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METODOLOGÍA RAMCODES COMO HERRAMIENTA PARA EL CONTROL DE CALIDAD APLICADA EN EMPRESAS PRODUCTORAS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE Página 12

4 MARCO TEÓRICO 4.1 ANTECEDENTES

El método RAMCODES, acrónimo de RAtional Methodology for COmpacted geomaterial’s DEnsification and Strenght analysis (Metodología Racional para el Análisis de Densificación y Resistencia de Geomateriales Compactados) fue desarrollado por Freddy J. Sánchez‐Leal, es una metodología basada en experimentos factoriales y en la experiencia práctica de diseño y control, para análisis de densificación y resistencia de geomateriales compactados. Sánchez‐Leal (2006) realizó un trabajo de investigación llamado “Una carta de gradación para mezclas asfálticas: Desarrollo” enfocado en el ajuste de curvas granulométricas de estructuras bien gradadas tales como Superpave o Covenin para obtener los parámetros del método Fuller, tamaño máximo (Dmax) y factor de forma (n). La trabajabilidad, resistencia al ahuellamiento y la permeabilidad fueron las propiedades analizadas (cuantitativamente) con uso de la carta de gradación y la representación punto‐ámbito, y correlacionadas con la relación G/S, Dmax y n. En el análisis de las gradaciones para cada uno de los tópicos estudiados se concluyó que el factor que mayor influencia presenta en el comportamiento de la pista es el factor G/S. En trabajabilidad: el incremento del contenido de grava disminuye la trabajabilidad de una mezcla asfáltica en caliente. Respecto a la resistencia al ahuellamiento: el incremento de la relación G/S mejora la resistencia al ahuellamiento. En permeabilidad: la permeabilidad se incrementa con la relación G/S. 4.2 MARCO REFERENCIAL

En el medio la mayoría de información se encontró por medio de la empresa proveedora del software y a través de su página de internet, en donde se encontró una descripción general del programa y sus postulados. Adicionalmente se tendrá en cuenta las normas del INVIAS [6] para gradaciones, densidades, flujo y demás especificaciones requeridas para la obtención de mezclas asfálticas en caliente. En donde se indica las gradaciones y especificaciones permitidas en Colombia para mezclas asfálticas en caliente. La publicación del 4° congreso Venezolano del asfalto y sus publicaciones [7 y 10] hace un excelente resumen sobre las bondades y herramientas del programa, como lo son la carta de gradación y la representación punto‐ámbito, que permiten analizar el desempeño de las mezclas asfálticas, mediante las correlaciones entre factores como la relación grava‐arena, la


estructura y tamaño máximo, y la influencia de la gradación en la densificación, resistencia al ahuellamiento y resiliencia, comparándolo con otros ensayos que se realizan para el diseño de mezclas asfálticas como lo es el Marshall. El Instituto Mexicano del Transporte [4] hace referencia a la Metodología RAMCODES y explica como las especificaciones de diseño con los criterios de control en campo, se pueden ligar racionalmente mediante la implementación del “polígono de vacíos” que define un área donde se cumplen todas las especificaciones de vacíos (Va, VAM, VFA). De acuerdo con la metodología RAMCODES, se puede inferir que toda mezcla asfáltica diseñada con el correspondiente contenido óptimo de asfalto cumple con todas las especificaciones de vacíos, lo que garantiza una carpeta durable por un mejor desempeño durante su vida de servicio, además de exhibir una mejor resistencia a la deformación permanente. El divorcio entre los criterios de diseño y los de control de campo, puede traer consigo el rechazo de mezclas con características satisfactorias, y/o la aceptación de mezclas cuyas propiedades volumétricas vayan en contra de los criterios de diseño. 4.3 PARÁMETROS VOLUMÉTRICOS DE LA MEZCLA ASFÁLTICA El fin de los análisis volumétricos es la estimación del contenido de asfalto de la mezcla objeto del diseño, lo cual involucra como ya se dijo: a) Estimación del contenido de vacíos de aire (Va) en la mezcla. b) Estimación del contenido de vacíos en el agregado mineral (VAM). c) Estimación del contenido de vacíos llenos de asfalto (VFA). d) Relación polvo / asfalto efectivo. e) Estimación del contenido efectivo de asfalto de la mezcla. El contenido de vacíos de aire es una propiedad importante que se utiliza como base en la selección del contenido del ligante asfáltico. Superpave define los vacíos del agregado mineral (VAM), como la suma del volumen de vacíos de aire y del asfalto efectivo, en una muestra compactada.


