Paso a paso para realizar el diseño de mezcla Marshall para asfalto

Saber cómo diseñar mezclas Marshall es una de las maneras más confiables de desarrollar una mezcla asfáltica que cumpla con los requisitos estructurales y de superficie. Este método ofrece una visión clara de las formulaciones asfálticas que funcionan bien en condiciones reales de pavimento.

En este artículo, Qualitest Te guiaremos a través de todo lo que necesitas saber, desde los objetivos del Diseño de Mezcla Marshall hasta una guía paso a paso sobre cómo hacerlo correctamente. Por supuesto, también compartiremos errores comunes que debes evitar al... analizando su mezcla asfáltica a lo largo del camino.

¿Qué es Marshall Mix Design?

El método de Diseño de Mezcla Marshall existe desde la década de 1930 y sigue siendo confiable para ingenieros y constructores de carreteras de todo el mundo. Ofrece una forma repetible y estructurada de diseñar una mezcla asfáltica resistente y confiable.

Si estás aprendiendo a diseñar mezclas Marshall, empieza con un objetivo simple: encontrar la cantidad ideal de ligante asfáltico que mantenga todo en su lugar sin agrietarse ni deformarse. Esto implica probar diferentes muestras de mezcla hasta encontrar la que ofrezca el mejor rendimiento.

Objetivos del diseño de mezcla Marshall

Al aprender a realizar el diseño de mezclas Marshall, sabrá que este método se diseñó con un objetivo claro: gestionar las crecientes demandas del tráfico pesado y los entornos cambiantes. Con este objetivo principal, se espera que el diseño de mezclas Marshall:

• Encontrar el contenido óptimo de asfalto: Asegurarse de que sea suficiente para recubrir y unir los agregados, pero no tanto como para causar sangrado o deformación.
• Asegúrese de tener una alta estabilidad: prepare el pavimento para soportar cargas pesadas sin que se produzcan surcos ni desplazamientos.
• Mantener una flexibilidad adecuada: Permite que la superficie se doble ligeramente sin agrietarse bajo tensión o cambios de temperatura.
• Controlar el contenido vacío: asegurarse de que haya la cantidad adecuada de espacio de aire para lograr durabilidad y resistir el daño por humedad.
• Compare los resultados de laboratorio con las condiciones del mundo real: confirme que lo que funciona en las pruebas también funciona en la práctica.

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Fuente: ResearchGate

Materiales:

• Áridos: Elija sus áridos con cuidado. Su tamaño, forma y granulometría influyen directamente en la resistencia de la mezcla. Una mezcla equilibrada garantiza la estabilidad y una compactación adecuada.
• Ligante asfáltico: Es el que une todo el material. El ligante debe adaptarse al clima y a las condiciones de carga previstas para el proyecto. La mayoría de los laboratorios siguen las especificaciones PG (Grado de Rendimiento) para seleccionar el más adecuado.
• Mezclas de prueba: Necesitará varias mezclas, normalmente cinco con diferentes contenidos de asfalto, para probar una gama y encontrar la mezcla ideal. Es habitual usar mezclas por encima y por debajo del contenido óptimo de ligante estimado para determinar cuál funciona mejor.

Equipo:

• Martillo Marshall: Este compactador simula la compactación en campo. Puede ser manual o automático; en ambos casos, aplica un número determinado de golpes a ambos lados de la muestra para conformar una probeta de tamaño estándar.
• Moldes y pie apisonador: utilizará un molde de 4 pulgadas de diámetro, y el pie apisonador debe coincidir con las especificaciones estándar para una distribución uniforme de la presión.
• Herramientas de calentamiento: La mezcla asfáltica debe calentarse a la temperatura adecuada antes de la compactación, por lo que una horno confiable o placa calefactora es imprescindible.

Contenido relacionado para leer: La mejor manera de realizar una prueba de compactación de asfalto

Paso a paso: Cómo hacer un diseño de mezcla Marshall

Una vez que tengas los materiales y el equipo listos, es hora de comenzar el proceso de diseño de mezcla Marshall. Así es como funciona normalmente:

1. Selección y preparación de materiales

Comience seleccionando los áridos (una mezcla de relleno grueso, fino y mineral) y un ligante asfáltico adecuado al clima y las condiciones de tráfico del proyecto (p. ej., PG 64-22). Asegúrese de que todos los materiales cumplan con las especificaciones de limpieza, granulometría y resistencia.

