7 CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO AMAAC Rigidez del Concreto Asfáltico Estimada con Ensayes de Laboratorio y de Campo Dr. Raúl Vicente Orozco Santoyo Perito en Vías Terrestres y en Geotecnia

RESUMEN

Se describen los criterios básicos que utiliza el autor para evaluar la rigidez del concreto asfáltico, utilizando el Módulo (Elástico) Marshall (MM) como estimador. Se explican los conceptos básicos para definir MM, a partir de los resultados obtenidos con el usual equipo Marshall. Se dan ejemplos de aplicación y criterios de aceptación, corrección y rechazo, para el proyecto y control de calidad durante la construcción de las capas de concreto asfáltico en aeropuertos, carreteras y calles. Se presenta la metodología para el cálculo sistemático de MM, aplicable tanto a las probetas elaboradas en el laboratorio como las provenientes de “corazones” extraídos en la obra. Se obtiene el factor de transformación entre los resultados de laboratorio al formar especímenes por impacto y los de campo por efecto de amasado.

1) ESTIMADOR DE LA RIGIDEZ DEL CONCRETO ASFÁLTICO

Para evaluar la rigidez relativa del concreto asfáltico en una capa de pavimento flexible, se sugiere utilizar un estimador práctico que el autor denomina Módulo (Elástico) Marshall MM. Este parámetro se obtiene al aplicar la Ec. 1 siguiente (Orozco y Torres, 1986):

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Donde: MM = Módulo (Elástico) Marshall (kg/cm2) S = Estabilidad obtenida con el equipo Marshall = carga de falla, sin corregir (kg) f = Flujo obtenido con el equipo Marshall = deformación en la falla (cm) t = Espesor medio de la pastilla Marshall (cm)

En la Fig. 1 se ilustra la deducción del MM, a partir de la curva esfuerzodeformación unitaria de la Ec. 1.

Figura 1. Relación esfuerzo-deformación unitaria para obtener el módulo Marshall

2) CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Según el autor (Orozco, 1969 y 2010), en una muestra inalterada de concreto asfáltico se puede establecer la relación entre la compacidad (C), o concentración de sólidos, el contenido de cemento asfáltico (Ca) y el grado de saturación (Sr) mediante el Diagrama CAS (Compacidad-Asfalto-Saturación), como se explica en los incisos siguientes: 2

2.1 Compacidad

Es la concentración de sólidos de un concreto asfáltico expresada mediante la siguiente ecuación:

(2) Donde:

C = Compacidad o concentración de sólidos Vs = Volumen de sólidos Vt = Volumen total d = Peso volumétrico seco = Peso volumétrico de los sólidos s Por otro lado:

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(4)

(5) Donde:

n e

= Porosidad = Vv / Vs = volumen de vacíos / volumen de sólidos = Relación de vacíos = Vv / Vs = volumen de vacíos / volumen de sólidos Ca = Contenido de cemento asfáltico, en peso Sr = Grado de saturación = Va / Vv =volumen de cemento asfáltico / volumen de vacíos Gs = Peso específico relativo de los sólidos = densidad relativa o “gravedad” específica 3

En la Fig. 2 se presenta el diagrama gravimétrico ilustrativo de los conceptos anteriores. En este escrito, el líquido está representado por el cemento asfáltico.

Figura 2. Definiciones gravimétricas básicas para una mezcla de sólidos y fluido

2.2 Diagrama (CAS)

La representación gráfica de la Ec. (5) se presenta en la Fig. 3, donde se dibujan las curvas de igual propiedad (“isocaracteristicas”). En la figura 4 se ilustra un caso de aplicación para el aeropuerto de Mazatlán (Orozco, 1986), donde se cumplieron simultáneamente los criterios de aceptación indicados en el Cap. 3.

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Figura 3. Diagrama CAS (Compacidad-Agua o Asfalto-Saturación)

Figura 4. Diagrama CAS.- Curvas de Igual Módulo Marshall

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3) CRITERIOS DE ACEPTACIÓN Y RECHAZO El suscrito utiliza los criterios de aceptación y rechazo siguientes, los cuales deben cumplirse simultáneamente: Grado de saturación (Sr) comprendido entre 75 y 85 %, para prevenir desgranamientos (85%) del concreto asfáltico. Módulos (Elásticos) Marshall (MM) comprendidos entre 700 y 1000 kg/cm2, para evitar inestabilidades del concreto asfáltico recién hecho, en el momento de aterrizar y girar (“roncear”) las aeronaves.

