Agregado Mineral

IMPORTANCIA DE LOS AGREGADOS PETREOS EN LOS PAVIMENTOS FLEXIBLES

Dr. Jorge Cepeda AldapeSubdirector de Proyectos Especiales de la DGST [email protected]. (01 55) 55 24 73 25

Hermosillo, Son., 4 de marzo de 2004

Direccin General de Servicios TcnicosSubdireccin de Proyectos EspecialesAsociacin Mexicana del Asfalto

Comportamiento del Agregado Mineral

Materiales ptreos naturales.(Depsitos fluviales o glaciares)

Materiales ptreos elaborados.(Canteras sometidas a trituracin)

Materiales sintticos.(Sub-productos industriales)Comportamiento del Agregado Mineral

Agregados de textura rugosa y buena cubicidad, dan mejor resistencia que los redondeados y de textura lisa.

Comportamiento del Agregado MineralAgregado cbicoAgregado redondeado

Aunque ambos agregados tienen la misma resistencia interna, las piezas angulares tienden a cerrarse ms apretadamente.

Agregado cbicoAgregado redondeadoComportamiento del Agregado Mineral

Las partculas redondeadas, en vez de trabarse, tienden a deslizarse una sobre otra, generndose un plano por donde las partculas se deslizan o fallan a corte.

Antes de la cargaDespus de la cargaPlano de corteComportamiento del Agregado Mineral

En pilas de agregado triturado el ngulo de reposo es mayor que el de una pila de agregado redondeado no triturado.


Ingenierilmente el comportamiento a corte de los agregados se explica por la teora de Mohr-Coulomb, la cual enuncia que la resistencia al corte de una mezcla depende de:

Unin entre las partculas del agregado (Cohesin).

Magnitud de los esfuerzos normales.

Friccin interna de los agregados.


La expresin de Morh-Coulomb usada para expresar la resistencia al corte de un material es:= c + s . tan t = Resistencia al corte de la mezcla de agregadosc=Cohesin del agregados= Esfuerzo normal al que est sujeto el agregado=ngulo de friccin interna


De forma grfica la expresin es:t = c + s . tan Comportamiento del Agregado Mineral

Al ser la masa de agregados cargada, sta tiende a ser ms resistente al corte ya que los esfuerzos resultantes tienden a unir a los agregados. Aumenta la resistencia a corte.

El ngulo de friccin interna es indicativo de la capacidad del agregado de generar trabazn entre ellos. (Interlocking)


Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Comportamiento de la Mezcla AsflticaPara entender mejor el comportamiento de la mezcla asfltica hay que considerar:1. Que el cemento asfltico y el agregado mineral actan como un sistema.

2.Conocer los mecanismos que provocan deterioros y que deseamos eliminar como son: deformaciones permanentes, fisuracin por fatiga y fisuracin por baja temperatura.

Caractersticas de los pavimentos

Funcionales

Estructurales

Deterioros ms comunes en los pavimentos flexibles

Los caractersticas funcionales corresponden prcticamente a las superficiales del pavimento, capa de rodadura, que afectan directa y especialmente a los usuarios.

La capa de rodadura debe proporcionar una superficie de rodadura segura, cmoda y durable.

Deben mantener estas caractersticas bajo las cargas repetidas del trfico y las cambiantes condiciones atmosfricas durante un largo periodo de tiempo.

De tal forma que la adherencia neumtico-pavimento, la regularidad superficial, el ruido de rodadura, las caractersticas reflectantes y la permeabilidad, vienen a ser las caractersticas funcionales o superficiales ms importantes que debe reunir un pavimento. Deterioros ms comunes en los pavimentos flexibles

Caractersticas funcionales:

Adherencia neumtico-pavimentoregularidad superficialruido de rodaduracaractersticas reflectantespermeabilidadDeterioros ms comunes en los pavimentos flexibles

Las caractersticas estructurales deben interesar mucho a los organismos encargados de su diseo y conservacin as como a los dedicados a la administracin de las carreteras. ?