El VAM representa los vacíos entre las partículas del agregado. Los valores mínimos especificados para el VAM en cuanto al porcentaje de diseño de vacíos de aire del 4% son una función del tamaño máximo nominal del agregado [Garnica P, Delgado H, Villatoro G, Rodríguez G., (2006), influencia de la granulometría en las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica, Publicación técnica No 299,

Instituto Mexicano del Transporte]. La Tabla 1 muestra los requerimientos del Superpave para el VAM. Los vacíos llenos de asfalto (VFA) son el porcentaje de VAM que contiene ligante asfáltico. Consecuentemente, VFA es el volumen de ligante asfáltico efectivo expresado como el porcentaje de VAM.

Tamaño máximo de agregado

(mm)

Porcentaje de VAM

mínimo (%) 9.5 15.0 12.5 14.0 19.0 13.0 25 12.0 37.5 11.0

Tabla 1 Criterio para VAM [Garnica P, Delgado H, Villatoro G, Rodríguez G., (2006), influencia de la granulometría en las propiedades

volumétricas de la mezcla asfáltica, Publicación técnica No 299, Instituto Mexicano del Transporte]

El rango aceptable del VFA de diseño para 4% de vacíos de aire es una función del nivel de tránsito. Como se muestra en la tabla 2.

Tránsito ESAL´s (millones)

Porcentaje de VFA de diseño (%)

< 0,3 70‐80 < 1.0 65‐78 < 3.0 65‐78 < 10 65‐75 < 30 65‐75 > 100 65‐75

Tabla 2 Criterio para VFA [Garnica P, Delgado H, Villatoro G, Rodríguez G., (2006), influencia de la granulometría en las propiedades

volumétricas de la mezcla asfáltica, Publicación técnica No 299, Instituto Mexicano del Transporte]


Cabe señalar que aunque no existe un límite superior para el VFA, algunos investigadores (Cooper y Brown, 2002) recomiendan evitar valores muy altos si se quiere obtener una mezcla resistente a la deformación permanente. El límite superior para el VAM se fijo en 16 por ciento, que fue el valor máximo que se obtuvo durante el diseño. 4.3.1.1 Gravedad específica del ligante asfáltico (Gb) Es la relación entre la masa de un volumen dado de ligante asfáltico y el peso de igual volumen de agua (ASTM D 70). 4.3.2 Agregado pétreo 4.3.2.1 Gravedad específica neta (Gsb) Se determina midiendo la masa seca y el volumen neto de una muestra de agregados (ASTM C 127 o ASTM C 128). El volumen bruto incluye el volumen del sólido del agregado más el volumen de agua contenida en los poros superficiales. El volumen neto se mide para la condición del agregado saturado y superficialmente seco. 4.3.2.2 Gravedad específica aparente (Gsa) Se obtiene midiendo la masa seca y el volumen aparente de la muestra del agregado (ASTM C 127 o ASTM C 128). El volumen aparente sólo incluye el volumen del sólido del agregado y no incluye el volumen de los poros de la superficie. 4.3.2.3 Gravedad específica efectiva (Gse) Se calcula usando la masa seca y volumen efectivo del agregado. El volumen efectivo incluye el volumen de los sólidos del agregado y el volumen de los poros de superficie llenos con agua pero no con asfalto. La gravedad específica del agregado no se mide directamente, a diferencia de las gravedades específicas neta y aparente. Esta se calcula conociendo la gravedad específica teórica máxima de la mezcla (Gmm) y el contenido de asfalto (Pb). Solo las gravedades específicas neta y efectiva son utilizadas para el cálculo de los parámetros volumétricos de la mezcla asfáltica. Los volúmenes calculados para cada uno tendrán diferentes significados, y por ende, diferentes valores numéricos.


Ilustración 1. Ilustración de las gravedades específicas determinadas al agregado pétreo [Garnica P, Delgado H, Villatoro G, Rodríguez G., (2006), influencia de la granulometría en las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica,

Publicación técnica No 299, Instituto Mexicano del Transporte]

4.3.3 Mezcla asfáltica El modelo usado para describir las propiedades de masa y volumen de una HMA es el diagrama de componentes. Este considera una muestra compactada de HMA con vacíos de aire, cemento asfáltico y agregado mineral tratados como componentes discretas (Ilustración 1). A la muestra compactada se le asigna un volumen unitario (p.ej., 1 m3, 1 cm3, etc.) con peso conocido (p.ej., kg o g). El diagrama de componentes se adapta particularmente bien a las unidades métricas, pues, en este sistema, peso específico y gravedad específica son numéricamente iguales, ya que el peso específico del agua es muy cercano a 1g/cm3 y su gravedad específica es 1 a 25°C. Es una herramienta comúnmente usada para muchas aplicaciones de la ingeniería civil, pues representa un modelo conveniente para calcular distintos pesos y volúmenes en materiales de construcción no homogéneos. El diagrama de componentes ofrece una clara definición de peso específico, esto es, el peso dividido por el volumen de material compactado. Como el modelo está compuesto de varios diferentes materiales, el peso específico de la muestra completa se llama frecuentemente “peso específico neto”. Se calcula dividiendo el peso total de la muestra por su volumen total. Para un dado contenido de asfalto, el máximo peso específico teórico es el peso del agregado más asfalto dividido por el volumen de ambos componentes – sin incluir el volumen de vacíos


