Método Marshall: Consideraciones Preliminares.

El Método de dosificación Marshall desarrollado por el Ing. Bruce Marshall, inicialmente fue utilizado por el 
Cuerpo de Ingenieros del Ejercito Norteamericano, actualmente es el método más utilizado para la elaboración de fórmulas de mezcla.

El criterio para conseguir una mezcla satisfactoria está basado en requisitos mínimos de estabilidad, fluencia, densidad y porcentaje de vacíos.

Este método determina el procedimiento para realizar los ensayos de estabilidad y fluencia de mezclas asfálticas preparadas en caliente, utilizando el equipo Marshall, determina  características físicas de las mezclas y analiza los parámetros que definen el contenido de asfalto. La estabilidad se determina empleando el principio de corte en compresión semi-confinada, sometiendo a la muestra a esfuerzos de compresión diametral a una temperatura de 60 ºC (140 ºF). La aplicación de esfuerzos y la rotura de las muestras se consiguen con un dispositivo especialmente proyectado para las pruebas de estabilidad.

El valor de estabilidad representa la resistencia estructural de la mezcla compactada y está afectada principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo de agregado. El valor de estabilidad es un índice de la calidad del agregado.

Además, la mezcla debe tener la fluidez necesaria para que pueda compactarse a la densidad exigida y producir una textura superficial adecuada. El valor del Flujo representa la deformación producida en el sentido del diámetro del espécimen antes de que se produzca su fractura. Este valor es un indicador de la tendencia para alcanzar una condición plástica y consecuentemente de la resistencia que ofrecerá la carpeta asfáltica a deformarse bajo la acción de las cargas que por ella transiten.

El contenido óptimo de asfalto se determina, de acuerdo a recomendación del Instituto del Asfalto (Manual MS - 2), a través de la media aritmética de los porcentajes que llevan a:

La máxima estabilidad,

La máxima densidad de la mezcla y

Al volumen de vacíos de aire especificado.

Esta media debe ser verificada en relación al valor de la Fluencia y a los vacíos del agregado mineral (VAM), a fin de asegurar que la mezcla contenga un volumen de asfalto (Vb) suficiente, sin que el volumen de vacíos de aire (Vv) sea reducido a un valor inaceptable. Si no se cumplen las especificaciones, la granulometría del agregado debe ser modificada.

Métodos de diseño de Mezclas Asfálticas.

El diseño de mezclas asfálticas en caliente se realiza mediante pruebas de estabilidad, utilizando uno de los siguientes métodos:

Método Marshall

Método de Nottingham

Método Hubbard-Field

Método Hveem

Método Triaxial de Smith

Investigaciones SHRP (“Strategic Highway Research Program”)

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS ENCIMA DE BASE DE AGREGADOS NO TRATADOS.

Los ábacos del diseño para el diseño de espesor de pavimentos con mezclas de emulsiones asfálticas usadas para todas o parte de las mezclas asfálticas requeridas encima de una base de agregado no tratado no se han preparado. Este método se recomienda:

(1)    Diseñe un pavimento de concreto asfáltico Full-Depth (espesor = T_A) para clima apropiado, tráfico y condiciones de subrasante. Asumir una superficie de 50 mm (2 in.) y calcule el espesor de la base correspondiente a (T_A - 2).

(2)    Diseñe un pavimento para el mismo clima, tráfico y condiciones de subrasante usando una mezcla de emulsión asfáltica tipo seleccionada (espesor = T_E). Asuma una superficie de 50 mm (2 in.) y calcule el espesor de la base correspondiente a (T_E - 2).

(3)    Diseñe un pavimento para las mismas condiciones usando concreto asfáltico y el espesor deseado de la base de agregado no tratado (espesor del CA = T_U).

(4)    Seleccione la porción del espesor del concreto asfáltico obtenido en el paso (3) que será reemplazado por la mezcla de emulsión asfáltica (T_U -AC_min). Nota: Mantenga el espesor mínimo de concreto asfáltico de la Tabla VI.11.

(5)    Multiplique este espesor por la relación del paso (2) al paso (1) para obtener el espesor de la base de emulsión asfáltica (T_EB).

Esta ecuación cuantifica los valores determinados de los pasos (1) a (5):

donde:

T_EB = espesor de la base de la emulsión asfáltica (paso 5)

T_U =     espesor del concreto asfáltico usado en el diseño de la base de agregado no tratado (paso 3)

AC_min = espesor mínimo del concreto asfáltico (paso 4)

T_E - 2 = espesor base usado en el diseño de la base de emulsión asfáltica (paso 2)

T_A - 2 = espesor base usado en el diseño del concreto asfáltico Full-Depth (paso 1)

Ejemplo. Diseñe un pavimentos con superficie de concreto asfáltico, base de mezcla de emulsión asfáltica Tipo III y una base de agregado no tratado de 150 mm en una región climática con MAAT = 15.6°C. M_R de la subrasante = 55.2 MPa (8,000 psi) y EAL = 10⁵.

Paso

(1)               Del Ábaco de diseño A-7:

Concreto asfáltico Full-Depth = T_A = 150 mm

La superficie del CA = 50 mm, asumido

Por consiguiente, la base del CA = T_A - 50 mm = 100 mm

(2)               Del Ábaco de diseño A-10:

El espesor de la superficie del asfalto y base Tipo III = T_E = 215 mm

La superficie del CA = 50 mm, asumido

Por tanto, la base de emulsión asfáltica = T_E - 50 mm = 165 mm

(3)               Del Ábaco de diseño A-11:

El espesor de la superficie del asfalto y la base encima de la base de agregado no tratada = T_U = 100 mm

(4)               De la Tabla VI-4, AC_min = 50 mm para EAL = 10⁵

Por tanto, reemplace la restante base de concreto asfáltico [T_U - AC_min = 100 mm - 50 mm = 50 mm] con la base del asfalto emulsionada.

