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CALIDAD DE LOS MATERIALES PÈTREOS PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO DE SUPERPAVE PARA MEZCLAS ASFALTICAS. Típicamente se utilizan pasos aislados para la selección de asfaltos y materiales agregados y dirigen
los procedimientos de diseño de mezclas para combinarlos. El diseño de mezcla de Superpave
integra la selección de material y el diseño en procedimientos basados en el clima y el trafico del
proyecto. Las especificaciones del ligante asfáltico fueron discutidas con anterioridad en este capítulo;
Las especificaciones de los agregados y el diseño de mezcla son discutidas aquí. Las pruebas de
desempeño en Superpave son discutidas en el Capitulo 7.
AGREGADOS MINERALES. Las propiedades de los agregados minerales son obviamente
importantes para el desempeño de la mezcla asfáltica. Sin embargo, los métodos Marshall y Hveem
no incorporan los criterios de los agregados en sus procedimientos. Contrariamente si se incorporan
dentro de los diseños de Superpave. Mientras no se desarrollen nuevos procedimientos de pruebas,
los procedimientos existentes son ajustados para encajar en el sistema Superpave. En el sistema
Superpave se especifican dos tipos de propiedades de los agregados: de fuente y de consenso.
Las propiedades de consenso son aquellas en donde las investigaciones de SHRP creen que son
criticas para alcanzar un alto desempeño del HMA. Estas propiedades deben ser obtenidas a varios
niveles dependiendo del volumen de tráfico y la posición del pavimento. Los altos niveles de tráfico y
las mezclas de la superficie (posición superficial de los pavimentos) requieren valores más estrictos
de propiedades de consenso. Muchas agencias ya utilizan estas propiedades como un requerimiento
de calidad para los agregados utilizados en el HMA. Las propiedades de consenso son angulosidad
de los agregados gruesos; Angulosidad de los agregados finos; particulas largas y planas; y el
contenido de arcilla (equivalente de arena).
Mediante la especificación de la angulosidad de los agregados finos y gruesos, Superpave busca
alcanzar un HMA con alto grado de fricción interna y así obtener mayor fuerza en las esquilas para la
resistencia a las roderas. La limitación de las piezas alargadas asegura que el HMA no sea
susceptible a fracturas durante el manejo construcción y el tráfico. La limitación de la cantidad de
arcilla hace crecer la adhesión entre el asfalto y los agregados.
Las propiedades del origen o fuente, son aquellas que las agencias utilizan frecuentemente para
calificar la fuente de los agregados. Mientras estas propiedades son importantes, los valores críticos
1
son especificados de acuerdo a la fuente. Las propiedades de origen de Superpave son la dureza,
pureza y la elasticidad de los materiales. La dureza es medida mediante la prueba de abrasión LA. La
pureza es medida mediante la prueba de pureza de sulfato de magnesio. La elasticidad de los
materiales mediante las pruebas de grumos de arcilla y fiabilidad.
Para determinar el tipo de granulometría de los agregados, Superpave utiliza el gráfico de graduación
de poder de 0.45, que controla los límites de en una zona restringida para desarrollar el diseño de la
estructura de los agregados. Esta estructura debe pasar entre los puntos de control graduado
mientras restringe la zona de graduación. La zona restringida es utilizada por Superpave para
eliminar las mezclas que tienen una alta porción de arena fina con relación a la arena total y para
evitar graduaciones que sigan la línea de máxima densidad, que normalmente no tienen vacíos
adecuados en los agregados minerales (VAM). En muchas instancias, la zona restringida elimina el
uso de arena fina en una composición de agregados e incrementa el uso de arena limpia
manufacturada. El diseño de la estructura de los agregados asegura que los agregados van a
desarrollar un esqueleto de piedra fuerte que resista la deformación permanente mientras permite los
suficientes espacios de vacíos que favorezcan la durabilidad.
DISEÑO DE MEZCLA DE SUPERPAVE. Existen dos nuevos elementos dentro del sistema de
Superpave, las pruebas de desempeño y los diseños de compactación. Los diseños de compactación
van acompañados del compactador giratorio de Superpave (SGC). El SGC comparte algunas
características con los compactadores actuales, pero tiene características operacionales
completamente nuevas. Mientras su propósito principal es la compactación de muestras, el SGC
puede ofrecer información sobre la compactación de una mezcla en particular mediante la captura de
datos durante la compactación. El SGC, puede utilizarse para diseñar mezclas que no presenten un
comportamiento delicado y que no se densifican en forma peligrosa con bajos contenidos de vacíos
de aire bajo la acción del trafico.
Los ensayes base de comportamiento y los modelos de predicción de desempeño para HMA, son
desarrollos importantes de la investigación de asfalto de SHRP. Los resultados de estas pruebas son
utilizados para hacer predicciones detalladas del desempeño del pavimento actual. Los
procedimientos de prueba y los modelos de predicción del desempeño han sido desarrollados de
forma tal, que permita al ingeniero estimar la vida útil de un prospecto de HMA en términos del
equivalente de ejes sencillos de carga (ESAL’s). Se han desarrollado dos nuevas pruebas de
desempeño, el Probador de Esfuerzo Cortante de Superpave (SSt) y el Probador de Tensión Indirecta
(IDT). La información que proporciona esta prueba es utilizada para los modelos de predicción de
desempeño y estimar la vida útil del pavimento actual (milímetros de roderas).