de aire ‐. El máximo peso específico teórico es una propiedad muy útil porque puede usarse como referencia para calcular otras propiedades como el contenido de vacíos de aire.

Ilustración 2. Diagrama de componentes de una mezcla asfáltica compactada [Garnica P, Delgado H, Villatoro G, Rodríguez G., (2006), influencia de la granulometría en las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica, Publicación

técnica No 299, Instituto Mexicano del Transporte] Donde: V ma = Volumen de vacíos en el agregado mineral. V mb = Volumen total de la mezcla asfáltica. V mm = Volumen de la mezcla asfáltica sin vacíos de aire. V fa = Volumen de vacíos llenos con asfalto. V a = Volumen de vacíos de aire. V b = Volumen de asfalto. V ba = Volumen de asfalto absorbido. V sb = Volumen de agregado mineral neto o bulk V se = Volumen de agregado mineral específico 4.3.4 Gravedad específica neta (Gmb). Como el modelo está compuesto de distintos materiales, la gravedad específica de la muestra compactada se llama gravedad específica neta y corresponde a la densidad de la mezcla asfáltica compactada (ASTM D 88 ó D 2726) Este método de prueba cubre la determinación de la densidad promedio de una cantidad de partículas de agregado grueso o fino según sea el caso (no incluye el volumen de vacíos entre las partículas), la densidad relativa (gravedad específica), y la absorción del agregado grueso o


fino. Dependiendo del procedimiento usado, la densidad kg/m3 (lb/ft3) se expresa como seca al horno (SH), saturada y superficialmente seca (SSS), o como densidad aparente. De cualquier manera, la densidad relativa (gravedad específica), es una cantidad adimensional, se expresa como SH, SSS o como densidad relativa aparente (gravedad especifica aparente). La densidad SH y la densidad relativa SH se determinan después de secar el agregado. La densidad SSS, la densidad relativa SSS y la absorción se determinan después de sumergir el agregado en agua por una duración preestablecida. Este método de prueba se usa para determinar la densidad de la porción esencialmente sólida de un número grande de partículas de agregado y provee un valor promedio representativo de la muestra. 4.3.4.1 IMPORTANCIA Y USO La densidad relativa (gravedad específica) es la característica generalmente usada para el cálculo del volumen ocupado por el agregado en varias mezclas que contienen agregados incluyendo concreto asfáltico, concreto hidráulico, y otras mezclas que son proporcionadas o analizadas con base en el volumen absoluto. La densidad relativa (gravedad específica) es también usada en el cálculo de vacíos en agregados en el método de prueba C 29/ C 29 M (ASTM). La densidad relativa (gravedad específica) (SSS) es usada si el agregado está húmedo, esto es, si su absorción ha sido satisfactoria. Inversamente, la densidad relativa (gravedad específica) (secado al horno) se usa para cálculos cuando el agregado está seco o se asume que está seco. La densidad aparente y la densidad relativa aparente (gravedad específica aparente) pertenece al material sólido el cual constituye las partículas, no incluye los espacios internos de los poros en las partículas los cuales son accesibles al agua. 4.3.5 Gravedad específica teórica máxima (Gmm) Para un dado contenido de asfalto, la gravedad específica teórica máxima (Gmm) es la masa del agregado más asfalto dividido por el volumen de ambos componentes, sin incluir el volumen de los vacíos de aire. La gravedad específica teórica máxima es una propiedad muy útil porque se emplea como referencia para calcular otras importantes propiedades como el contenido de vacíos de aire (Va). El ensayo para determinar la Gmm se realiza a la mezcla asfáltica en su estado más suelto (ASTM D 2041).