(5)               Obtenga el espesor de base de emulsión asfáltica:

50 mm x 1.65 = 82.5 mm (use 85 mm)

Diseño final es:

50 mm de hormigón del asfalto

85 mm de mezcla de emulsión asfáltica Tipo III

150 mm de base de agregados no tratada

 

285 mm de espesor total.

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA PAVIMENTOS CON CONCRETO ASFÁLTICO ENCIMA DE BASE DE AGREGADO NO TRATADA.

Los ábacos A-5, A-6, A-11, A-12, y A-18, fueron desarrollados para el diseño de espesor de pavimentos que usan concreto asfáltico encima de una base de agregado no tratada. La calidad de los agregados de la base y de la sub-base puede usarse. (Ver Tabla VI.9.) Sin embargo, un espesor mínimo del material de base de calidad superior de 150 mm (6 in.) debe estar encima del material de la sub-base de más baja calidad. Los ábacos del diseño para dos diferentes espesores de agregado no tratado ha sido incluido: 150 y 300 mm (6 y 12 in.)

Los espesores de superficie y base de concreto asfáltico requeridos encima del espesor de agregado no tratado pueden leerse directamente de los ábacos. El espesor mínimo recomendado del concreto asfáltico encima de una base de agregado no tratada se relaciona con el tráfico EAL como se muestra en la Tabla VI.12. El espesor mínimo no debe extrapolarse en los ábacos del diseño para regiones de alto tráfico.

Algunas agencias emplean los espesores mayores de la base de agregado no tratados para intentar minimizar el potencial daño de heladas en el pavimento. Aunque espesores mayores a 300 mm (12 in.) se usan con este propósito, los estudios de análisis de pavimentos han mostrado que este espesor adicional añade un beneficio pequeño a cualquier conducta estructural del sistema del pavimento. Se recomienda que los dos requisitos de diseño, para la conducta de helada y la anomalía estructural, se combinen con juicio ingenieril basado en la experiencia pasada. Reduciendo el espesor de concreto asfáltico debido a grandes espesores de agregados no tratados se descorazona porque el potencial para otros problemas del pavimento aumentará.

Ejemplo. Diseñe un pavimento usando una base de agregado no tratado para estas condiciones:

Módulo de Subrasante: M_R = 34.5 MPa

Clima: MAAT = 15.6°C

Tráfico del diseño: EAL = 100,000

Prepare dos diseños: para bases de 150 mm y de 300 mm.

Los diseños alternativos son:

(1)                                       140 mm (5.5 in.) de concreto asfáltico

150 mm (6.0 in.) de base de agregado no tratado

290 mm (11.5 in.) de espesor total

(2)                                       100 mm (4.0 in.) concreto asfáltico

150 mm (6.0 in.) de base de agregado no tratado

400 mm (16.0 in.) de espesor total

Tabla VI.12. Espesor Mínimo de Concreto Asfáltico Encima de Base de Agregado no Tratado

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA PAVIMENTOS DE BASES DE EMULSIONES ASFÁLTICAS.

De los ábacos A-8 a A-10 puede usarse para diseñar pavimentos de asfalto con los tres tipos de capas de bases de emulsiones asfálticas.

Los ábacos del diseño asumen períodos de curado de 6 meses. Los períodos de curado superiores a 24 meses no tendrán influencia significante en los requisitos del espesor de diseño.

Los ábacos proveen el espesor combinado de la superficie y de la base de concreto asfáltico, o de la superficie de emulsiones asfálticas con superficies tratadas, y de la base de emulsiones asfálticas. El espesor de concreto asfáltico (o base de emulsiones asfálticas Tipo I con superficie tratada) para ser usado con la base de emulsiones asfálticas (encima de bases Tipos II o III) se obtiene de la Tabla VI.11.

Ejemplo.         Asuma estas condiciones:

Módulo de Subrasante: M_R = 41.4 MPa

Clima: MAAT = 15.6°C (60°F)

Tráfico del diseño: EAL = 10⁶

De los ábacos de diseño de base de emulsiones asfálticas asignados los espesores totales obtenidos son:

Tipo I              240 mm                      del Ábaco A-8

Tipo II            290 mm                      del Ábaco A-9

Tipo III           370 mm                      del Ábaco A-10

Si el Tipo I es seleccionado, sólo un tratamiento de superficie es requerido. Para el Tipo II o III, el espesor mínimo de concreto asfáltico o mezcla de emulsión asfáltica Tipo I con un tratamiento de superficie es 75 mm (3 in.) para EAL = 10⁶ (Tabla VI.10). La diferencia entre el espesor total y 75 mm (3 in.) determina el espesor de la base de emulsión asfáltica:

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR PARA PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFÁLTICO FULL-DEPTH.

La selección de espesor para pavimentos de concreto asfáltico Full-Depth puede hacerse usando el ábaco de diseño A-7. En este ábaco se introduce los valores de tráfico apropiado EAL y los valores MR de la subrasante del diseño previamente seleccionada. Los espesores de pavimento de concreto asfáltico Full-Depth puede leerse directamente al 25 mm más cercano (1 in. más cercano) o menos.

Ejemplo. Diseñe un pavimento de concreto asfáltico Full-Depth para estas condiciones:

Módulo de Subrasante: MR = 41.4 MPa

Clima: MAAT = 15.6°C

Tráfico de diseño: EAL = 10^6

Del ábaco A-7 se determinó que el espesor de diseño de concreto asfáltico Full-Depth es igual a 240 mm de superficie y base de concreto asfáltico.