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El diseño y procedimientos de análisis de mezcla de Superpave, dependen para su uso del nivel de
tráfico para el cual son diseñados los pavimentos (Tabla 2.2). El diseño volumétrico es utilizado para
todos los proyectos de pavimentos y contempla las pruebas de compactación utilizando el SGC y la
selección del contenido de asfalto de acuerdo a los requerimientos volumétricos del diseño. Para
altos niveles de tráfico, se utiliza un análisis intermedio volumétrico del diseño de mezcla como punto
de partida e incluye algunas pruebas SST e IDT para llegar a la predicción del desempeño. Un
análisis completo, para niveles extremadamente altos de tráfico incluye pruebas adicionales de SST e
IDT a una mayor variedad de temperaturas. Ya que a un mayor rango de pruebas y resultados, se
obtendrá un análisis mas completo y confiable del grado de predicción del desempeño.
El grado de desempeño del HMA inmediato a la construcción es influenciado por los resultados de las
propiedades de la mezcla en caliente y la compactación. Consecuentemente, un protocolo corto de
envejecimiento se incorpora dentro del sistema de Superpave. Esto está acompañado de la perdida
de muestras de la mezcla, antes de la compactación con SGC, deben ser horneadas por cuatro horas
a 135°C para simular los retrasos que pueden ocurrir durante la construcción.
Tabla 2.2 Analisis y Diseño de Mezclas de Superpave
Superpave Trafico de ESAL’s Requerimiento de Pruebas Diseño Volumétrico
De la Mezcla 106 Selección de Materiales y
Proporción Volumétrica Análisis Intermedio 107 Diseño Volumétrico de la Mezcla
+ Pruebas de Predicción de
Desempeño Análisis Completo > 107 Diseño Volumétrico de Mezcla +
Pruebas de Predicción de Desempeño Avanzadas
AGREGADOS MINERALES. Las investigaciones de SHRP, llevan a los expertos en pavimento a
determinar cuales son las propiedades más importantes de los agregados Existe un consenso
general de que las propiedades de los agregados juegan un papel central dentro de la deformación
permanente. El rompimiento por fatiga y por bajas temperaturas es menos afectado por las
características de los agregados. Estas investigaciones utilizan estos resultados para identificar dos
categorías de propiedades que se necesitan dentro del sistema de Superpave: las propiedades de
consenso y de fuente. Adicionalmente, se ha desarrollado una nueva graduación para los agregados:
el diseño de la estructura de los agregados o el esqueleto.
3
PROPIEDADES DE CONSENSO DE LOS AGREGADOS
Los expertos en pavimentos concuerdan en que ciertas características de los agregados son críticas
para el buen desempeño del HMA. Estas características son las llamadas de consenso, ya que existe
un acuerdo en su uso y valores específicos. Estas propiedades son angulosidad en ordinarios;
angulosidad fina; alargadas y planas partículas; y contenido de arcilla.
El criterio de consenso para estas propiedades se basa en el nivel de tráfico y la posición interna de
la estructura del pavimento. Los materiales cercanos a la superficie del pavimento sujetos a niveles
altos de tráfico requieren unas mayores propiedades de consenso de encordado. El criterio debe
aplicarse al propósito global de la mezcla más que a sus componentes individuales. Sin embargo,
muchas agencias aplican dichos requerimientos a los agregados en particular para así eliminar
componentes indeseables.
ANGULARIDAD DE LOS AGREGADOS GRUESOS. Esta propiedad asegura un grado de fricción
interna en el agregado resistente a las roderas. Es definido como el porcentaje de peso de los
agregados mayores a 4.75 mm con una o más caras fracturadas. El método de prueba recomendado
por Superpave es el Método de Prueba de Puntos de Pennsylvania No. 621, “Determinación del
Porcentaje de Fragmentos Triturados en Grava”. La Tabla 3.2 nos dá los valores mínimos requeridos
de la angulosidad en los agregados ordinarios en función de los niveles de tráfico y la posición interna
del pavimento.
ANGULARIDAD DE LOS AGREGADOS FINOS. Esta propiedad asegura el grado de fricción interna
de los agregados finos y su resistencia a las roderas. Es definida como el porcentaje de vacíos de
aire presentes en pérdida compactada de agregados menores a 2.6 mm [AASHTO TP 33, “Método de
Prueba para el Contenido de Vacíos de los Agregados Finos No Compactados (influenciado por la
Forma de las Partículas, Textura de la Superficie y Graduación) (Método A)]. Los altos contenidos de
vacíos significan mayor número de caras fragmentadas. En el procedimiento de prueba, una muestra
de finos agregados lavados se vacía en un cilindro pequeño calibrado a través de un embudo
estándar (Fig. 3.5). Midiendo la masa de agregados finos (W) en el cilindro lleno de un volumen
conocido (V), el contenido de vacíos de aire se puede calcular como la diferencia entre el cilindro y el
volumen recolectado en el cilindro. La gravedad específica del volumen de los agregados (Gsb) es
utilizada para calcular el volumen de los agregados finos.
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La Tabla 3.3 nos muestra los valores mínimos requeridos de angulosidad de los agregados en
función del nivel de tráfico y la posición interna de pavimento.
Tabla 3.3 Criterio de Angularidad de los Agregados Gruesos
Tráfico Millones de ESAL’s
Profundidad desde< 100 mm …………..
La Superficie …………..> 100 mm
< 0.3 55/- -/- < 1 65/- -/- < 3 75/- 50/-
< 10 85/80 60/- < 30 95/90 85/75
< 100 100/100 95/90 > = 100 100/100 100/100
PARTICULAS LARGAS Y PLANAS. Esta característica es el porcentaje de masa de los agregados
ordinarios que tienen un máximo y mínimo de radio mayor a cinco. Estas partículas son indeseables
ya que tienden a romperse durante la construcción y bajo el tráfico. El procedimiento de prueba que
se utiliza es el ASTM D 4791, “Partículas Planas y Alargadas en los Agregados Ordinarios”, y se
desarrolla en los agregados ordinarios mayores a los 4.75 mm.