4.3.6 Contenido de asfalto (Pb) El contenido de asfalto es la concentración de masa de ligante asfáltico. Se expresa como porcentaje de la masa total de la mezcla o como porcentaje de la masa total de agregado. El contenido óptimo de asfalto en una mezcla depende en gran medida de las características del agregado como, la gradación y la absorción. 4.3.7 Contenido de asfalto efectivo (Pbe). Es la concentración de masa del ligante asfáltico no absorbido. 4.3.8 Contenido de asfalto absorbido (Pba). Es la concentración de masa del ligante asfáltico absorbido por el agregado. Normalmente se expresa como porcentaje de la masa del agregado. 4.3.9 Contenido de vacíos de aire (Va). Es la concentración, en volumen, del aire en la muestra de mezcla asfáltica compactada. Los vacíos de aire se expresan siempre como un porcentaje del volumen total de la mezcla.

[Ecuación 1]

Donde: Va: Contenido de vacios de aire. Gmb: Gravedad específica neta Gmm: Gravedad específica teórica máxima 4.3.10 Vacíos en el agregado mineral (VAM) Es el espacio intergranular ocupado por el asfalto y el aire en una mezcla asfáltica compactada y se expresa como porcentaje del volumen total. El volumen de asfalto absorbido no es usualmente considerado como parte del VAM. El VAM representa el espacio disponible para acomodar el volumen de asfalto efectivo y el volumen de aire necesarios en la mezcla. Valores mínimos de VAM son necesarios para asegurar un adecuado espesor de película de asfalto que contribuya a la durabilidad de la mezcla.


[Ecuación 2]

Donde: VAM: vacíos en el agregado mineral Gmb: Gravedad específica neta Ps: Porcentaje de agregados pétreos con respecto a la mezcla Gsb: Gravedad específica neta del agregado Los valores de VAM generalmente disminuyen hasta un valor mínimo, y luego aumenta con incrementos en el contenido de asfalto, exhibiendo una curva en forma de “U” (Ilustración 3). Esto parece ser una contradicción a la definición, sin embargo, debemos recordar que el VAM está íntimamente relacionado con la gravedad específica de la mezcla compactada (Gmb). A medida de que se incrementa el contenido de asfalto en la mezcla, ésta se vuelve más trabajable y se compacta más fácilmente, es decir, mayor masa puede ser comprimida en menos volumen. Por consiguiente, hasta cierto punto, la gravedad específica de la mezcla incrementa y el VAM disminuye.

Ilustración 3. Curva típica de VAM contra contenido de asfalto [4]

En algún punto, cuando el contenido de asfalto sigue aumentando, el VAM empieza a incrementarse debido a que material más denso (agregado) es desplazado relativamente por material menos denso (asfalto). Dado lo anterior, se recomienda evitar valores de VAM para contenidos de asfalto que se ubican dentro de la rama húmeda o parte derecha de la curva. Contenidos de asfalto seleccionados en este rango pueden traer como consecuencia mezclas con cierta tendencia a presentar exudación o flujo plástico. En algunas mezclas la parte inferior de la curva es demasiado plana, esto significa que la compactibilidad de la mezcla es poco sensitiva al contenido de asfalto en ese rango.


Cuando parte de la curva cae considerablemente por debajo del criterio mínimo (Ilustración 4), el contenido de asfalto no debe ser seleccionado en los extremos de la curva aunque los valores de VAM sean aceptables. En la parte izquierda, la mezcla se considera con muy poco asfalto y propensa a la segregación. En la parte derecha, se podría esperar la aparición de roderas en la mezcla.

Ilustración 4. Evaluación de la Curva de VAM [4]

Si la curva cae totalmente por debajo del criterio mínimo (Ilustración 5), se debe considerar realizar un nuevo diseño, cambiando la graduación de la mezcla y en algunos casos, el tipo de agregado.

Ilustración 5. Evaluación De La Curva De VAM [4]

4.3.11 Vacíos llenos con asfalto (VFA) Es el porcentaje de VAM que contienen asfalto. El concepto de VFA es utilizado para asegurar que el porcentaje de asfalto efectivo (Pbe) no sea demasiado pequeño como para producir una mezcla poco durable, o demasiado alto como obtener una mezcla demasiado inestable. El


rango aceptable de VFA depende del nivel del tránsito. Altos niveles de tránsito requieren menores porcentajes de VFA, debido a que en estas condiciones la resistencia y estabilidad de las mezclas es la mayor preocupación. Bajos niveles de tránsito requieren porcentajes de VFA mayores para garantizar la durabilidad de la mezcla asfáltica. Si los porcentajes de VFA son demasiados altos, la mezcla asfáltica se vuelve susceptible a presentar deformaciones plásticas.

