DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA TIPO MDC-2

INFORME TÉCNICO No. 001-09

EXPLANAN S.A

MEDELLIN, NOVIEMBRE DE 2009

INTRODUCCION

Con materiales de la Fuente Gigantón ubicada el Municipio de San Juan de Uraba, arenas del Rio San Juan y agregados aluviales del Rio Callelarga y asfaltos de refinería con penetración 60 – 70, se presenta el diseño de mezcla asfáltica con metodología Marshall, para mezcla tipo mdc- 2 de acuerdo a las especificaciones INVIAS y regido por los artículos 400-07, 410-07, 414-07 440-07 y 450-07. El ensayo Marshall permite determinar los parámetros de resistencia y durabilidad de una mezcla asfáltica de tal manera que su comportamiento este de acuerdo a las solicitaciones (deformaciones, esfuerzos, asentamientos y condiciones ambientales) impuestas en la vida útil del pavimento, existen otras técnicas de diseños como el método Hveem y el propuesto por las investigaciones de tecnología Superpave, que es utilizado actualmente por casi todas las agencias de los E.U.A y Centro América, por la mejor correlación entre los ensayos realizados y el comportamiento de la mezcla en uso. 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. Al respecto, las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica compactada son los “vacíos” con aire (Va); “vacíos” en el agregado mineral (VMA); “vacíos” llenados con asfalto (VFA); y contenido de asfalto efectivo (Pbe). Son los que proporcionan una indicación del probable funcionamiento de la mezcla asfáltica. El diseño Marshall determina el porcentaje óptimo de tal manera que se cumplan con los parámetros de control de las especificaciones.

DATOS INICIALES Tabla 01 Datos iníciales diseño de mezcla asfáltica

Fecha Noviembre de 2009

Cliente Explanan S.A

Proyecto Pavimentación San Pedro de Uraba – El Tres

Tipo de mezcla MDC-2

Numero de ejes equivalentes 8.3 ton > 5.8 x 106

Temperatura media anual 28ºC

Precipitación media 3200 mm

El diseño de pavimento establece espesores de 75 mm de carpeta de mezcla densa en caliente, 150 mm de base granular y 200 mm de subbase granular, sobre un terraplén de altura mínima de 800 mm. PRINCIPIO DE METODOLOGIA DE DISEÑO

El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseño de mezclas. El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas en caliente para pavimentación que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1”) o menor. El método modificado se desarrolló para tamaños máximo arriba de 38 mm (1.5”). Está pensado para diseño en laboratorio y control de campo de mezclas asfálticas en caliente con graduación densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza empírica, la importancia de los resultados en términos de estimar el comportamiento en campo se pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estándar. El método Marshall utiliza especímenes de prueba estándar de una altura de 64 mm (2 ½”) y 102 mm (4”) de diámetro. Se preparan mediante un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado (ASTM D1559). Los dos aspectos principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes compactados.

La estabilidad del espécimen de prueba es la máxima resistencia en unidades de fuerza, que un espécimen estándar desarrollará a 60 ºC cuando es ensayado. 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. El método de diseño, requiere de una serie de pruebas y ensayos iníciales, sobre los materiales granulares y ligantes, para determinar las características de los mismos en forma individual y combinada. En el método Marshall se llevan a cabo tres tipos de pruebas para conocer tanto sus características volumétricas como mecánicas. Determinación de la gravedad específica: La prueba de gravedad específica puede desarrollarse tan pronto como el espécimen se haya enfriado en un cuarto de temperatura. Esta prueba se desarrolla de acuerdo con la Norma ASTM D1188, gravedad específica de mezclas asfálticas compactadas empleando parafina; o ASTM D2726, gravedad específica de mezclas asfálticas compactadas utilizando superficies saturadas de especímenes secos. Para determinar cuál norma se debe utilizar, se realizarán pruebas de absorción a la mezcla asfáltica compactada; si la absorción es mayor al 2%, se utiliza la Norma ASTM D1188, en caso contrario, se recurre a la Norma ASTM D2726. Prueba de estabilidad y flujo: Después de que la gravedad específica se ha determinado, se desarrolla la prueba de estabilidad y flujo, que consiste en sumergir el espécimen en un baño María a 60 ºC ± 1 ºC (140 ºF ± 1.8 ºF) de 30 a 40 minutos antes de la prueba. Con el equipo de prueba listo, se removerá el espécimen de prueba del baño María y cuidadosamente se secará la superficie. Colocándolo y centrándolo en la mordaza inferior, se procederá a colocará la mordaza superior y se centrará completamente en el aparato de carga. Posteriormente se aplica la carga de prueba al espécimen a una deformación constante de 51mm (5”) por minuto, hasta que ocurra la falla. El punto de falla está definido por la lectura de carga máxima obtenida. El número total de Newtons (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 del flujo Marshall.