Entre las caractersticas estructurales est la de repartir las presiones verticales ejercidas por los vehculos de modo que a la subrasante solo lleguen cargas compatibles con su capacidad de soporte, teniendo muy en cuenta la resistencia a fatiga de los materiales que constituyen a cada una de las capas.

Deben proteger las terraceras de la intemperie y principalmente del agua en sus distintos estados fsicos.Deterioros ms comunes en los pavimentos flexibles

Propiedades estructurales

el estado tensional producido en el pavimento por el paso del trfico, est directamente relacionado con las caractersticas de los materiales empleados en las diferentes capas, en particular de las mecnicas y con los espesores de dichas capas, por lo que resulta lgico esperar que las capas estn sometidas a diferentes solicitaciones por el trfico, tengan distinta deformabilidad, y ello d cmo resultado discontinuidad de tensiones y deformaciones entre capas.

Partiendo de eso, se precisa un anlisis tensional para tener una idea de los efectos de las cargas del trfico. Si se conocen las leyes de comportamiento (leyes de fatiga y mdulos), es posible estimar el nmero de aplicaciones de carga que pueden soportar las diferentes capas, o sea, su durabilidad y por lo tanto, la del pavimento en su conjunto.Deterioros ms comunes en los pavimentos flexibles

Propiedades estructurales

No debemos olvidar que el diseo o dimensionamiento de un pavimento persigue, en definitiva, una optimizacin resistente de la estructura, con un costo global mnimo que considere los costos de construccin, conservacin y rehabilitacin, en un perodo suficientemente largo de tiempo (durabilidad)

Diseo de mezcla?Diseo de pavimentos?Control de calidad?


Las mezclas asflticas, a travs de sus propiedades mecnicas, tienen una gran influencia en el comportamiento de los pavimentos flexibles.

Estas propiedades, al mismo tiempo, estn relacionadas con los distintos mecanismos de deterioro que ocurren en los pavimentos y con los diferentes fallos que son consecuencia de tales mecanismos.

Resulta imprescindible estudiar y comprender correctamente el comportamiento de los pavimentos flexibles, para obtener la informacin adecuada y suficiente que nos permita disear las mezclas asflticas de una mejor manera, tratando de obtener al mismo tiempo modelos de comportamiento ms realistas y un diseo de pavimentos depurado, que contribuya a alargar la vida de servicio de los pavimentos.

Deterioros ms comunes en los pavimentos flexiblesMecanismos de deterioro

Deformaciones permanentes.Es el cambio de posicin de la seccin transversal de un camino con respecto a su posicin original. Existen dos tipos de deterioros tipificados como deformaciones permanentes:1. Roderas en la subrasante.

2. Roderas en las capas asflticas.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Roderas en la Subrasante.1. Aplicacin repetida de cargas al suelo.2. Es un mecanismo estructural.3. Espesores de capas del pavimento insuficientes.4. Subrasante debilitada por humedad.5. La deformacin es irreversible.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Roderas en la Subrasante.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Roderas en las Capas Asflticas.1.Aplicacin repetida de cargas a la carpeta asfltica.2. Mezclas asflticas de baja resistencia al corte.3. Tiempo de aplicacin de cargas alto.4. Alta temperatura del medio ambiente.5. Problema conjunto del cemento asfltico y el agregado mineral.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Roderas en las Capas Asflticas.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Estabilidad de la mezclaRoderas en las Capas Asflticas.

Ensayo de pista espaol. Evaluacin de las deformaciones plsticasRoderas en las Capas Asflticas.

Ensayo de pista francs. Evaluacin de las deformaciones plsticasRoderas en las Capas Asflticas.

