Diseño de mezcla asfáltica
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Diseño de mezcla asfáltica
Las mezclas asfálticas han sido típicamente diseñadas con procedimientos
empíricos de laboratorio, lo que significa que se requiere la experiencia en campo
para determinar si el análisis de laboratorio tiene correlación con el desempeño del
pavimento. De cualquier manera, aun con la correcta conjunción de estos
procedimientos y el desarrollo del criterio de diseño de la mezcla, no se podían
asegurar buenos grados de desempeño. El objetivo principal del diseño de mezclas asfálticas de pavimentación, consiste en determinar una combinación y graduación económica de asfalto y agregados (dentro de los límites de las especificaciones del proyecto) que produzcan una mezcla con:
- Suficiente asfalto para proporcionar un pavimento durable
- Buena estabilidad para satisfacer las demandas de tránsito sin producir deformaciones o desplazamientos
- Suficiente trabajabilidad para evitar la segregación al momento de la colocación
- Un contenido de vacíos lo suficientemente alto, para permitir una ligera cantidad de compactación adicional bajo las cargas producidas por el paso de vehículos sin que se produzca exudación.
El diseño de mezcla adecuado, es generalmente el más económico y que cumple satisfactoriamente los criterios mencionados anteriormente. De acuerdo a la normativa AASHTO y ASTM existen dos tipos de diseños de mezclas asfálticas:
• Marshall: Utilizado en el diseño debido a que se encuentra dentro de las “Especificaciones Generales para la Construcción de Carreteras y Puentes”
• Hveem
Método Marshall
El concepto del método Marshall para diseño de mezclas para 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, a la vez que
desarrolló 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 Marshall modificado se desarrolló para tamaños máximo
arriba de 38 mm (1.5”). El procedimiento está pensado para diseño en laboratorio
y control en 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. Estos se preparan mediante un
procedimiento para calentar, combinar y compactar mezclas de asfalto- agregado
(ASTM D1559). Los dos aspectos principales del método Marshall son la
densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes
compactados; cabe mencionar que este proceso de diseño no tiene especificado
pruebas para agregados minerales ni para cementos asfálticos.
Asfaltos modificados con polímeros tipo elastómeros
Se requiere mezclar tres componentes: asfalto, resina base y un endurecedor, lo que complica la modificación ya que debe existir compatibilidad entre estos. Los asfaltos modificados tienen una elevada resistencia mecánica, gran resistencia a la tracción, buen poder humectante y adhesión a los agregados. Si el trabajo con este tipo de asfalto es realizado dentro de los parámetros correctos, su tiempo de vida esta condicionado por la vida del agregado, no por el asfalto; en otras palabras el pavimento se deteriora por trituración o abrasión del agregado antes que por la falla del ligante (asfalto). Su resistencia al envejecimiento es excelente. Son empleados para casos específicos como:
- Zonas de frenado intenso, donde se requiere una gran resistencia al derrapaje
- Zonas donde se requiere resistir a las maniobras o a los agentes químicos
- Zonas donde se requiere mantener una buena rugosidad durante largos periodos de tiempo
Actualmente los cementos asfálticos son modificados con elastómeros, SBR y SBS, o con plastómeros (EVA), los nombres completos para estos compuestos son los siguientes: Acetato de Etil-vinilo (EVA), EstirenoButadieno- Latex (SBR) y Estireno-Butadieno-Estireno (SBS). A continuación se presenta un resumen de las propiedades de los singolos componentes que componen el elastómeros usado en el betún.
Acetato de etilo: líquido inflamable, incoloro con olor característico a frutas, su punto de ebullición es de 77°C (171 ºF). Es incompatible y reacciona con los oxidantes, catalizadores para polímeros de viníl, peróxidos, ácidos fuertes, cloruro de aluminio. Puede polimerizarse si es contaminado o sujeto a calentamiento.
Acetato de vinilo: líquido incoloro, con olor característico a frutas, inflamable. Es incompatible y reacciona con los oxidantes, ácidos, bases, sílica gel, alumina, azocompuestos, ozono. Su punto de ebullición es de 72°C (162 ºF) y su punto de inflamación es de 492.78°C (919.01 ºF). Puede polimerizarse si es contaminado.
Estireno: líquido incoloro a amarillo, aceitoso. Puede formar peróxidos en circunstancias específicas, iniciando una polimerización explosiva. La sustancia se puede polimerizar debido al calentamiento suave bajo la influencia de la luz, con peligro de incendio o explosión. Reacciona fácilmente con oxidantes fuertes, arriba de 31°C (88°F) puede formar mezclas explosivas vapor/aire. Tiene un punto de ebullición de 145ºC (293°F), su densidad relativa es de 0.9 mg/ml, su temperatura de auto ignición es de 490 ºC (914°F).
Butadieno: gas licuado comprimido, incoloro, su punto de ebullición es de -4°C (24.8°F), su punto de fusión es de –109°C (– 164°F). Extremadamente inflamable. La sustancia puede formar peróxidos en circunstancias específicas, iniciando una polimerización explosiva, puede polimerizarse debido al calentamiento suave bajo la influencia de la luz, con peligro de incendio o explosión. Se descompone con explosión por calentamiento rápido a presión. Reacciona vigorosamente con oxidantes y otras muchas sustancias, originando peligro de incendio y explosión. Ataca al cobre y sus aleaciones, formando compuestos sensibles al choque.
Para llevar a cabo la modificación de asfalto, se debe conocer la compatibilidad de este con el modificador para que coexistan como sistema, es decir debe ser miscible, lo que indica una mezcla monofásica. La inmiscibilidad se traduce en la aparición de una segunda fase. Un polímero es compatible con el asfalto cuando la heterogeneidad de la mezcla no se puede apreciar por un examen visual. Los asfaltos más ricos en fracciones aromáticas y resinas serán los más compatibles, ya que estas fracciones son las que permiten que el polímero se disuelva. Los asfaltos menos compatibles son los mas ricos en asfaltenos y saturados.