• Agregados mezclados: la gradación debe cumplir con las especificaciones objetivo y caer dentro de las bandas de tolerancia permitidas.
• Estimación del contenido inicial de asfalto: Puede basarse en la experiencia, proyectos previos o fórmulas. Normalmente, se empieza con un 5 % ± 0.5 % del peso total de la mezcla.
• Preparar mezclas de prueba: crear un mínimo de cinco lotes con distintos contenidos de asfalto, generalmente en incrementos del 0.5 % (por ejemplo, 4.5 %, 5.0 %, 5.5 %, 6.0 %, 6.5 %).

2. Mezcla y compactación

• Calentamiento: Calentar los agregados y el aglutinante asfáltico por separado a temperaturas de mezcla adecuadas (alrededor de 150 - 160 °C para agregados y aglutinante).
• Mezcla: Combine completamente los materiales calentados hasta que todas las partículas de agregado estén cubiertas uniformemente.
• Moldeado: Vierta la mezcla en un molde Marshall precalentado (de 4 pulgadas de diámetro).
• Compactación: Compacte cada muestra con un martillo Marshall, normalmente 75 golpes por lado para aplicaciones de alto tráfico (o 50 para tráfico medio), para simular la compactación con rodillo en el campo.
  • Configuración de compactación: muestra de 4 pulgadas de diámetro x ~2.5 pulgadas de altura
  • Peso del martillo: 10 lb (4.536 kg)
  • Altura de caída: 18 pulgadas (457.2 mm)

3. Prueba de muestras compactadas

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Fuente: mdpi.com

Una vez que las muestras se hayan enfriado y curado, proceda a analizarlas para:

• Gravedad específica a granel (Gmb): medir utilizando un método de superficie seca saturada.
• Gravedad específica máxima teórica (Gmm): determinar utilizando un método de picnómetro de vacío.
• Vacíos de aire (Va): = {1- (Gmb/Gmm)} X 100
• Vacíos en el agregado mineral (VMA): = { (Vtotal–Vbinder) / Vtotal } X 100
• Vacíos Rellenos con Asfalto (VFA): { (VMA- Va) / VMA } X 100

También realizar:

• Prueba de estabilidad Marshall: Coloque la muestra en la máquina de estabilidad Marshall y cárguela a una velocidad de 50.8 mm/min (2 in/min) hasta que falle. Registre la carga máxima (en kN o lb).
• Prueba de flujo: mide la deformación bajo carga máxima (en mm), que refleja la capacidad del material para deformarse bajo tensión.

4. Determinar el contenido óptimo de asfalto

Graficar el contenido de asfalto versus:

• Estabilidad
• Flow
• huecos de aire
• VMA
• VFA

Identifique el contenido de la carpeta que:

• Produce máxima estabilidad
• Mantiene el flujo entre 2 y 4 mm
• Mantiene los huecos de aire entre el 3% - 5%.
• Cumple con el VMA mínimo (normalmente ≥ 13%)
• Mantiene el VFA entre el 65% y el 75%

Ejemplo: Una mezcla con 5.5% de aglutinante puede mostrar:

• Estabilidad = 11.2 kN
• Vacíos de aire = 4.4%
• Flujo = 3 mm
• VMA = 14%
• VFA = 68.8%

5. Verificación y Finalización

• Reproducir muestras: Prepare muestras adicionales con el contenido de aglutinante óptimo seleccionado para confirmar la consistencia.
• Validar propiedades: garantizar que los resultados de las pruebas estén dentro de las especificaciones.
• Ajustar si es necesario: si algún valor está fuera de rango, ajuste la gradación del agregado o el porcentaje de aglutinante.

6. Documentación e implementación en campo

• Resultados del informe: El diseño de la mezcla final debe incluir todos los datos brutos, gráficos, materiales seleccionados, contenido de aglutinante y resultados de pruebas.
• Especificar para la construcción: preparar pautas claras para la mezcla, la compactación y el control de calidad de campo según el desempeño del laboratorio.

Errores comunes y consejos para solucionar problemas

Si está aprendiendo a diseñar una mezcla Marshall por primera vez, es útil saber dónde suelen fallar las cosas. Uno de los mayores errores suele ser la mala selección del material. A veces, puede deberse a un agregado que no cumple con las especificaciones de granulometría o a un aglomerante que no se adapta a su clima.