Análisis de densidad y vacíos: Después de completar las pruebas de estabilidad y flujo, se realiza el análisis de densidad y vacíos para cada serie de especímenes de prueba. Resulta conveniente determinar la gravedad específica teórica máxima (ASTM D2041) para al menos dos contenidos de asfalto, preferentemente aquellos que estén cerca del contenido óptimo de asfalto. Un valor promedio de la gravedad específica efectiva del total del agregado se calculará de estos valores. 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 (VMA). Por ultimo se deben hacer una serie de verificaciones sobre la mezcla de tal manera que, además cumpla con los parámetros de durabilidad y resistencia a los agentes atmosféricos y de cargas CARACTERÍSTICA MINERALOGICA DE LOS MATERIALES Los materiales corresponden a depósitos de minerales de gravo, procedentes de la Cantera de Gigantón, arenas silice- cuarzo de color amarillo del Rio San Juan, combinado con material aluvial del Rio Callelarga, que pertenecen a rocas de del Cretaca y mas específicamente a la formación Penderisco y Barroso del grupo Cañas Gordas. “El triturado.. se observan fragmentos planos y alargados provenientes de limolitas siliceas y chert y fragmentos con esfericidad media, originados por rocas de origen volcánico (basaltos, diabasas y granodioritas). Los principales componentes del material triturado son : granadiorita, cuarcita blanca, basaltos, diabasa, chert gris y negro, limolita pizarrosa 1 El agregando fino corresponde a arenas de trituración compuesta del mato rocoso de Gigantón combinado con Callelarga en una proporción mayor al 85%, del total de las arena. Estas arenas son combinadas con las del Rio San Juan, para mejorar la gradación de este grupo de material. El llenante mineral corresponde a finos extraído del mismo proceso de trituración, por lo tanto no hay fino de aporte externo.

1 Informe de Geología Fuente de Material Zona San Juan de Uraba. Geog. Edilson Pareja H. Marzo/09 ENSAYOS SOBRE LOS AGREGRADOS MINERALES La especificación determina una series de ensayos iníciales sobre los materiales, los cuales se resumen en la tabal No.2 Tabla 02 Resumen ensayos sobre agregados

ENSAYO AGREGADO GRUESO

AGREGADO FINO

GRADACIÓN COMBINADA

VALOR ESPECIFICADO

E-227 Partículas fracturadas mecánicamente (una y dos caras)

91.4%/77.8% 75/60

E – 224 – 07 Evaluacion de la resistencia mecánica de los agregados gruesos por el método de 10% de finos

>75% >75%

E-218 , E-219 Desgaste en la maquina de los Ángeles

21%

25% max

E-220 Perdida de solidez en sulfato de sodio

1.8% 12% max

E-220 Perdida de solidez en sulfato de magnesio

8.2% 18% max

E-230 Índice de aplanamiento, alargamiento

14.1% - 228%

30% max

E-232 Coeficiente de pulimento acelerado 3

0.54 0.45 min

E-125, E-126 Índice de plasticidad

NP - NL NP

E-133 Equivalente 70% 50% min

de arena

E-323 Contenido de impurezas

No presenta 0.3% 0.5% max

E-123 Gradación Ver grafica Ver grafica Tipo mdc-2 Tipo mdc-2

E-128 Peso especifico

Ver anexo Ver anexo Ver anexo -

E-217 Peso unitario Ver anexo Ver anexo Ver anexo

E-225 Peso unitario aparente del llenante mineral en tolueno4

0.72

0.5 – 0.8

ENSAYOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS ASFALTOS Debido a que el numero de ejes equivalentes de 8.2 ton es superior a 500 mil y que la temperatura media anual de la zona de trabajo es superior a 28ºC, a que en por las condiciones climáticas y de carga, se podrían presentar altos niveles de ahuellamientos en la mezcla asfáltica se utiliza asfaltos de penetración 60 – 70, de la refinería de Ecopetrol. Los asfaltos de refinería, no modificados o normalizados, presentan condiciones o características reológicas variables con respecto a los lotes de producción. Las características del asfalto de diseño se muestran en la tabla No. 3 Tabla 03 Ensayos asfalto

ENSAYO UNIDAD VALOR ESPECIFICADO

E-706 Penetración (25ºC, 100g, 5 s)

0.1 mm 66 60 - 70

E-724 Índice de penetración

- -1 , 1

E-712 Punto de ablandamiento

(º C) 50.4

E-717 Viscosidad Brookfield a 60 º C, aguja 27, torque mayor a 90 º

P 2618 >1500

E-702 Ductibilidad (25ºC, 5cm/min)

cm >140 >100

E-713 Solubilidad en tricloroetileno

% 99.5 >99

E-704 Contenido de agua % <0.16 <0.2

E-709 Punto de ignición mediante copa abierta de Cleveland

ºC 286 >230

E-731 Perdida por % 0.28 <1.0

calentamiento en película delgada (163ºC, 5h)

E-706 Penetración de residuo luego de perdida por calentamiento en % de la penetración original

% 58 >52.0

E-707 Peso especifico del asfalto

Kg/cm3 1.016

E-712 Incremento en el punto de ablandamiento después de la perdida por calentamiento en película delgada.