Tabla 3.4 Criterio de Angularidad de los Agregados Finos
Trafico Millones de ESAL’s
Profundidad desde< 100 mm …………..
La Superficie …………..> 100 mm
< 0.3 - - < 1 40 - < 3 40 40
< 10 45 40 < 30 45 40
< 100 45 45 > = 100 45 45
El procedimiento utiliza un dispositivo de calibre (Fig. 3.6) para medir la dimensión del radio de una
muestra representativa de las partículas de agregados. En la Figura 3.6, las partículas de agregados
se colocan primeramente con su dimensión larga a través del brazo de columpio y se queda ahí
mientras los agregados se colocan entre el brazo y el poste de la posición B. Si los agregados no
llenan este boquete, entonces se le determina como una partícula larga o plana.
Los valores máximos requeridos para las partículas planas y alargadas en los agregados ordinarios
se muestran en la Tabla 3.4.
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CONTENIDO DE ARCILLA. Es el porcentaje de materiales de arcilla contenida en la fracción de los
agregados, la cual es más fina que la criba de 4.75. Es medida por el AASHTO T 176 “Plásticos Finos
en los Agregados y Suelos Utilizando la Prueba de Equivalente de Arena” (ASTM D 2419). Una
muestra de agregados finos se mezcla con una solución flocular de Cloruro de Calcio en un cilindro
graduado, se agita para perder la presencia fina de arcilla que reviste los agregados. La solución
flocular forza el material arcilloso a suspenderse por encima de los agregados granulares. Después
de un periodo de asentamiento, se mide la altura de la arcilla suspendida y los sedimentos de arena
(Fig. 3.7). Se calcula el equivalente de arena como las lecturas del radio de la altura de la arena sobre
el volumen total, y se expresa como un porcentaje.
Los valores permisibles del contenido de arcilla para un agregado fino, expresados como el
porcentaje mínimo de equivalente de arena, se muestran en la Tabla 3.5.
Tabla 3.5 Criterio de Angularidad de los Agregados Gruesos
Tráfico
Millones de ESAL’s Porcentaje
Máximo < 0.3 - < 1 - < 3 10
< 10 10 < 30 10
< 100 10 > = 100 10
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PROPIEDADES DE ORIGEN DE LOS AGREGADOS.
En forma adicional a las propiedades de consenso de los agregados, los investigadores de SHRP
creen que existen otras características críticas en los agregados. Sin embargo, los valores críticos de
estas propiedades no pueden ser evaluadas por el consenso, ya que se necesitan los valores
específicos de origen. Consecuentemente, se recomienda unas propiedades de origen. Los valores
específicos son establecidos por las agencias locales. Así como estas propiedades son relevantes
durante el proceso del diseño de la mezcla, son también valiosas para el control de aceptación de la
fuente. Estas propiedades son dureza, material deletreemos y la pureza. Tabla 3.6 Criterio del Contenido de Arcilla o Valor de Equivalente de Arena
Tráfico, Millones de ESAL’s
Porcentaje Mínimo de Equivalente de Arena
0.3 40 1 40 3 40
10 45 30 45
100 50 100 50
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DUREZA. Es el porcentaje de pérdida de material de una mezcla durante la Prueba de Abrasión de
Los Angeles (AASHTO T 96 o ASTM C131 o C535). Esta prueba estima la resistencia de los
agregados gruesos a la abrasión y degradación mecánica durante el manejo, construcción y durante
el servicio. Se desarrolla sujetando a los agregados ordinarios, usualmente más largos que 2.6 mm,
al impacto y molido de unas esferas de acero. El resultado de la prueba es el porcentaje de pérdida
de masa del material ordinario durante la prueba, así como la degradación mecánica. Los valores
máximos de pérdida típicos se encuentran en un rango de 35 a 45%.
PUREZA. Es el porcentaje de pérdida de material de una mezcla de agregados durante las pruebas
de sodio o sulfato de magnesio (AASHTO T 104 o ASTM C88). Esta prueba estima la resistencia de
los agregados a las condiciones climáticas durante su servicio. Puede desarrollarse tanto en
agregados finos y ordinarios. La prueba se desarrolla mediante la exposición de la muestra de
agregados a una repetida inmersión en una solución saturada de sodio o sulfato de magnesio
seguido de un secado en el horno. Una inmersión y un secado se les conoce como un ciclo de
pureza. Durante la fase de secado, se precipitan sales en los espacios de vacíos de aire permeables
de los agregados. Cuando se produce la reinmersion la sal rehilará y exhorta las fuerzas internas
expansivas que simulan las fuerzas internas de congelamiento del agua. El resultado de la prueba es
la pérdida total del porcentaje después de varios intervalos de cribas para un número requerido de
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ciclos. Los valores máximos de pérdida se encuentran en un rango típico que va del 10 al 20% para
cinco ciclos.
MATERIAL DELETERIO. Se define como el porcentaje de masa de contaminantes, como
protuberancias de arcilla, madera, pizarras, mica y carbón o petróleo dentro de los agregados
(AASHTO T 112 o ASTM C142). El análisis se puede dar tanto en agregados finos como ordinarios.
La prueba se desarrolla mojando las cribas de fracciones de agregados sobre las cribas específicas.