[Ecuación 3]

Donde: VFA: Vacíos llenos con asfalto VAM: Vacíos en el agregado mineral Va: Contenido de vacíos de aire 4.4 EFECTO DEL NIVEL DE COMPACTACIÓN EN EL DISEÑO Para un mismo contenido de asfalto, los vacíos de aire (Va) y los vacíos en el agregado mineral (VAM) disminuyen para un alto nivel de compactación. En las Ilustración 6 y 7 se muestran tres niveles de compactación (A, B y C) para ilustrar las consecuencias de este efecto. A, B y C representan los niveles de compactación en el laboratorio que simulan las condiciones de densificación de la mezcla en campo, para niveles de tránsito bajo, medio y alto respectivamente (unión de las curvas de las ilustraciones 3, 4 y 5).

Ilustración 6. Efecto del Nivel de Compactación en el Diseño


Si la mezcla asfáltica se diseña en el laboratorio con un nivel de compactación B cuando realmente el pavimento estará sometido a niveles de tránsito altos (Ilustración 6), se pueden cometer errores en la selección del contenido óptimo de asfalto. Se puede seleccionar un valor de VAM aparentemente dentro de las especificaciones del método, pero que en realidad se ubique en la rama húmeda de valores para las condiciones de densificación reales de la mezcla asfáltica en servicio. Esta equivocación tendría como consecuencia una carpeta asfáltica propensa a presentar ahuellamiento (deformación permanente).

Ilustración 7. Efecto del nivel de compactación en los vacíos de aire

Por otro lado, si la mezcla es diseñada para un nivel de compactación C, y es colocada en un pavimento en donde el nivel de tránsito es mucho menor del que se esperaba, el porcentaje final de vacíos de aire será considerablemente mayor que el planeado (Ilustración 7). Esta condición puede conducir a tener una carpeta asfáltica demasiado permeable, que permita el paso del agua y del aire a través de ella fácilmente. Esto tendría como consecuencia el endurecimiento prematuro del ligante asfáltico que compone a la mezcla convirtiéndose en frágil y quebradizo, produciéndose el desprendimiento del agregado de la mezcla a causa de la falta de adhesión. Por estas razones resulta de gran importancia simular en el laboratorio, los esfuerzos de compactación producidos en el sitio donde la carpeta asfáltica va a ser colocada. Además, la mezcla asfáltica deberá ser construida con los equipos de compactación adecuados, de tal manera, que se produzcan los niveles de vacíos de aire iníciales (al menos 8 por ciento) que se consideran en los diseños. [Garnica P, Delgado H, Villatoro G, Rodríguez G., (2006), influencia de la granulometría en las

propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica, Publicación técnica No 299, Instituto Mexicano del Transporte]


Es importante notar que los criterios de diseño de VAM, independiente del método que se trate, no se basan en el nivel de compactación. La razón es, la de proveer suficiente espacio al asfalto y al aire, a reserva del nivel de tránsito que se espere en el pavimento. 4.5 MEZCLAS ASFÁLTICAS Una mezcla asfáltica se compone de una combinación de agregados mezclados uniformemente y recubiertos con cemento asfáltico. La mezcla asfáltica está compuesta, en peso, por el peso de los agregados y del asfalto; y en volumen, por el volumen de los agregados, del asfalto y de los vacíos de aire. Las mezclas asfálticas pueden ser en caliente o en frío, y para que tengan un buen desempeño, deben presentar las siguientes propiedades:

Estabilidad: Es la capacidad de la mezcla de resistir las deformaciones impuestas por las cargas vehiculares.

Durabilidad: Es la capacidad de la mezcla de resistir los efectos dañinos del aire, el agua, la temperatura y el tránsito.

Flexibilidad: Es la capacidad de la mezcla de flexionarse levemente, sin agrietarse y acomodarse a los movimientos de la base o la Subrasante.

Resistencia a la fatiga: Es la capacidad de la mezcla de resistir la flexión repetida generada por el paso de los vehículos.

Resistencia al deslizamiento: Es la capacidad de la mezcla para ofrecer resistencia al deslizamiento de las ruedas de los vehículos al frenar.

Permeabilidad: Es la resistencia de la mezcla al paso del aire y del agua a través de la capa asfáltica.

Trabajabilidad: Es la facilidad que ofrece la mezcla para ser extendida y compactada.