Aunque el resultado sea una mezcla que luzca bien en teoría, definitivamente no funcionará en carretera. Por lo tanto, recuerda siempre revisar bien los materiales antes de comenzar el proceso de mezcla.

Otro problema frecuente es la compactación inadecuada. Dado que la compactación en el laboratorio no siempre refleja las condiciones de campo, es fácil compactar las muestras en exceso o en defecto. Esto afecta los vacíos de aire y los valores de estabilidad, y si no se detecta a tiempo, podría afectar el diseño de la mezcla.

Para evitarlo, asegúrese de que la configuración del martillo Marshall (golpes, temperatura y peso) esté calibrada y sea coherente con las especificaciones de diseño. Además, siga los consejos adicionales de Qualitest aqui:

• No omita los lotes de prueba: maximice para probar una gama completa de contenidos de asfalto.
• Verifique el control de temperatura durante la mezcla y la compactación. Pequeñas desviaciones pueden afectar la calidad del recubrimiento y los resultados de las pruebas.
• Preste atención a los valores de VMA y VFA; le informarán sobre la durabilidad de la mezcla y la compatibilidad del aglutinante.

Por qué el diseño de mezclas Marshall sigue siendo importante

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Al aprender a diseñar mezclas Marshall, se utiliza un método de confianza desde hace décadas, ya que ofrece resultados consistentes en los que los ingenieros viales pueden confiar. El proceso es bastante sencillo para la mayoría de los laboratorios, pero aun así proporciona todos los datos esenciales, como estabilidad, flujo y vacíos de aire. 

Marshall Mix Design es una forma confiable de crear pavimento duradero, incluso bajo cargas pesadas y condiciones climáticas impredecibles. El hecho de que hoy en día siga vigente en aproximadamente 38 estados demuestra su consistencia inalterada. 

Equipo de prueba recomendado

• Compactador Marshall
  El compactador Aplica un número controlado de golpes (normalmente 75 por lado) con un martillo de 10 kg que se deja caer desde una altura estándar. Imita la compactación del pavimento por el tráfico en condiciones reales.
• Marco de pruebas de estabilidad Marshall
  Una vez compactada la muestra, este dispositivo le ayuda a evaluar la carga que soporta la mezcla antes de deformarse. Aplica fuerza hasta que la muestra falla, lo que le permite medir el valor de estabilidad.

Consulte nuestro comprobador de estabilidad Marshal que ha sido confiable por su fiabilidad aquí.

• Medidor de corriente
  Fijado al marco de estabilidad, el medidor de flujo registra la deformación de la muestra antes de romperse. La medición (generalmente en mm) proporciona información sobre la flexibilidad de la mezcla. Un flujo excesivo o insuficiente podría indicar problemas en la formulación del asfalto.
• Baño de agua (baño de acondicionamiento)
  Antes de la prueba, las muestras Marshall deben acondicionarse en un baño de agua. Esto simula la temperatura que normalmente alcanza el asfalto en servicio y garantiza condiciones de prueba consistentes en todas las muestras.
• Banco de gravedad específica (para pruebas Gmb y Gmm)
  Comprender el diseño de mezclas Marshall también implica verificar las densidades y los vacíos de aire. Generalmente, incluye una balanza digital, un tanque de agua y un bastidor de suspensión para medir las densidades volumétricas y las densidades específicas máximas teóricas.
• Mezcladora y horno de asfalto
  Para preparar las muestras, deberá calentar y mezclar los agregados y el aglutinante a temperaturas controladas. Una mezcladora de asfalto de laboratorio y un horno ayudan a mantener la consistencia de las propiedades del material antes de la compactación.
• Tamices para áridos y conjunto de gradación
  Una gradación adecuada de los áridos es fundamental para una buena mezcla. Contar con un juego completo de tamices permite realizar análisis de gradación y garantizar que la mezcla se ajuste a las especificaciones de diseño.

Conclusión

Ahora tenemos la idea de cómo diseñar correctamente la mezcla Marshall. Una mezcla correcta puede marcar la diferencia en el rendimiento del pavimento a lo largo del tiempo.

Sin embargo, para que sea más confiable, asegúrese de trabajar con el mejor equipo. Tenemos una línea completa de equipo de prueba de asfalto Diseñado para satisfacer las demandas actuales. Consulta nuestra colección o reservar una consulta en línea para ayudarle a identificar a sus probadores más adecuados.