El porcentaje de masa de pérdida de material como resultado de la criba mojada, se reporta como el
porcentaje de protuberancias de arcilla y partículas deleterias. Un rango muy amplio se permite como
partículas deleteriosas. Los valores de los rangos varían desde un 0.2% a 10%, dependiendo de la
composición exacta de los contaminantes.
GRADUACION.
Para especificar la graduación, modifica la aproximación ya utilizada por algunas agencias. La gráfica
del poder de graduación de 0.45 se utiliza para definir una graduación permisible. La gráfica del
“poder punto 45” utiliza una técnica única de graficación para mostrar la distribución acumulativa del
tamaño de las partículas de una mezcla de agregados. La forma ordinaria de la gráfica es el
porcentaje de pase (eje vertical). La abscisa es la escala aritmética del tamaño de la criba en
milímetros, para el poder 0.45. La Figura 3.8 muestra como la abscisa es escalada. En este ejemplo,
la criba de 4.75 mm es cambiada a 2.02, que es el tamaño de criba para 4.75 escalada al poder 0.45.
La gráfica normal del poder 0.45 no muestra los niveles aritméticos de la abscisa como los de la Fig.
3.8. En lugar de esto, se marca la escala con el tamaño actual de criba, como se muestra en la Fig.
3.9.
Una característica importante de la gráfica de poder del 0.45, es la graduación de densidad máxima.
Esta graduación se gráfica como una línea derecha del tamaño máximo del agregado al origen.
Superpave utiliza estas definiciones de tamaños de agregados:
Tamaño Máximo: Una criba más larga que el tamaño máximo nominal. Tamaño Máximo Nominal: Una criba más larga que la primera criba que retenga más del 10%.
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La máxima graduación de densidad (Fig. 3.9) representa una graduación donde las partículas de los
agregados encajan juntas en su posible arreglo. La Figura 3.9 muestra la gráfica de poder de
graduación de 0.45 con una densidad máxima graduada para un tamaño máximo de agregados de
19.0 mm.
Superpave especifica la graduación de los agregados añadiendo dos componentes a la gráfica de
energía de 0.45: puntos de control y zona restringida. Los puntos de control funcionan como los
10
rangos maestros por donde la graduación del material debe pasar. Son puestos en el tamaño máximo
en criba nominal, una criba intermedia (2.36 mm), y la criba pequeña (0.075 mm)malla No. 200.
La zona restringida reside a lo largo de la máxima densidad de graduación. La Figura 3.10 muestra
los puntos de control y la zona restringida para una mezcla de Superpave de 12.5 mm. La zona de
restricción forma una banda a lo largo de la cual la graduación no puede pasar. La graduación que
pasa a la zona restringida por debajo de ésta se le llama graduación de joroba, debido a la
característica de forma de joroba en esta área. En muchos casos, la graduación de joroba indica una
mezcla sobre puesta o una mezcla que posee mucha arena fina con relación al total de la misma. La
graduación frecuentemente es el resultado de una mezcla con problemas de compactación durante la
construcción y ofrece poca resistencia a la deformación permanente durante el desempeño de su vida
útil. De esta manera, la zona restringida previene una graduación siguiendo la línea de densidad
máxima en las cribas de agregados finos. La graduación que sigue esta densidad máxima de
graduación, frecuentemente presenta un VAM inadecuado que permita el suficiente asfalto para una
durabilidad adecuada. Estas graduaciones son muy sensibles al contenido de asfalto y pueden
convertirse fácilmente en plásticos con aún menores variaciones en el contenido de asfalto.
Mientras que Superpave recomienda que las graduaciones pasen por debajo de la zona restringida,
esto no es un requerimiento. El desempeño de la mezcla desarrollada es generalmente alcanzado por
las graduaciones que pasan por debajo de la zona restringida.
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El termino utilizado para describir la distribución del tamaño de las partículas de los agregados, es el
diseño de la estructura de los agregados. Una estructura que cae dentro de los puntos de control y
respeta la zona restringida cumple con los requerimientos de graduación de Superpave. Superpave,
define cinco graduaciones de mezclas para el tamaño máximo nominal de agregados (Tabla 3.6). El
Apéndice B muestra los límites de graduación numérica para estas cinco mezclas de Superpave.
Tabla 3.7 Graduaciones de Mezcla de Superpave
Designación Superpave
Tamaño Máximo Nominal, mm
Tamaño Máximo Mm
37.5 37.5 50.0 25.0 25.0 37.5 19.0 19.0 25.0 12.5 12.5 19.0 9.5 9.5 12.5
CAPITULO IV
MEZCLAS VOLUMETRICAS DE ASFALTO. INTRODUCCION. Un factor que debe tomarse en cuenta cuando se considera el comportamiento de
una mezcla asfáltica es la proporción volumétrica del ligante asfáltico y de los agregados, o más
simple, las mezclas volumétricas de asfalto. Los desarrolladores de Superpave sienten que las
propiedades volumétricas de la mezcla son tan importantes como el desarrollo del protocolo del
diseño de mezcla. Este capitulo muestra el análisis volumétrico del HMA, el cual juega un papel
significativo en muchos de los procedimientos de diseño de mezcla, incluyendo el sistema de
Superpave.
Las propiedades volumétricas de una mezcla compacta de pavimento [Vacíos de Aire (Va), vacíos en
el agregado mineral (VAM), vacíos ocupados con asfalto (VEA) y el contenido efectivo de asfalto
(Pbe)] proporcionan algunas indicaciones sobre el probable desempeño durante el servicio del
pavimento. Es necesario entender las definiciones y procedimientos analíticos descritas en este
capítulo para ser capaces de tomar decisiones informadas concernientes a la selección del diseño de
mezcla asfáltica. Esta información se aplica tanto a mezclas de pavimentos que han sido
compactados en el laboratorio y a muestras que han sido obtenidas directamente del pavimento en el
campo.