4.5.1 COMPONENTES DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA Las mezclas asfálticas están compuestas por agregados, asfalto y vacíos de aire. La calidad de la mezcla asfáltica está directamente ligada con las propiedades y dosificación de los agregados y del cementante, como también a la cantidad de los vacíos de aire. Las mezclas asfálticas constituyen la parte superior de los pavimentos flexibles y proporcionan un medio de distribución de carga y de impermeabilización que protege la estructura de pavimento de los efectos adversos del agua y de la acción del tránsito. Se emplean para la construcción de pavimentos nuevos, para incrementar la resistencia o mantener una calidad satisfactoria en la superficie de un pavimento existente, o para mejorar la resistencia al deslizamiento. Se debe de conocer cierta información con respecto a las propiedades del cemento asfáltico y de los agregados, como parte del proceso de diseño para obtener buenos resultados de la mezcla asfáltica. a. Agregados. Es una mezcla, natural o no, de piedra o gravas trituradas, escorias, arenas

finas, arenas gruesas y llenante mineral. Puede contener todos o algunos de estos materiales. Los agregados deben ser limpios, duros y durables. Los agregados son los responsables de la capacidad de carga o resistencia de la mezcla y constituyen entre el 90% y 95% en peso de la mezcla y entre el 75% y 85% en volumen de la misma. (Norma INVIAS 2007)

La idoneidad de los agregados para su empleo en mezclas asfálticas se determina por sus características de: granulometría, resistencia al desgaste, estabilidad, limpieza, fricción, propiedades de la superficie (rugosidad), forma de las partículas (trabajabilidad y compactabilidad), absorción y afinidad con el asfalto.

b. Asfalto. Es un material cementante de color café a negro, con consistencia sólida, semisólida o líquida, procedente de yacimientos o lagunas asfálticas o de la destilación del petróleo. El asfalto es útil al ingeniero porque es un cementante altamente impermeable y durable. Es resistente a la acción de la mayoría de los ácidos, álcalis y sales. También es altamente viscoso a temperatura ambiente y puede licuarse aplicando calor, un disolvente o emulsificándolo en agua.


El uso del asfalto en vías puede tener dos campos de aplicación, el diseño de mezclas asfálticas y la elaboración y colocación de las mismas. Francis N. Hveem, 2002, clasificó las propiedades de los materiales asfálticos de acuerdo con:

La Consistencia (fluidez, viscosidad o plasticidad).

La Durabilidad o resistencia al envejecimiento.

La Velocidad de Curado.

La Resistencia a la acción del agua.

Así mismo, el asfalto debe ser puro y se deben tener las precauciones de seguridad adecuadas para su manejo.

c. Vacíos de aire. Los vacíos de aire son importantes en el comportamiento de la mezcla ya que permiten absorber los cambios volumétricos producidos por el clima o el tránsito. Para mezclas asfálticas en caliente se recomienda un porcentaje entre 4% y 6% de vacíos (INVIAS 2002 y 2007) y para mezclas en frío se sugiere un valor mayor. Un alto contenido de vacíos puede producir deformaciones permanentes y un bajo contenido de los mismos, exudación.

4.5.2 DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS El diseño de una mezcla asfáltica consiste en establecer las proporciones óptimas de los agregados y el ligante que producirán una mezcla que pueda ser extendida y compactada en una superficie uniforme de textura adecuada, que sea resistente a la deformación, que soporte sin agrietarse las deflexiones elásticas repetidas del pavimento, y que sea impermeable al agua y durable. La cantidad de asfalto está influenciada por la cantidad de arena y, en especial, de la llenante (filler). Se ha encontrado que bajo condiciones normales y entre límites razonables, la adición del llenante reduce la cantidad de asfalto para la mezcla. El filler puede ser natural o de aporte, en este último caso puede ser cemento Pórtland, polvo calizo de trituración o cualquier material inerte. La adición de un llenante satisfactorio incrementa la estabilidad de la mezcla asfáltica. Cantidades excesivas de llenante pueden reducir la durabilidad de la mezcla asfáltica debido a la reducción de la película de asfalto sobre los agregados. Los contenidos de llenante nunca deben exceder el 10% del peso total de los agregados en mezclas asfálticas y el 20% para mezclas de arena asfalto. Usualmente, consideraciones


prácticas y ejecuciones óptimas indican cantidades de llenante del 5% para mezclas asfálticas y del 10% para mezclas de arena asfalto. Las mezclas deben diseñarse empleando un llenante comercial que cumpla con las especificaciones ASTM. La granulometría está establecida por normas o especificaciones que determinan usos o bandas granulométricas, aunque el diseño está basado más en consideraciones volumétricas y en las características de compactación y empaquetamiento de los agregados. Los métodos de diseño primordialmente son empíricos, entre los más conocidos se tienen el Marshall, Hveem, el derivado del SHRP, Superpave (EEUU); y el Duriez (Francia), entre otros. 4.5.3 EVALUACIÓN Y AJUSTES DE UNA MEZCLA DE DISEÑO Los siguientes conceptos son una traducción del numeral 2.05 (Evaluation and adjustment of mix design) del Capítulo 2 del Manual del Instituto del Asfalto, 2003: “Cuando se elabora el diseño de una mezcla es frecuentemente necesario hacer varias combinaciones de prueba para encontrar una que cumpla con todos los criterios de diseño. Cada una de las mezclas de prueba sirve como una guía para evaluar y ajustar las pruebas siguientes. Para el diseño de mezclas preliminares o exploratorias, es aconsejable comenzar con una gradación de agregado que se acerque a la media de los límites establecidos. Las mezclas de prueba iniciales sirven para establecer la fórmula de trabajo y verificar que la gradación de agregado dentro de los límites especificados puede ser reproducida en la planta mezcladora”. “Cuando las mezclas de prueba no cumplen los criterios de diseño, con cualquier contenido de asfalto seleccionado, será necesario modificar o rediseñar la mezcla. La manera más fácil de rediseñar una mezcla, para corregir una deficiencia, es cambiar la gradación de los agregados ajustando los porcentajes empleados. Este ajuste suele ser suficiente para cumplir con las especificaciones”. “Existen lineamientos generales para ajustar las mezclas de prueba, aunque estas sugerencias no funcionan en todos los casos:

