ

mmNiniGmbEst π

NiniGmbrrpromedioCoNiniGmbAve Θ=Θ ..

091.22

092.2089.2. =+

=ΘNiniGmbAve

xHDDRYWTEstGmbNdes

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

4

.2π

…………(3.36)

243.22006

8.4458==EstGmbNdes

=ΘNdesCorrGmb

335.22

333.2336.2. =+

=ΘNdesGmbAve

=Θ max. NGmbEst

( )SUBWTSSDWTDRYWTNMeasGmb

−=Θ

.max…….. (3.37)

374.24.25903.4468

8.4458max =−

=ΘNMeasGmb

maxmax. NasGmbpromedioMeNGmbAve Θ=Θ

373.22

371.2374.2max. =+

=ΘNGmbAve

100*%Gmm

NiniGmbNiniofGmm Θ=Θ

……….(3.38)

13.85100*456.2091.2% ==ΘNiniofGmm

100*%Gmm

NiniGmbNiniofGmm Θ=Θ

…….. (3.39)

1.85100*456.2091.2% ==ΘNiniofGmm

100*%Gmm

NdesGmbNdesofGmm Θ=Θ

………(3.40)

1.95100*456.2335.2% ==ΘNdesofGmm

100*maxmax%Gmm

NGmbNofGmm Θ=Θ

…….. (3.41)

6.96100*456.2374.2max% ==ΘNofGmm

La siguiente Tabla 3.36 refleja la altura de los dos especímenes a lo largo de la

compactación como el %Gmm y %Air Voids también puede ser reflejada en

una grafica la cual nos indica el limite máximo de 98% de %Gmm el cual no

debe ser rebasado a una cierta cantidad de giros.

100% xGmmGmbGmm ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

……… (3.42)

GmmAirVoids %%100% −=

Tabla 3.36

Grafica 3.37

Documents

CAPITULO 3 Desarrollo del método de diseño Superpave