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DEFINICIONES.
El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto en un grado variable. Más aún, el
radio de absorción de agua del asfalto varía con cada agregado. Los tres métodos de medición de la
gravedad específica de los agregados toman estas variaciones en consideración. Los métodos son
volumen, apariencia y efectividad especifica de la gravedad:
• Volumen Específico de Densidad, Dsb – El radio de la masa en el aire de una unidad de volumen
de un material permeable (incluye ambos, vacíos permeables e impermeables al material) a la
temperatura establecida a la masa de aire de igual densidad de un volumen igual, agua destilada
libre de gases a la temperatura establecida. Ver Fig. 4.1
• Densidad Especifica Aparente, Dsa – El radio de la masa en el aire de una unidad de volumen de
un material impermeable a la establecida de la masa en un aire de igual densidad, de igual
volumen de agua destilada libre de gases a la temperatura establecida. Ver Fig. 4.1.
• Densidad Especifica Efectiva, Dse – el radio de la masa en aire de una unidad de volumen de un
material permeable (excluyendo vacíos permeables al asfalto) a la temperatura establecida para
la masa en el aire de igual densidad de un volumen igual de agua destilada libre de gases a la
temperatura establecida. Ver Fig. 4.1
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La definición para vacíos en el material de agregados (VAM), contenido efectivo de asfalto (Pbe),
vacíos de aire (Va), y vacíos rellenos de asfalto (Vva) son:
• Vacíos en el Agregado Mineral, VAM – el volumen del espacio de vacíos entre las partículas de
los agregados de una mezcla compactada de pavimento que incluye los vacíos de aire y el
contenido efectivo de asfalto expresado como el porcentaje total del volumen de la muestra. Ver
Fig. 4.2.
• Contenido Efectivo de Asfalto, Vva – el contenido tal de asfalto de una mezcla de pavimento
menos la porción de asfalto absorbida en las partículas de los agregados. Ver Fig. 4.2.
• Volumen de Vacíos de Aire, Vv – el volumen total de las bolsas de aire entre las partículas de la
capa de agregados a través de una mezcla compactada de pavimento, expresada como el
porcentaje de la capacidad volumétrica de la mezcla compactada de pavimento. Ver Fig. 4.2.
• Vacíos rellenos de Asfalto, Vva – la porción del porcentaje del volumen del espacio intergranular
de vacíos entre las partículas de agregados que es ocupado por el asfalto efectivo. Se expresa
como el radio de (VAM – Vv). Ver Fig. 4.2.
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El procedimiento de diseño de mezclas de Superpave, calcula los valores VAM para las mezclas de
pavimento compactado en términos del volumen específico de densidad de los agregados, Dsb. La
utilización de otros grados específicos de agregados para el cálculo significa que los criterios de VAM
ya no serán aplicables y la mezcla no cumple los requerimientos de Superpave. La Densidad
Especifica Efectiva, Dse, debe ser la base para el cálculo de los vacíos de aire en la mezcla de
pavimento asfáltico compactado.
Los vacíos en los agregados minerales (VAM) y los vacíos de aire (Vv) son expresados como el
porcentaje de volumen en la mezcla de pavimento. Los vacíos rellenos de asfalto (Vva) son el
porcentaje de VAM rellenos de asfalto efectivo. Dependiendo de como se especifique el contenido de
asfalto, este será expresado como el porcentaje de masa, de la masa total de la mezcla de
pavimento, o como el porcentaje de masa de los agregados de la mezcla de pavimento.
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Debido a los vacíos de aire, los VAM y Vva son volúmenes cuantitativos y es por esto que no pueden
ser pesados, una mezcla de pavimentos debe primero ser diseñada o analizada en base al volumen.
Para propósitos de diseño, esta aproximación del volumen puede ser fácilmente cambiada en base a
la masa para proporcionar una fórmula de mezcla-trabajo.
ANALISIS DE UNA MEZCLA DE PAVIMENTOS COMPACTA.
La medición y cálculos necesarios para el análisis de vacíos son:
a) Medición del volumen específico de densidad del agregado mineral (AASHTO T85 o ASTM C
127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C 128).
b) Medición de la densidad específica del cemento asfáltico (AASHTO T 228 o ASTM D 70) y del
filler mineral (AASHTO T 100 o ASTM D 854).
c) Calcular la densidad específica del volumen de la combinación de agregados en la mezcla de
pavimento.
d) Medir la densidad máxima específica de la mezcla de pavimento perdida (ASTM D 2041 o
AASHTO T209).
e) Medir la gravedad específica del volumen de la mezcla de pavimento compactada (ASTM D
1188/D 276 o AASHTO T166).
f) Calcular la densidad específica de los agregados.
g) Calcular la densidad específica máxima de otros contenidos de asfalto.
h) Calcular la absorción de asfalto de los agregados.
i) Calcular el contenido efectivo de asfalto de la mezcla de pavimento.
j) Calcular el porcentaje de vacíos en el agregado mineral en la mezcla compacta de pavimento.
k) Calcular el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada de pavimentos.
l) Calcular el porcentaje de vacíos rellenos de asfalto en la mezcla compacta de pavimento.
Las ecuaciones para estos cálculos se encuentran abajo.
La Tabla 4.1 muestra la información básica de una muestra de mezcla de pavimento. Estos datos se
utilizan en los cálculos de la muestra y se recuerdan en este capítulo.