Resistencia a las deformaciones plsticas. Ensayo de pista

Roderas en las Capas Asflticas.Al ser un problema conjunto del cemento asfltico y del agregado ptreo, la teora de Mohr-Coulomb puede ayudar a ilustrar la influencia de cada material en las roderas.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Aportacin del Cemento Asfltico.La cohesin (c) es provista por el Cemento asfltico. Se recomienda usar cementos asflticos duros y que tiendan a ser un slido elstico a altas temperaturas. Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Aportacin del Agregado.Se recomienda usar un agregado con un ngulo de friccin interna () alto. Esto se logra con agregados cbicos y rugosos. Mucho ayuda una granulometra que tenga un buen contacto partcula-partcula. Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Fisuracin por Fatiga.Deterioro producido en las huellas del trnsito por cargas repetidas.Es comn en mezclas asflticas muy rgidas, cuando existen altas deflexiones y altos niveles de esfuerzos a tensin.

Se presenta cuando el nmero de cargas lleg o super al nmero previsto en el diseo.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Fisuracin por Fatiga.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Fisuracin por Fatiga.Para lograr superar el proceso de fisuracin por fatiga se recomienda:

1. Estimar adecuadamente las cargas.2. Mantener seca la subrasante.3. Pavimentos de mayor espesor. 4. Usar materiales fuertes en presencia de agua.5.Mezclas con altas resistencias a tensin.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Resistencia a la fisuracin por fatiga

Fisuracin por Fatiga.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Ensayo a Fatiga Controlado por Carga, 10Hz y 5CMEZCLAS DENSAS, SEMIDENSAS Y POROSASFisuracin por Fatiga.

LEYES DE FATIGA Tpicas(Deformacin Unitaria)MEZCLAS DENSAS, SEMIDENSAS Y POROSAS

LEYES DE FATIGA (Esfuerzo de Tensin)MEZCLAS DENSAS, SEMIDENSAS Y POROSASMdulo de RigidezSm = /

Fisuracin por Baja Temperatura.Deterioro producido por el medio ambiente ms que por las cargas del trnsito.Es comn que se presente con grietas transversales o perpendiculares a la trayectoria del camino.Se presenta por contracciones del pavimento en climas fros. En alguna parte del camino los esfuerzos a tensin rebasan la resistencia a tensin de la mezcla asfltica.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Fisuracin por Baja Temperatura.

Los cementos asflticos duros son ms propensos a la fisuracin por bajas temperaturas que los blandos.

Los cementos asflticos oxidados por cualquier proceso son mas susceptibles a fisuracin por bajas temperaturas.Comportamiento de la Mezcla Asfltica

Efecto de las caractersticas superficiales sobre la resistencia al deslizamientoRESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO

MACROTEXTURA. Prueba del crculo de arena

COEFICIENTE DE PULIDO ACELERADO (EN 1097-8)

Debemos notar que:

gran parte de las soluciones para evitar los distintos tipos de deterioros, recaen directamente en el diseo de la mezcla asfltica y no slo en el diseo del pavimento.


Los "mecanismos de deterioro" que se observan con ms frecuencia en las carreteras segn Proyecto europeo COST 333 (1999) :

Formacin de roderas con origen en las capas asflticas FAgrietamiento iniciado en la superficie EPrdida de regularidad longitudinal F EPrdida de resistencia al deslizamiento FAgrietamiento longitudinal en la zona de rodada EAgrietamiento iniciado en la parte inferior de la capa de base EAgrietamiento superficial general EDesprendimiento de ridos FHundimientos o roderas originadas en la subrasante ELevantamiento por efecto del hieloDesgaste debido a neumticos de clavosAgrietamiento por bajas temperaturasDeterioros ms comunes en los pavimentos flexiblesMecanismos de deterioro

Seleccin de AgregadosAgregadosAl hablar de agregados usualmente nos referimos a suelos que han sido de alguna manera seleccionados y/o procesados.

