Ensayo Marshall de parasuelos

Construcción. Carreteras y caminos. Pavimentos asfálticos. Cemento. Briquetas

  • Enviado por: Boris
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ANTECEDENTES

Con el acontecimiento de la segunda guerra mundial, el Cuerpo de Ingenieros del ejército de los Estados Unidos de Norteamérica vio como un importante problema de proyecto y construcción de aeropuertos militares en todos los frentes de batalla.

En ese momento el Cuerpo de ingenieros tenía un tipo de ensayos simples, y esquemas de trabajo para los proyectos y el control de calidad de campo para pavimentos asfálticos.

Carecían también, de un criterio racional para la determinación del contenido optimo de asfalto en mezclas que serian sometidas a enormes cargas por los aviones y vehículos militares.

Teniendo en cuenta estos problemas, el Cuerpo de Ingenieros inicio un estudio para seleccionar aparatos de ensayo simples y de fácil transporte que podría ser usado en campo como control de calidad.

La segunda fase de este estudio era determinar un método de compactar cuerpos de prueba en laboratorio, cuyos valores de densidad fueran comparables y compatibles con aquellos obtenidos en campo.

La tercera fase de esa búsqueda era naturalmente el establecimiento de un criterio de proyecto racional de ensayos previos de control.

Así fue que el cuerpo de ingenieros adopto un aparato y método de proyecto de mezclas asfálticas, concebido por Bruce G. Marshall del Departamento de Caminos del estado de Mississipi.

A fin de determinar un método de laboratorio para la compactación de los cuerpos sometidos a prueba y para un criterio de seguridad de las propiedades de ciertas mezclas con el ensayo de Marshall, fue necesario construir un gran número de pistas experimentales, en las cuales se variaban el porcentaje de asfalto y la granulometría de los agregados. Trenes tipo fueron aplicados a estas pistas experimentales un gran numero de veces, para determinar el efecto de compactación por el propio trafico. De dicho estudio el Cuerpo de Ingenieros estableció el siguiente criterio, basado en los resultados obtenidos con el ensayo de Marshall:

La utilización de este criterio debe ser limitado a las mezclas asfálticas, utilizándose cementos asfálticos de penetración usual, y contenido de agregados con diámetro máximo de una pulgada (2,54 cm.) o menos.

El Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos establecio que para que haya equilibrio entre la estabilidad y la durabilidad los vacios ocupados por aire en la mezcla total serian limitados entre 3 y 5%.

EQUIPO EMPLEADO

_Una maquina para la aplicación de la carga vertical, especialmente diseñada para esta clase de prueba, cuya capacidad es de 2724 Kg. (6000 Lb.).

_Moldes para la preparación de muestras de 10 cm. ( 4”) de diámetro interior. Cada molde tiene una base metálica y se halla dividida en dos secciones; la sección inferior tiene 7,5 centímetros (3”) de altura, y la superior 6,35 cm. (2 ½”).

_Un sujetador de molde para facilitar la compactación de la mezcla.

_Un martillo o pison de base circular con 9,8 cm. (3 7/8”) de diámetro, 4,5 Kg. (10 Lb.) de peso y 46 cm. (18”) de caída libre.

_Un dispositivo para las pruebas de estabilidad, especialmente diseñado, y formado por dos segmentos semicirculares cuyo diámetro interior mide 5 cm. (2”).

_ Un medidor de escurrimiento acoplado al dispositivo anterior.

ENSAYOS PREVIOS

Agregados

Granulometría

Desgaste < 50 %

Solidez < 12 %

Adherencia > 95 %

Peso especifico

Limites de Atterberg

El material grueso debe tener como mínimo el 50 % de sus caras fracturadas o angulares.

Asfalto

Peso especifico.

Penetración.

Punto de llama.

Punto de

Temperatura de mezclado.

Temperatura de compactado.

BRIQUETAS

Las briquetas se preparan con diferentes contenidos de asfalto; estos contenidos tienen una variación de 0,5 %.

Se deben preparar al menos tres briquetas para cada combinación de agregados con cemento asfáltico.

Los agregados deben estar dentro de la banda granulométrica establecida elegida.

En la preparación de los cuerpos de prueba o briquetas el agregado y el asfalto son calentados separadamente a temperaturas especificadas, y entonces mezclados y compactados.