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Gravedad
específica Métodos de
Prueba Composición de
la Mezcla
Material Volumen
AASHTO ASTM
Porcentaje PorcentajePor Masa Por Masa
del Total del Total dede Mezcla Agregados
Cemento Asfáltico 1.030 (Db) T 228 D 70 5.3(Pb) 5.6 (Pb) Agregados de Grava
2.716 (D1) T 85 C 127 47.4 (P1) 50.0 (P1)
Agregados Arena y Finos
2.689 (D2) T84 T 128 47.3 (P2) 50.0 (P2)
Filler Mineral --- T 100 D 854 ---- ---- MEZCLAS ASFALTICAS DE PAVIMENTO Densidad específica de la mezcla compacta de pavimento = 2.442
Máxima densidad específica de la muestra de pavimentos = 2.535
DENSIDAD ESPECIFICA DEL VOLUMEN DE LOS AGREGADOS. Cuando el total de los agregados
consiste de fracciones separadas en los agregados ordinarios, agregados finos y minerales de
relleno, todos con gravedades específicas diferentes, el volumen específico de gravedad para el total
de los agregados se calcula como sigue: P1 + P2 + .......+ Pn Donde: Dsb = __________________ Dsb = Densidad de volumen P1 + P2 +........+ Pn específico para el total de D1 D2 Dn los agregados.
P1, P2, Pn = Porcentajes individuales de masa de agregados D1, D2, Dn = Densidad de volumen específicos de agregados.
El volumen específico de gravedad de un material de relleno es difícil de determinar. Sin embargo, si
la densidad específica aparente del relleno es substituida, el error es insignificante. Utilizando los datos de la Tabla 4.1: 50.0 + 50.0 100 Dsb = ____ _____ = ___________ = 2.703 50.0 + 50.0 18.41+18.59 2.716 2.689
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DENSIDAD ESPECIFICA EFECTIVA DE LOS AGREGADOS. Cuando nos basamos en la máxima
densidad específica de los agregados de la mezcla de pavimentos, Dmm, la densidad específica de los
agregados, Dse, incluye todos los espacios de vacíos de las partículas de los agregados, excepto
aquellos que son absorbidos por el asfalto. Dse se determina utilizando:
Pmn - Pb Donde: Dse = Densidad específica efectiva de los Dse = _______ agregados Pmn - Pb Dn = Densidad máxima específica de la mezcla Dmn Db pavimentos (ASTM D 2041/AASHTO T 209) Pmn = Porcentaje de masa
Pb = Contenido de Asfalto de la prueba ASTM D2041/AASHTO T209, porcentaje total de masa de mezcla del total de la mezcla perdida
Db = Densidad específica del asfalto. Utilizando los datos de la Tabla 4.1: 100 - 5.3 94.7 Dse = ___________ = ___________ = 2.761 100 - 5.3 39.45 – 5.15 2.535 1.030 NOTA: El volumen del ligante asfáltico absorbido por un agregado es casi invariablemente menor
que el volumen de agua que se absorbe. Consecuentemente, el valor para la gravedad específica
efectiva de un agregado debe estar entre su volumen y la gravedad específica aparente. Cuando
la gravedad específica efectiva cae fuera de estos límites, se debe asumir que el valor es
incorrecto. Los cálculos, la gravedad específica máxima del total de la mezcla de ASTM D 2041/
AASHTO T209, y la composición de la mezcla en términos de los agregados y del total del
contenido de asfalto deben ser reevaluados para encontrar la fuente del error. MAXIMA DENSIDAD ESPECIFICA DE LA MEZCLA CON DIFERENTES CONTENIDOS DE ASFALTO. Cuando se diseña una mezcla de pavimentos con un agregado dado, la densidad máxima
específica, Dmm, para cada contenido de asfalto es necesario calcular el porcentaje de vacíos de aire.
Mientras la gravedad específica máxima puede ser determinada para cada contenido por ASTM
D2041 / AASHTO T 209, la precisión de esta prueba es mejor cuando la mezcla es cercana al diseño
del contenido del asfalto. También, es preferible medir la máxima gravedad específica dos o tres
veces.
Después de calcular la densidad específica efectiva de los agregados de cada medición de la máxima
gravedad específica y el promedio resultante de Dse, la densidad específica máxima de cualquier otro
asfalto puede calcularse con la ecuación que se muestra abajo. La ecuación asume que la gravedad
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específica efectiva de los agregados es constante y esto es válido sí la absorción del asfalto no varía
en forma significativa con los cambios en el contenido de asfalto.