DefinicionesAgregado GruesoRetenido en malla de 4.75 mm (# 4)ASTM D692Retenido en malla de 2.38 mm (# 8)Inst. del AsfaltoRetenido en malla de 2.00 mm (# 10)Manual HMA

Agregado FinoPasa malla de 4.75 mm (# 4)ASTM D1073Pasa malla de 2.38 mm (# 8)Inst. del Asfalto

Filler MineralAl menos 70% pasa malla 0.075 mmASTM D242

Propiedades de los AgregadosDurante el desarrollo del SHRP se consult a expertos en pavimentos para definir cules son las propiedades mas importantes de los agregados. Hubo acuerdo general en el sentido de que:

Las propiedades de los agregados juegan un papel primordial en la deformacin permanente.

En cambio influyen en menor grado en los agrietamientos por fatiga y por baja temperatura.

La conclusin a que se lleg es que se necesita especificar los tipos de propiedades para los agregados. Propiedades de consenso

Propiedades de la fuente de origenAdems se desarroll una nueva forma de especificacin de la granulometra, a la cual se le llam estructura de diseo de los agregados.Propiedades de los AgregadosSHRP Strategic Highway Research Program. USA

Propiedades de ConsensoSon aquellas que son consideradas crticas e imprescindibles para alcanzar un buen comportamiento de la mezcla asfltica.

Se llaman as debido a que hubo un amplio acuerdo en su uso y en los valores especificados.

Propiedades de ConsensoAngularidad del Agregado Grueso

Angularidad del Agregado Fino

Partculas Alargadas y Chatas (Lajeadas)

Contenido de Arcilla

Angularidad del Agregado Grueso

0% de Trituracin100% de Trituracin

95/90 95% del agregado grueso tiene una cara fracturada y 90 % tiene dos caras fracturadas.

Angularidad del Agregado Grueso

Angularidad del Agregado FinoCon esta propiedad se asegura un alto grado de friccin interna en la mezcla.

Se define como el por ciento de vacos de aire en el agregado menor a 2.36 mm, levemente compactado.

A mayor contenido de vacos mas caras fracturadas.

Angularidad del Agregado Fino

Angularidad del Agregado FinoA mayor angularidad del agregado, mayor contenido de vacos.

Las arenas trituradas normalmente tienen valores superiores a 45.

Las arenas no trituradas normalmente tienen valores inferiores a 42.

Angularidad del Agregado FinoRequerimientos de Superpave para Angularidad de Agregado FinoValores mnimos de porcentaje de vacos para agregado fino

Partculas Alargadas y ChatasSe emplea el procedimiento ASTM D4791, usando un calibrador

ChatasAlargadasSe mide el total de cada unaRelacin dimensin mxima a mnima5:13:12:1

Partculas Alargadas y Chatas

Partculas Alargadas y ChatasRequerimientos de Superpave para Partculas Alargadas y ChatasPorcentajes mximos, en peso

Contenido de ArcillaSe determina el porcentaje de material arcilloso presente en la fraccin de agregado menor a 4.75 mm.

Se emplea el ensayo de Equivalente de Arena (norma AASHTO T 176).

Contenido de ArcillaPrueba de Equivalente de ArenaASHTO T176, ASTM D2419

Contenido de ArcillaRequerimientos de Superpave Para el Contenido de Arcilla

Propiedades de la Fuente de OrigenExiste otro grupo de caractersticas de los agregados que el grupo de expertos consider crticas.

Sin embargo no pudieron acordar los valores crticos para ellas, pues se considera que dichos valores son particulares para cada fuente de origen.

Propiedades de la Fuente de OrigenSe acord un grupo de propiedades de la fuente de origen.Los valores de norma deben establecerlos las agencias locales.Son propiedades relevantes para el diseo de mezcla.Pueden emplearse para control de aceptacin de los bancos de material.

Propiedades de la Fuente de Origen

Tenacidad (Dureza)

Durabilidad

Materiales Deletreos

TenacidadSe define como el porcentaje de prdida del material durante el ensayo de abrasin de Los ngeles (AASHTO T 96).Esta prueba se desarroll para estimar la resistencia del agregado grueso a la abrasin y degradacin mecnica durante el manejo, construccin y servicio.Los valores de norma mas comunes varan entre 30% y 45%.