a. Pocos vacíos y baja estabilidad

Los vacíos pueden incrementarse de diferentes formas. Una estrategia general para lograr vacíos suficientes en el agregado mineral (y en consecuencia, proveer espacio para una


adecuada cantidad de asfalto y vacíos de aire), es ajustar la graduación del agregado mediante la adición de más agregado grueso o fino. Si el contenido de asfalto es más alto de lo normal, y el exceso no es necesario para remplazar el absorbido por el agregado, dicho contenido de asfalto debe reducirse con el fin de incrementar el porcentaje de vacíos, proveyendo un adecuado VAM (Voids in Mineral Aggregate). Se debe recordar que al disminuir el porcentaje de asfalto se afectará la durabilidad del pavimento. Una reducción excesiva en el contenido de asfalto puede ocasionar fracturación, oxidación acelerada e incremento de la permeabilidad. Si los ajustes anteriores no producen una mezcla estable, tendrá que cambiarse el agregado. También es posible mejorar la estabilidad e incrementar el contenido de vacíos en el agregado de la mezcla, mediante el incremento del agregado grueso o la reducción de la cantidad de material que pasa la malla No. 200. El contenido de vacíos puede mejorarse, sin sacrificar la estabilidad de la mezcla, con la incorporación de arena triturada.

b. Pocos vacíos y estabilidad satisfactoria

Eventualmente, los bajos contenidos de vacíos pueden producir inestabilidad asociada con el flujo plástico después de que el pavimento ha sido expuesto al tránsito debido a la reorientación de las partículas y a la compactación adicional. Los vacíos insuficientes pueden ser producto de la cantidad requerida de asfalto para obtener una durabilidad alta en mezclas finas; no obstante la estabilidad podría ser satisfactoria inicialmente para el tipo de tránsito especificado. Asimismo, la degradación de un agregado pobre durante la producción de la mezcla o bajo la acción del tránsito puede ocasionar subsecuentemente la inestabilidad y el flujo si el contenido de vacíos de la mezcla no es suficiente. Por estas razones, las mezclas con pocos vacíos tendrán que ajustarse por uno de los métodos dados en el litoral anterior, sin importar que la estabilidad inicial sea satisfactoria.

c. Vacíos satisfactorios y baja estabilidad

La baja estabilidad, cuando los vacíos y la gradación del agregado son satisfactorios, puede indicar algunas deficiencias en el agregado. Se deberán tomar acciones para mejorar la forma de las partículas de los agregados empleando material producto de trituración, incrementando el porcentaje de agregado grueso en la mezcla o, posiblemente, aumentando el tamaño máximo del agregado. Las partículas de agregado con textura rugosa y superficies poco


redondeadas presentan mayor estabilidad cuando se mantiene o incrementa el volumen de vacíos.

d. Muchos vacíos y estabilidad satisfactoria

Los altos contenidos de vacíos se asocian frecuentemente con mezclas de alta permeabilidad. Al permitir la circulación de aire y agua a través del pavimento se puede ocasionar el endurecimiento prematuro del asfalto, el desprendimiento del agregado o posible el desprendimiento del asfalto en el agregado. Aún cuando la estabilidad sea satisfactoria se deben realizar ajustes para reducir los vacíos. Se logran pequeñas reducciones mediante la adición de polvo mineral a la mezcla. Podría ser necesario seleccionar o combinar agregados para lograr una gradación que este cerca de la curva de máxima densidad.