El ensayo es realizado con briquetas o cuerpos de prueba cilíndricos de 4” (10,16 cm.) de diámetro, aproximadamente 2 ½ ” (6,35 cm.) de altura.

En cada molde, se colocaran entre 1000 y 1500 gramos de mezcla. Por lo general el peso de material para elaborar una briqueta es de 1200 gramos

BRIQUETA DE TANTEO

Estando determinadas las cantidades en proporción de los agregados, se elabora una briqueta de tanteo. Pesando la cantidad de material con las proporciones predefinidas. Luego debe agregarse asfalto en un porcentaje determinado asumido, para así obtener una mezcla que será tomada como el 100 %; por ejemplo:

Si tenemos el peso del material = 1200 gr. Y encontramos porcentajes de:

_ Material triturado (35 %) = 420 gr.

_Arena (65 %) = 780 gr.

Y tenemos asumido el porcentaje de asfalto = 7,0 %, entonces:

Asfalto + agregado = 100 %

7,0 % + 93,0 % = 100 %

Para obtener estos porcentajes en peso:

Peso asfalto % de asfalto

Peso agregado % de agregado

Así obtenemos: Peso asfalto = 1200 * 7,0 / 93,0 = 90,3 gr.

Si la altura de la briqueta no es de 2,5”, entonces hacemos la corrección y obtenemos el peso ajustado del agregado:

Peso ajustado = 2,5” * peso del agregado usado

Altura que obtuvo la muestra

Así, entonces con estos pesos se preparan las briquetas.

DETERMINACION DE TEMPERATURAS DE MEZCLADO Y COMPACTACION

_La temperatura a la cual el cemento asfáltico debe ser calentado para producir una viscosidad de 170 ± 20 CST deberá ser la temperatura de mezcla.

_ La temperatura a la cual el cemento asfáltico debe ser calentado para producir una viscosidad de 280 ± 30 CST tendrá que ser la temperatura de compactado.

Recomendaciones:

_ No se debe exagerar en el tiempo del calentado de la mezcla asfaltica porque esta se hace quebradiza. Lo recomendable es calentarla durante 3-5 minutos.

_La temperatura minima a la cual la mezcla debe llegar al sitio de la obra debe ser de 120 ºC , caso contrario se corre el riesgo de al ser compactada adquiera una superficie porosa, esto aumenta la posibilidad de oxidación y envejecimiento prematuro del concreto asfaltico.

COMPACTACION DE LAS MUESTRAS O BRIQUETAS

_Limpiar el molde de ensamblaje de la muestra y la cara del martinete de compactación, y calentarlos en agua hirviendo, o en un horno a una temperatura comprendida entre 93.3 ºC y 148.9 ºC.

_Colocar una pieza de papel filtro cortada a justo tamaño en el fondo o base del molde antes de introducir la mezcla.

_Situar la muestra en el molde en su totalidad, golpear la mezcla vigorosamente con una espátula caliente paleteando 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces sobre el interior.

_Remover el collar y alisar la superficie de la mezcla con una paleta para una ligera forma redondeada.

_Las temperaturas de las mezclas inmediatamente anteriores a la compactación deberán estar dentro de los límites de la temperatura de compactación establecidas anteriormente.

_Reponer el collar, colocar entonces una pieza de papel filtro cortado exactamente al tamaño, y colocarlo en la parte superior de la mezcla y colocar el molde ensamblado en el pedestal de compactación, en el sujetador de molde.

_Aplicar 50 golpes con el martillo de compactación de 10 libras (4.54 Kg.) de peso con caída libre de 18 pulgadas (457.2mm.). Sostener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde ensamblado durante la compactación.

_Remover el plato de base y el collar, invertir y reensamblar el molde. Aplicar el mismo número de golpes de compactación a la cara opuesta a la anterior.

_Después de la compactación remover el plato de base y colocar el extractor de muestras en la parte inferior de la mezcla.

_Retirar el collar del espécimen o muestra. Cuidadosamente transferir la briqueta a una superficie lisa, llana y dejarla durante una noche a temperatura ambiente.

PROCEDIMIENTO

Una vez frías las briquetas y extraídas del molde se pesan al aire, y se mide su altura, si esta es mayor que 2.5” debe hacerse una corrección. Luego se debe hacer los siguientes ensayos a la briqueta compactada:

_Densidad Bulk.-para determinar el volumen de la briqueta incluyendo vacíos, parámetro fundamental del ensayo Marshall para definir las propiedades de la mezcla con respecto al porcentaje de vacíos.