Por ejemplo, obsérvese en la Fig. 4 que la zona de aceptación, que cumple al mismo tiempo los dos criterios, corresponde al “pseudorectángulo”, el cual se puede adoptar como la carta tridimensional de control de calidad, amplificada en la Fig. 5. Figura 5. Diagrama CAS para carta de control de calidad. Zona de aceptación para el concreto asfáltico

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4) CASOS DE APLICACIÓN Además del caso del Aeropuerto de Mazatlán para Aeropuertos y Servicios Auxiliares (ASA), ilustrado en la Fig. 4, en las Figs. 6 y 7 se presenta un caso (Frente 1) para la Planta de Asfalto del Gobierno del Distrito Federal; similarmente, en la Figs. 8 y 9 se ejemplifica el caso de otro frente de ataque (2). Las Figs. 7 y 9 fueron las cartas bidimensionales de control de calidad para cada frente del mismo banco (Parres).

Figura 6. Estudio Frente 1. Diagrama Compacidad-Agua o Asfalto-Saturación (CAS). Banco Parres

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Figura 7. Diagrama Compacidad-Agua o Asfalto-Saturación (CAS). Zona de aceptación. Carta Bidimensional de Control de Calidad. Frente 1. Banco Parres

Figura 8. Estudio Frente 2. Diagrama: Compacidad-Agua o Asfalto-Saturación (CAS). Banco Parres

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Figura 9. Diagrama Compacidad-Agua o Asfalto-Saturación (CAS). Zona de aceptación. Carta bidimensional de Control de Calidad. Frente 2. Banco Parres.

Se hace notar que los valores de aceptación para MM en autopistas puede variar entre 400 y 600 kg/cm2, con muy buenos resultados. Nótese que el Contenido de asfalto (Ca) versus la Compacidad (C) varía para el mismo banco; por eso, se requieren pruebas de laboratorio para cada frente de explotación.

5) COMPARACIÓN ENTRE LAS RIGIDECES DEL CONCRETO ASFÁLTICO DE CAMPO Y LABORATORIO

Se sabe perfectamente que el efecto de la compactación en el campo real no se parece en absoluto con el correspondiente del laboratorio. Es decir, en la realidad los equipos de construcción compactan por amasado mediante rodillos metálicos y/o neumáticos, combinados con el efecto dinámico; en cambio, en el laboratorio se compactan los especímenes para el control de calidad mediante impactos con pisones (impacto)., aunque debieran hacerse por amasado para acercarse más a la verdad.

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Por esta razón, existe un factor de transformación que varía generalmente entre 2 y 4, para reproducir ese efecto real con el del laboratorio (Orozco y Cía, 2010). En las Figs. 10 a 12 se presentan los valores de MM calculados con los datos obtenidos del procedimiento de control de calidad rutinario (Marshall) llevado durante la construcción. Es decir, con muestras de la producción de concreto asfáltico (impactos). Se observa que para este caso, las gráficas de tendencias correspondientes al promedio de los cinco últimos valores consecutivos no están en la zona de rechazo. En forma independiente se obtuvieron los Módulos (Elásticos) Marshall de todos los corazones extraídos ex profeso en el campo (amasado). Se han realizado análisis para determinar cuál factor de transformación proporciona mejor semejanza entre las gráficas de tendencias, a partir de los datos obtenidos en el campo y en el laboratorio. Después de varios ejercicios con diferentes factores de transformación (1, 2, 3 y 4) se concluyó que el valor de 4 es el factor que más se ajusta para correlacionar los efectos de campo con los de laboratorio. Esto se ilustra en las Figs. 13 y 14.

6) CONCLUSIÓN

Tomando en cuenta las gráficas de tendencias, se concluyó que el factor de transformación, en muchos casos, es prácticamente igual a 4. En otras palabras: el MM de LABORATORIO (Impactos con pisón) = 4 veces el MM de CAMPO (amasado con rodillo).

7) REFERENCIAS

Orozco-Santoyo R V, 1986: Construcción y Control de Calidad, XIII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos. Mazatlán, Sin. Orozco-Santoyo R V and Torres-Verdín V, 1986: Criterio de Aceptación para Mezclas Asfálticas, XV Congreso Panamericano de Carreteras, México, DF. Orozco y Cía, 2009: Comportamiento de Materiales de Las Carpetas de Concreto Asfáltico en la Segunda Pista del Aeropuerto de Cancún, Q. Roo. Aeropuertos del Sureste, S.A. de C.V.

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Figura 10 Valor MM a partir de resultados de laboratorio para la capa 1. Aeropista de Cancún

Figura 11 Valor MM a partir de resultados de laboratorio para la capa 2. Aeropista de Cancún

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Figura 12 Valor MM a partir de resultados de laboratorio para la capa 2. Aeropista de Cancún

Figura 13 Factor de transformación de resultados para el Módulo (Elástico) Marshall. Capa 1. Aeropista de Cancún

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Figura 14 Factor de transformación de resultados para el Módulo (Elástico) Marshall. Aeropista 2 de Cancún

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