e. Muchos vacíos y baja estabilidad Se deben tomar en cuenta dos pasos para este tipo de condiciones; el primero es ajustar el volumen de vacíos mediante los métodos discutidos en los puntos anteriores; y el segundo, si los ajustes no mejoran la estabilidad, es evaluar la calidad de los materiales”. 4.6 SELECCIÓN DEL DISEÑO FINAL Los siguientes conceptos son una traducción del numeral 5.15 (Selection of final mix design) del Capítulo 2 del Manual del Instituto del Asfalto, 2003: “La selección del diseño final de la mezcla corresponde a la más económica y que cumple satisfactoriamente con todos los criterios establecidos. De cualquier forma, la mezcla no debe ser diseñada para optimizar una propiedad en particular”. “Las mezclas con valores anormalmente altos de estabilidad son indeseables debido a que 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 el terreno natural son débiles y permiten deflexiones moderadas o relativamente altas con el tránsito”. “La selección del contenido óptimo debe balancear todas las propiedades de la mezcla. Normalmente, los criterios de diseño de mezclas producirán un rango limitado de contenidos de asfalto aceptables que cumplan todos los lineamientos”.


“El contenido de asfalto puede ajustarse en este rango limitado para lograr propiedades de la mezcla que satisfagan los requerimientos de un proyecto en especial; algunas propiedades serán más críticas que otras y dependerán de las circunstancias del diseño como puede ser el tránsito, la estructura, el clima, el equipo de construcción y otros factores. Aún más, el proceso de balance no es el mismo para cada pavimento ni para cada diseño de mezcla”. “Existen algunas consideraciones en el ajuste que deben ser evaluadas antes de establecer el contenido de asfalto final: 4.6.1 Efecto de los vacíos de aire Debe enfatizarse que el rango de diseño de los vacíos de aire (3% a 5 %) es el nivel deseado después de varios años de tránsito. Esta meta no varía con el tránsito ya que se supone que el esfuerzo de compactación de laboratorio es seleccionado para el volumen vehicular esperado. La obtención del rango de los vacíos de aire normalmente se logra si la mezcla se diseña con el esfuerzo de compactación apropiado. El porcentaje de los vacíos después de la construcción se encuentra entre el 6% y 8 % ya que se espera un poco de densificación con el tránsito. El resultado de un cambio en cualquier factor o cualquier desvío en el procedimiento de diseño, generará una pérdida de desempeño o vida de servicio de la mezcla. Se han observado mezclas que finalmente se densifican con el 3 % de vacíos y puede esperarse que se desarrolle el ahuellamiento si se colocan en situaciones de transito pesado. Varios factores pueden contribuir a este problema, como un incremento arbitrario o accidental en el contenido del asfalto mezclado en la planta o un incremento en la cantidad de partículas finas que pasan el tamiz No. 200. De forma similar, pueden ocurrir problemas si el contenido final de vacíos de aire está por encima del 5%, o si el pavimento se construye con más del 8% de vacíos de aire inicial. La fragilidad, el agrietamiento prematuro, el desgaste y el desprendimiento son algunas de las posibles patologías bajo estas condiciones. El objetivo global es limitar los ajustes del diseño del contenido de asfalto a menos de 0.5% de vacíos de aire de la media del criterio de diseño (4%), especialmente en la parte baja del rango; y para verificar que la mezcla de la planta se parezca exactamente a la elaborada en el laboratorio. 4.6.2 Efecto de los vacíos llenos de asfalto (VFA – Voids Filled with Asphalt)


Aunque los VFA, los VAM y los Va, están interrelacionadas entre sí y con dos de estos valores se puede obtener el tercero, se puede tomar el criterio VFA para el diseño de mezclas con VAM de marginales a aceptables. El efecto principal del criterio de VFA es que limita los niveles máximos de VAM y subsecuentemente, los niveles máximos de contenido de asfalto. El VFA también restringe el contenido de aire permitido para mezclas cercanas al criterio mínimo de VAM. Las mezclas diseñadas para volúmenes de tráfico bajos, no pasarán el criterio de VFA con un porcentaje de vacío relativamente alto (5%), aunque el criterio de vacíos de aire se cumpla. El propósito es evitar mezclas menos durables en situaciones de tránsito ligero. Las mezclas diseñadas para tránsito pesado no pasarán el criterio VFA con un bajo porcentaje de vacíos (menor de 3.5%), aunque éstos se encuentran en el rango de aceptación, porque un bajo contenido de vacíos suele ser crítico en términos de deformación permanente. El criterio VFA ayuda a evitar mezclas que puedan ser susceptibles al ahuellamiento en situaciones de alto tráfico. El criterio VFA provee un factor de seguridad adicional en el diseño y construcción en términos de comportamiento ya que puedan ocurrir cambios entre la etapa de diseño y la construcción, y el incremento en el margen de error es aceptable”.

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