_Análisis de densidad y vacíos.- Se determina el peso especifico de los materiales.

Para evitar discrepancias en la utilización del peso especifico aparente, y peso especifico Bula, la norma 153-64 del M.O.P.T. establece:

En suelos gruesos utilizar peso especifico BulK.

Para suelos finos adoptar peso especifico aparente.

_ Estabilidad y flujo.- la muestra antes de ser ensayada, deberá sumergirse en un baño Maria calentado a 60 ± 1 ºC, durante un tiempo comprendido entre 30 y 40 minutos; inmediatamente después de retirada la muestra del baño caliente, se la colocara dentro del dispositivo para la prueba de estabilidad, y éste en la maquina o prensa de ensayo.

Al iniciarse la prueba, el gato de la prensa deberá moverse a una velocidad de 2” (50,8 mm.) por minuto, hasta que la muestra falle. La carga máxima registrada se indicara como “estabilidad” de la mezcla.

La deformación sufrida por el cuerpo de prueba durante la aplicación de la carga hasta su valor máxima, es medida por un medidor de fluencia, y deberá anotarse como valor de fluencia de la muestra. Las unidades marcadas para fluencia son de 0,01" (0.254 mm.)

Los datos obtenidos nos permiten hacer las siguientes relaciones o confrontaciones:

Densidad………………….……. Porcentaje de asfalto

Estabilidad ……………..…….. Porcentaje de asfalto

Fluencia ………………………….. Porcentaje de asfalto

Porcentaje de vacíos ….. Porcentaje de asfalto

Para facilitar la determinación del contenido optimo de asfalto, es interesante alinear verticalmente los gráficos, como se muestra en la figura numero 1. XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Para determinarse el contenido optimo de cemento asfáltico se elaboran las curvas conforme a lo citado, y el contenido a ser elegido debe satisfacer:

_ El punto de máxima densidad.

_ El punto de máxima estabilidad.

_ El punto de aproximadamente 4% de vacíos.

_ Un punto dentro los limites de fluencia.

Con el contenido optimo para cada relacion, lo que queda por hacer es sacar un promedio.

Los valores de estabilidad, según el método Marshall, recomendados para algunos tipos de pavimentos flexibles son los siguientes:

454 Kg. (1000 libras) para capas de rodamiento que soportan un transito liviano a mediano.

781 Kg. (1500 libras) para capas de rodamiento que soporten un transito mediano a pesado.

Especificación del Cuerpo de Ingenieros de EE.UU. (Tabla 1 )

Propiedades ensayadas

Tipo de mezcla

Criterio para 100 psi llanta

Estabilidad

Fluencia

Porcentaje de vacíos total

Todas

Todas

Concreto asfal.

Arena-asfalto

Binders

Mínimo 500 lb.

Maximo 20

3-5

5-7

4-6

Llenado de vacios del agregado

Concreto asfal.

Arena-asfalto

Binders

75-85 %

65-75 %

65-75 %

ESQUEMA DEL ENSAYO MARSHALL (RESUMEN)

Agregado + asfalto molde, 50 golpes cada lado se pesan las briquetas baño Maria 60 ºC, 20-30 minutos

Prensa del aparato Marshall mediciones de carga de ruptura y de deformación plástica.

Bibliografía

_AASHTO ESPECIFICACIONES “Standard Method of test for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus” Pg. 737 -741.

_RAUL VALLE RODAS “Carreteras y caminos” Pg. 238 - 240.

_”Pavimentacao” Pg. 285 - 290

_ Ramón Oviedo Bellot “Texto, Pavimentos, Método Marshall”

ANEXOS

'Ensayo Marshall de parasuelos'

Ensayo de estabilidad Marshall.
Anillo de carga con indicador, medidor de flujo, molde de estabilidad

'Ensayo Marshall de parasuelos'

Plato caliente, martillo Marshall de compactación, molde 4” Marshall.

'Ensayo Marshall de parasuelos'

    Equipo Marshall, prensa y compactador.

'Ensayo Marshall de parasuelos'

Compactador  manual  Marshall, incluyendo martillo  de compactación

'Ensayo Marshall de parasuelos'

'Ensayo Marshall de parasuelos'