Tenacidad

DurabilidadEnsayo AASHTO T 104Define resistencia al intemperismoSimula la accin de helada-deshielo, mediante inmersin y secado del material en una solucin de sulfato de sodio o de magnesioUna inmersin y secado es considerada un ciclo.El resultado es la prdida total en varias mallas por un nmero de ciclos determinadoLos valores mximos permitidos normalmente varan entre 10% y 20 % por 5 ciclos

Durabilidad

Materiales DeletreosSe determina el porcentaje en peso de materiales contaminantes ( micas, madera, esquistos, etc.) Se emplea el ensayo AASHTO T 112Se realiza tamizado en secoSe satura el materialSe realiza tamizado lavadoSe determina el %, en peso, de material perdido

GranulometraTipos de GranulometraGranulometra UniformePocos puntos de contactoPobre trabaznDepende de la forma de las partculasAlta permeabilidad

Bien graduada (Densa)Buena trabaznBaja permeabilidad

Granulometra DiscontinuaSolo algunos TamaosBuena trabaznBaja permeabilidad

GranulometraPara especificar la granulometra Superpave usa la grfica de exponencial 0.45Serie estndar de mallas ASTMGranulometra de Mxima DensidadTamao mximo nominalUn tamao de malla arriba del primer tamiz que retiene el 10%Tamao mximoUn tamao de malla arriba del tamao mximo nominalDefine zonas obligadas (Puntos de Control)Define una zona restringida

Granulometra

GranulometraGranulometra de Mxima Densidad

Se logra el arreglo mas compacto posible

Se obtiene la menor cantidad de vacos

Es menor el contacto entre agregado grueso

La falta de vacos provoca que la pelcula de asfalto que cubre al agregado sea de poco espesor

GranulometraZona RestringidaLas granulometras que pasan por la zona restringida con frecuencia son las llamadas granulometras con jorobaPor lo general tienen exceso de arena finaSe tiene un esqueleto mineral dbilSon mezclas con poca resistencia a la deformacin permanente

Granulometra Tpica en Monterrey

GranulometraTipos de Granulometra

ABIERTAS

100100100100100100

82.58186868686

6057.532.532.521.521.5

4145.527.527.52018.5

2832.518.518.513.513.5

1223.58.58.56.56.5

312

3

hasta 4 cm de espesor

ms de 4 cm de espesor

F8 centrada

F10 centrada

M8 centrada

M10 centrada

malla (mm)

% que pasa

GRANULOMETRA CENTRADA PARA MEZCLAS DE GRANULOMETRA ABIERTAN.CMT.4.04/02

abierta lmites

100100

65100

4872

3052

1838

519

24

Abierta lmite inferior

abierta lmite superior

malla (mm)

% que pasa

Hoja1

GRANULOMETRA CENTRADA PARA MEZCLAS DE GRANULOMETRA ABIERTA

N.CMT.4.04/02

MALLAPorcentaje que pasaPorcentaje que pasa

aberturadesignacinmenor o igual a 4 cmmayor de 4 cmmenor o igual a 4 cmmayor de 4 cm

mmpulgadascentradas

251100100

193/410062-10010081

12.51/265-10045-7082.557.5

9.53/848-7233-586045.5

6.31/430-5222-434132.5

4.75No.418-3814-332823.5

2No.105-195-191212

0.075No.2002-42-433

251

193/4100100

12.51/265100

9.53/84872

6.31/43052

4.75No.41838

2No.10519

0.075No.20024

comp Abierta F10 Y M10

100100100100100100100

868682.587.5859595

32.521.56075654345

27.518.5414122.52435

18.513.52814161123.5

8.56.51299.511

34.54.5

F10 centrada

M10 centrada

Abierta

Requerimientos de Diseo de Mezcla

Requerimientos Volumtricos de la MezclaVacos de Aire (Criterio Superpave 4% min.)Vacos en el Agregado MineralVacos Llenos de Asfalto