Donde: Dmn = Máxima densidad específica del pavimento Pmn = Porcentaje de masa perdida del total de la mezcla Dmn = ___ Pmn __ Ps = Contenido de agregados, % del total de la masa Ps - Pb Pb = Contenido de Asfalto, % total de masa de mezcla Dse Db Db = Densidad específica del asfalto. Dse = Densidad específica efectiva de los agregados. Utilizando los datos de densidad específica de la Tabla 4.1, la densidad específica, Dse, y el contenido
de asfalto, Pb, de 4.0%:
100 100 Dsb = ___________ = __________ = 2.587 96.0 + 4.0 34.77+3.88 2.761 1.030
ABSORCION DEL ASFALTO. La absorción se expresa como el porcentaje de masa de los agregados
más que como el porcentaje del total de la masa de la mezcla. La absorción del asfalto, Pba, se
determina utilizando: Pba = 100x Dse - Dsb xDb Donde: Pba = Asfalto absorbido, % de masa de los Dsb Dse agregados Dse = Densidad efectiva específica de los agregados Dsb= Volumen de la densidad específica de los agregados Dse = Densidad específica del asfalto. Utilizando el volumen y la gravedad efectiva específica de los agregados determinada con
anterioridad, y la gravedad específica del asfalto de la Tabla 4.1 Pba = 100x 2.761 – 2.703 x 1.030 = 100x 0.058 x 1.030 = 0.8 2.703x2.761 7.463 CONTENIDO EFECTIVO DE ASFALTO DE LA MEZCLA DE PAVIMENTOS. El contenido efectivo
de asfalto, Pbe, de una mezcla de pavimentos es el total del contenido de asfalto menos el asfalto
perdido por la absorción de las partículas de los agregados. Es la porción del total del contenido de
asfalto que queda como una cubierta fuera de las partículas de los agregados y el contenido de
asfalto el que gobierna el desempeño de una mezcla de pavimento asfáltico. La formula es:
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Pbe = Pb x _Pba xPs Donde: Pbe = Contenido efectivo de asfalto, % total masa de 100 mezcla Pb = Contenido de asfalto, % total de masa de la mezcla Pba = Asfalto absorbido, % de masa de los agregados Ps = Contenido de agregados, % total de masa de mezcla. Utilizando los datos de la Tabla 4.1: Pbe = 5.3 x _0.8 x 94.7 = 4.5 100 PORCENTAJE DE VAM EN LA MEZCLA COMPACTADA DE PAVIMENTOS. Los vacíos en el
agregado mineral, VAM, se definen como el espacio intergranular de vacíos entre las partículas de los
agregados en la mezcla compactada de pavimentos que incluye los vacíos de aire y el contenido
efectivo de asfalto, se expresa como el porcentaje del total del volumen. El VAM, se calcula en base a
la gravedad específica del volumen de los agregados y se expresa como el volumen total de la
mezcla de pavimento compactada. También, el VAM puede ser calculado sustrayendo el volumen de
los agregados determinado del total de la densidad específica del total del volumen de la mezcla de
pavimento compactada. El cálculo de ilustra para cada tipo de porcentaje de contenido de mezcla. Si la composición de la mezcla se determina como el porcentaje del total de masa en la mezcla: VAM = 100 – Dmb x Ps Donde: VAM = Vacíos en el mineral (% del total del volumen) Dsb Dsb = Volumen específico de densidad del total agregados Dmb = Densidad específica del volumen de la mezcla Compactada (ASTM D1188, D2726/ AASHTO T166) Ps = Contenido de agregados, % total de masa de mezcla Utilizando los datos de la Tabla 4.1: VAM = 100 – 2.442 x 94.7 = 100 – 85.6 =14.4 2.703 O si la composición de la mezcla se determina como el porcentaje de masa de los agregados:
VAM = 100 – Dmb x __100 x 100: Dsb 100+Pb Donde Pb= Contenido de asfalto, % de masa de agregados Utilizando los datos de la Tabla 4.1: VAM = 100 – 2.442 x __100 x 100 = 100 –85.6 = 14.4
2.703 100+5.6
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PORCENTAJE DE VACIOS DE AIRE EN LA MEZCLA COMPACTADA. Los vacíos de aire, Va, en el
total de la mezcla de pavimento compactada consiste en los diminutos espacios de aire entre la capa
de las partículas de los agregados. El porcentaje de volumen de los vacíos de aire en una mezcla
compactada se puede determinar de la siguiente manera: Va = 100 x Dmm – Dmb Donde: Va = Vacíos de aire en la mezcla compactada, % Dmm del total de Volumen
Dmm= Densidad específica máxima de mezcla de Pavimento (como se determina en el artículo 4.07, o Directamente en el ASTM D2041/ AASHTO T209 Dmb = Densidad específica máxima del volumen de la Mezcla compactada.
Utilizando los datos de la Tabla 4.1: Va = 100 x 2.535 – 2.442 = 3.7 2.535 SELECCIÓN DEL AGREGADO A continuación, el diseñador selecciona los agregados a usar en la mezcla. Para este ejemplo, hay 5
pilas de acopia (3 de materiales gruesos y 2 de materiales finos). Se supone que la plata de mezclado
tendrá al menos 5 tolvas de alimentación en frío. De haber menos tolvas de alimentación en frío
disponibles, menos pilas de acopia serán usadas. Los agregados son cuarteados en muestras
representativas, y un análisis granulométrico por vía húmeda es realizado para cada uno de ellos.
Estos resultados del ensayo se muestran en la sección sobre la selección de la estructura del
agregado de diseño.
Para cada agregado se determinan las gravedades específicas bruta y aparente (bulk specific gravity
y apparent specific gravity). Estas gravedades específicas se necesitan para el cálculo del VAM
(vacíos en el agregado minera, volds in the mineral aggregate) y del contenido de ligante. En la Tabla
VI-3, los resultados de los ensayos.
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Tabla VI-1 Gravedades específicas del agregado
Agregado Peso específico bruto Peso específico aparente
Grava de 1” 2.703 2.785
Triturado de ½” 2.689 2.776
Triturado de 3/8” 2.723 2.797
Arena de trituración 2.694 2.744
Arena natural 2.679 2.731
Amén del análisis por tamices y la determinación del peso especifico, y para asegurar que los
agregados seleccionados para el diseño de la mezcla son aceptables, Superpave requiere que se
realicen los ensayos concernientes a las propiedades de consenso de los agregados (consensus
aggregate tests). Los 4 ensayos exigidos son: angularidad del agregado grueso, angularidad del
agregado fino, partículas chatas y alargadas, y contenido de arcilla. Además, la agencia puede
seleccionar cualquier otro ensayo sobre los agregados que considere importante. Estos ensayos
pueden incluir ítems como tenacidad, durabilidad y materiales deletéreos, entre otros.