ºC

6.2

Max 9

Curva Reológica Viscosidad vs Temperatura

Ver grafica

Los datos anteriores son reportados por MPI según certificado anexo. GRADACIÓN La gradación es el esqueleto mineral de la mezcla el cual tiene gran influencia en el comportamiento mecánico de la misma, en conjunción con las cualidades de cubicidad, dureza y sanidad. La gradación combinada, corresponde al las fracciones en volumen que se muestra en la Tabla No. 4 Tabla 04 Combinación en volumen de materiales

Procedencia Tipo material Porcentaje en volumen

Cantera Gigantón Pasa 3/4” retiene 3/8” triturado

20

Cantera Gigantón Pasa 3/8” triturado 25

Rio Calle Larga Pasa 3/8” triturado 50%

Rio San Juan Arenas naturales 5%

La gradación combinada de diseño, se muestra en la tabla No. 5, la cual cumple con los requerimeintos de la especificación INVIAS, para mezclas tipo mdc-2

Tabla 05 Gradación tipo mdc-2

La gradación se analiza de acuerdo a los requerimientos de las gradaciones tipo superpave, con la curva de máxima densidad de Fuller. En la grafica No. 1 se muestra las características de la gradación. Grafica No. 1 Gradación en norma Superpave

Alterno Normal (mm)

1" 25 100 100 0 0.0 0.0 100

3/4" 19.000 100 100 0.0 0.0 0.0 100.0

1/2" 12.500 95 80 325.1 10.5 10.5 89.5

3/8" 9.500 88 70 180 5.8 16.4 83.6

No 4 4.750 65 49 670 21.7 38.1 61.9

No 10 2.000 45 29 640 20.8 58.9 41.1

No 40 0.425 25 14 628.7 20.4 79.3 20.7

No 80 0.180 17 8 317 10.3 89.6 10.4

No 200 0.075 8 4 152.43 4.9 94.5 5.5

TAMIZ Límite

superior

Límite

inferior

Peso

retenido

%

retenido

% ret

Acumula.% pasa

INV 2007 ARTICULO 450 "MDC - 2"

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Porc

enta

je q

ue p

asa

Tamaño de tamices en mm (elevado a la 0.45)

De la grafica se puede concluir lo siguiente:

La gradación presenta característica de mezcla fina.

Pasa por todos los puntos de control de la norma

Es paralela a la curva de máxima densidad, con lo cual se podría esperar un alto reacomodamiento de partículas y un buen comportamiento mecánico.

No pasa por el huso de la zona restringida ni presenta “jorobas”, lo cual predice que la mezcla no es segregante y el porcentaje de arenas de trituración es adecuado.

PORCENTAJE ÓPTIMO DE ASFALTO DE LA MEZCLA. La selección del diseño final de la mezcla es usualmente la más económica y cumple satisfactoriamente con todos los criterios establecidos. De cualquier forma, la mezcla no deberá ser diseñada para optimizar una propiedad en particular. Mezclas con valores altos anormales de estabilidad son frecuentemente menos deseables debido a que pavimentos con ese tipo de mezclas tienden a ser menos durables, o pueden fracturarse prematuramente bajo altos volúmenes de tránsito. Esta situación es bastante crítica cuando los materiales de la base y terreno natural son débiles y permiten deflexiones de moderadas a relativamente altas con el tránsito actual. La selección del contenido óptimo debe ser un compromiso de optar por balancear de todas las propiedades de la mezcla. Normalmente, los criterios de diseños de mezclas producirán un rango limitado de contenidos aceptables de asfaltos que pasen todos los lineamientos. El porcentaje optimo de la mezcla asfáltica, corresponde al que cumple con los parámetros de diseño y además Marshall y además muestra que la mezcla será durable, trabajable y resistente a los agentes atmosféricos combinados con los impuestos por la cargas vehiculares. En la tabla No. 6 se muestra que este corresponde a un valor del 5.2% , considerado como el optimo para este diseño.