Proporcin de Polvo

Susceptibilidad a la Humedad

Requerimientos VolumtricosRequerimientos Superpave para Vacos del Agregado Mineral

Requerimientos Volumtricos

Propiedades del agregado y su evaluacinla calidad es un factor crtico, por lo que debe reunir ciertas propiedades para considerarse apropiadoPROPIEDADES*GRADUACIN Y TAMAO *TEXTURA DE LA DE LA PARTCULASUPERFICIE*LIMPIEZA *ABSORCIN*DUREZA *AFINIDAD*FORMA DE LA PARTCULA *DENSIDAD*RESISTENCIA AL PULIMENTO

Agregados ptreos

Mira debajo de la superficie; no dejes que ni la calidad ni su valor se te escapen.Mario Aurelio

La calidad nunca es accidental; siempre es producto del esfuerzo inteligenteJohn Ruskin

Pour the heated binder into a bowl with the heated aggregate. Typically the temperature for this is about 275 to 325 C.The mixture is typically mixed in a mechanical mixer. The mix should be observed to insure that the aggregate and asphalt are thoroughly mixed.The mix is subjected to short term oven aging (STOA) in flat pans. The recommended rate is 21 kg per sq. meter; research has shown that 50 kg per sq. meter is also OK. The dividing line for absorption is 2% water absorption.The short term aging is used to simulate what is happening in the hot mix plant during the mixing, storage and placement operations.Charging the mold should be done in one mass operation. The mix is not to be rodded. A scoop or gyroloader are all acceptable. The process should be done quickly to avoid loss heat loss. Care should also be taken to ensure that the fine and coarse fractions of the mix are not separated.The filled mold is placed in the compactor. Push button to start.These are typical full-size compactors. There are now seven (June 98) different compactors on the market. They all obtain comparable results.These are the components of the machine.The compactor puts 600 kPa of pressure on the specimen and operates at 30 rpm.The mold is made ready by first placing a paper disk in the bottom.After compaction is complete the specimen is extruded from the mold and allowed to cool for 3 to 5 minutes.The paper disk is removed from the specimen. The specimens are marked for tracking purposes. After cooling and marking the specimens are tested to determine their bulk specific gravity.There are three critical points on the SGC compactor curve that are evaluated in Superpave. Ninital is of importance because it is desirable not to have mixes that compact too easily. Nmaximum is of importance to prevent having mixes that continue to compact under traffic loading.There are three critical points on the SGC compactor curve that are evaluated in Superpave. Ninital is of importance because it is desirable not to have mixes that compact too easily. Nmaximum is of importance to prevent having mixes that continue to compact under traffic loading.The level of Ndesign is based on the climate and traffic levels.Because the SGC compaction process is very repeatable, two specimens are used at each blend or binder content being evaluated.Because the SGC compaction process is very repeatable, two specimens are used at each blend or binder content being evaluated.Once the compaction is completed it is necessary to conduct an analysis of the test data to determine the optimum asphalt content.This data is available or must be calculated to complete the development of the Superpave mix design.If the mass of the specimen is known and the volume at each point in the compaction process is known then it is possible to calculate the bulk specific gravity of the specimens at each point on the gyration curve. If the mass of the specimen is known and the volume at each point in the compaction process is known then it is possible to calculate the bulk specific gravity of the specimens at each point on the gyration curve. It is necessary to determine a correction factor for each specimen and apply that to the calculated (estimated) values.These properties are determined and compared to the specification criteria.In the development of a Superpave mix design the binder contend is varied. The binder content is selected at 96% of the maximum specific gravity. At this binder content each of the other criteria is checked.The VMA is calculated and checked against the requirement for that gradation.

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