Los criterios de consenso para agregados de Superpave apuntan a ser aplicados a los agregados
graduados combinados antes que a los agregados individuales. No obstante. Algunos diseñadores
consideran útil ejecutar los ensayos de agregados sobre los componentes individuales. Este peso
permite al diseñador utilizar los resultados de los ensayos para estrechar el rango de los porcentajes
aceptables de agregados para la mezcla. Esto también permite una mayor flexibilidad si han de
intentarse múltiples mezclas de pruebas. Los resultados de ensayos a partir de los componentes
individuales pueden emplearse para estimar los resultados de una dada combinación de materiales.
La ejecución de estos ensayos adicionales implica más tiempo, y esto es una desventaja. Para este
ejemplo, las propiedades de los agregados se miden tanto sobre cada pila de acopio como sobre las
mezcla de prueba.
Angularidad del agregado grueso (coarse aggregate angularity)
Este ensayo se ejecuta sobre las partículas gruesas (mayores de 4.75 mm) del agregado de las pilas
de acopio. En la Tabla VI-4, los resultados del ensayo.
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Tabla VI-4- Angularidad del agregado grueso
Agregado 1 ó + Caras fracturadas
Criterio 2 ó + Caras fracturadas
Criterio
Grava 1” 92% 88% Triturado ½” 95% 95% mín. 94% 90% mín. Triturado 3/8” 99% 95%
Ellos tienen un pequeño porcentaje retenido sobre el tamiz de 7,75 mm (4.5% la arena triturada,
[manufactured sand]; 10.5% la arena natural, [screen sand]).
La tabla VI-4 también indica el criterio para caras fracturadas en función del tránsito (18*106 de
ESALs) y una profundidad a partir de la superficie (<100 mm). El valor del criterio cambia a medida
que el nivel de tránsito y la posición (relativa a la superficie) de la capa cambian. También aquí los
criterios se basan en los resultados de ensayos de las mezclas de agregados más que en los
materiales individuales. Así, aunque la Grava de 1” está por debajo del criterio mínimo, puede ser
usada si la mezcla de agregados seleccionados, en la que interviene, satisface los criterios de la
Tabla VI-4.
Angularidad del agregado fino (fine aggregate angularity)
Este ensayo se ejecuta sobre las partículas de agregado fino de las pilas de acopio. Las partículas de
agregado fino se definen como las partículas menores de 2.369 mm. Los resultados del ensayo se
indican en la Tabla VI-5.
Nótese que este ensayo no se realiza sobre las 3 muestras de agregados gruesos, a pesar de que
ellos tienen un pequeño porcentaje que para el tamiz de 2.36 mm (la Grava de 1” 1.9%; el triturado de
½” 2.6% y el triturado de 3/8” 3%). La tabla VI-5 también indica el criterio para la angularidad del
agregado fino en función del tránsito y la profundidad respecto a la superficie. Aunque la arena
natural está por debajo del criterio mínimo, puede ser usada si la mezcla seleccionada de agregados
que la incluye cumple el criterio de la Tabla VI-5.
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Tabla VI 5. Angularidad del agregado fino
Agregado % Vacíos de Aire (suelta) Criterio Arena triturada Arena Cribada
62%
36%
45% mín.
Partículas chatas y alargadas (flat and elongated particles)
Este ensayo se ejecuta sobre las partículas de agregado grueso (mayores de 4.75 mm) de las pilas
de acopio. Los resultados se indican en la Tabla VI-6.
Tabla VI-6. Partículas chatas y alargadas.
Agregado % Chatas/Alargadas Criterio Grava 1” 0% Triturada ½” 0% 10% máx. Triturado 3/8” 0%
Nótese que este ensayo no se realiza sobre los agregados finos, pese a que ellos tienen un pequeño
porcentaje retenido sobre el tamiz de 4.75 mm (4.5% la arena triturada; 10.5% la arena natural).
La tabla VI-6 también indica el criterio –que se basa sólo en el tránsito- para el porcentaje de
partículas chatas y alargadas. Cambia el nivel de tránsito y cambia el criterio. En este caso, los
agregados son cúbicos y no hay riesgo de que no cumplen el criterio.
Contenido de arcilla (Equiv de arena) [Clay content/sand equivalent]
Este ensayo se realiza sobre las partículas de agregado fino –menores de 4.725 mm- de los
agregados de las pilas de acopio. Los resultados, se indican en la Tabla VI-7.
Nótese que este ensayo no se realiza sobre las 3 muestras de agregados gruesos, a pesar de que
ellos tienen un pequeño porcentaje que pasa el tamiz de 4.75 mm (la grava de 1” 2.1%; el triturado de
3/8” 4.8%).
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Tabla VI-7. Contenido de arcilla (Equivalente de arena)
Agregado % Vacíos de Aire (suelta) Criterio Arena triturada Arena Cribada
47
70
45 mín.
La tabla VI-7 también indica el criterio –basado sólo en el tránsito- para el contenido de arcilla
(equivalente de arena). El criterio cambia cuando el nivel del tránsito cambia. Este criterio también se
basa en los resultados de ensayos de la mezcla de agregados más que en los materiales
individuales. Ambos agregados finos están por encima del requerimiento mínimo; hay, entonces, una
razonable expectativa de que la mezcla también cumplirá con el requerimiento del contenido de
arcilla. Una vez realizados todos los ensayos de agregados, el proceso de selección de materiales
está completo. El próximo paso es seleccionar la estructura del agregado de diseño.
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