Tabla 06 Diseño optimo de la mezcla

DISEÑO:

ESPECIFICACION ART. 450-07

% Asfalto: 5.20% - -

Densidad 148bs/pie3 - -

Estabilidad 1680 kg >750 kg

Flujo 3.3 mm 2 mm 4.0mm

Vacios con aire 4.00% 3% 5%

Vacios agregado mineral 1520.00% >15%

Vacios llenos con asfalto 73.0% 65% 78%

Llenante/Ligante 1.15 0.8 1.2

Estabilidad/flujo 499 300 500

TOLERANCIAS

Gradación: La tolerancia para la gradación de acuerdo a la especificación de diseño, muestra en la tabla No. 7 Tabla No. 07 Tolerancia de la gradación de diseño.

TAMIZ

Porcentaje que pasa

Especificación

Gradación de trabajo

Tolerancia

Límite superior

Límite inferior

Límite superior

Límite inferior Alterno Normal (mm)

3/4" 19.000 100 100 100.00 100.00 100.00

1/2" 12.500 95 80 89.45 93.45 85.45

3/8" 9.500 88 70 83.62 87.62 79.62

No 4 4.750 65 49 61.88 65.00 49.00

No 10 2.000 45 29 41.12 44.12 38.12

No 40 0.425 25 14 20.73 23.73 17.73

No 80 0.180 17 8 10.45 8.50 7.45

No 200

0.075 8 4 5.50 6.50 4.00

Porcentaje de asfalto: La tolerancia del porcentaje de asfalto, la da el cumplimiento de los parámetros Marshall, en cada uno de los requerimientos de la especificación. La tolerancia máxima de acuerdo a estos requerimientos, determinan que el contenido de asfalto debe estar entre el 5.1% y el 5.3%, por fuera de estos rangos deja de cumplir alguno o varios requerimientos de la especificación. La tabla No. 8, muestra las tolerancias admitidas. Tabla No. 8 Característica de mezcla en el rango de tolerancia

% Asfalto: 5.1 5.3

Densidad 148 148.3

Estabilidad 1620 1680

Flujo 3.3 3.4

Vacios con aire 4.50% 4%

Vacios agregado mineral 15.20% 15.16

Vacios llenos con asfalto 70.0% 75%

Llenante/Ligante 1.17 1.12

Estabilidad/flujo 500 500

SUSCEPTIBILIDAD A LOS AGENTES ATMOFERICOS

Con el AASHTO T- 283, o ensayo de tracción indirecta se determina el comportamiento de la mezcla asfáltica a los agentes atmosféricos y mas específicamente a las condiciones extremas de altas temperaturas combinadas con situaciones de saturación; situaciones propias de los climas tropicales. El valor limite de la resistencia conservada para este parámetro es del 80%. El resultado del ensayo para el porcentaje de asfalto del 5.2%, fue del 82.5%, lo cual predice u buen comportamiento de la mezcla bajo condiciones climáticas extremas. MODULO DINAMICO

Con las condiciones de velocidad de carga (frecuencia), climas y características volumétricas de la mezcla asfáltica, se calcula el modulo dinámico mas probable de la mezcla, utilizando la metodología propuesta por el Instituto del Asfalto de USA

VERIFICACIÓN DEL DISEÑO Se debe hacer la verificación del diseño, determinando los módulos dinámico de la mezcla asfáltica de acuerdo a la frecuencia de aplicación de carga y a la temperatura esperada de operación de la mezcla y sus características de fatiga por ensayos de repetición cíclico en laboratorio y posteriormente en campo con equipo tipo FWD o en su defecto con viga Benckelman. ANEXOS En el anexo No. 1 se muestran los resultados de los ensayos realizados al igual que el equipo utilizado y la graficas de diseño. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES

El ensayo Marshall del presente informe corresponde al de laboratorio, por lo tanto se deben hacer los ajusten en planta y determinar la gradación definitiva y el porcentaje de asfalto ajustado a las condiciones de producción, las cuales serán las condiciones para control en obra.

Debido a la característica de la gradación de este tipo de mezcla y a la alta pluviosidad de la zona, una vez colocada se debe cubrir a la mayor brevedad para evitar la infiltración de agua y el ablandamiento de las capas subyacentes.

La gradación de este tipo de mezclas, al hacer el análisis con curva a la potencia 0.45, muestra una alta tendencia a la segregación, por lo tanto el manejo en obra debe ser extremadamente cuidadoso y la superficie en la cual se apoye lo mejor posible acabada y uniforme.

Los control en campo, así como en planta se deben realizar con personal capacitado y equipos apropiados, para hacer los correctivos de manera preventiva y evitar la colocación de materiales defectuosos y de baja calidad.

Presento:

Ing. José Joaquín Lara Ruiz