tema 4- mezclas bituminosas

7/21/2019 Tema 4- Mezclas Bituminosas

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Escuela Técnica Superior de IngenieríaUniversidad de Sevilla

Departamento deIngeniería de la Construcción

y Proyectos de Ingeniería

Tecnología de Materiales deConstrucción

Tema IV: Mezclas Bituminosas



1

Índice

•

Introducción•

Clasificación de las mezclas bituminosas

•

Hormigones bituminosos en caliente

•

Mezclas bituminosas para capas de rodadura

•

Otras mezclas•

Reología y propiedades generales

•

Especificaciones y dosificación

•

Fabricación de las mezclas bituminosas

•

Puesta en obra



Introducción

•

Definición y características generales: – Áridos + filler + ligante hidrocarbonado

Betún

Áridos

Polvo Mineral o Fíller M.B.C.

Ligante



Introducción

•

Definición y características generales: – Superficie de todas y cada una de las partículasminerales recubiertas de forma homogénea por unapelícula de ligante.

– En el conjunto, después de compactado, los áridos

más gruesos forman un esqueleto mineral, rígido yresistente, cuyos huecos se rellenan por laspartículas más finas.

– El sistema filler-betún, recubriendo las partículas yrellenando los huecos, forma un medio continuo,

viscoso, que mantiene las partículas mineralesunidas, dando cohesión a la mezcla.



Introducción

•

Definición y características generales: – Ventajas:• Mayor regularidad superficial que en tratamientos

superficiales.

• Mayor capacidad resistente que los tratamientossuperficiales.

• Se ponen en obra con espesores diversos y con rigidecesdiferentes.

• Se pueden utilizan en todas las capas del firme.



Introducción

•

Áridos y filler: – Los áridos se clasifican en fracciones uniformes, a

partir de las que se compone la granulometríaelegida.

– Se considera por separado la fracción de árido que

pasa por el tamiz 63 micras (tamiz 0,063 UNE), quees el polvo mineral o filler.



Introducción

•

Importancia del filler: – Condiciona la proporción de ligante porque tiene una

gran superficie específica.

– A mayor cantidad de filler se necesita una mayorcantidad de ligante.

–

Constituye con el ligante el mástico que da cohesión al conjunto.

–

Es un elemento importante en los fenómenos deadhesividad.

–

Influye en el porcentaje de huecos y, por tanto, en laimpermeabilidad y en las características resistentesde la mezcla.



Introducción

•

Ligante: – 3-10% sobre el peso de los áridos.

– 8-25% del volumen de los áridos.

– En mezclas en caliente se utilizan betunes depenetración (B 40/50; B 60/70 y B 80/100).

–

En mezclas en frío las emulsiones bituminosas derotura lenta o media.

– Ligantes modificados con polímeros.



8

Índice

•

Introducción

•


•


•


•

Otras mezclas•


•


•


•

Puesta en obra




•

Fracción de árido empleada: – Mástico: filler + ligante

– Mortero bituminoso: árido fino + mástico

– Hormigón bituminoso: árido grueso + morterobitumioso

–

Macadam bituminoso: árido grueso + ligante

• Temperatura: – En caliente: con betún de penetración (115-130ºC)

• hormigón bituminoso con granulometría continua

•

autopistas, todo tipo de carreteras primarias y secundarias yaeropuertos

–

En frío: con emulsión bituminosa (Tamb)• Carreteras secundarias




•

Huecos en mezcla (%Hm): – Cerradas (3<% Hm<6) ejemplo: densas, semidensas y MAM

• Pequeño % de Hm. Se emplean en capas de rodadura.

• Gran impermeabilidad del pavimento.

– Semicerradas (6<% Hm<12) ejemplo: mezclas gruesas

•

Muy parecidas, pero menos impermeables.• Menor % de filler y ligante.

• Menos críticas frente a las deformaciones plásticas.

• Poco impermeables y no muy resistentes al envejecimiento.

– Abiertas (% Hm>12)

•

Árido grueso y betún con bajos % de árido fino.• Estructura mineral que resiste por rozamiento interno.

– Porosas (% Hm>20) ejemplo: mezclas drenantes • Gran permeabilidad.

L o s h u e c o s s o n n e c e s a r i o s p a r a

e v i t a r l a s d e f o r m a c i o n e s p l á s t i c a s




•

Según tamaño máximo del árido Dmax

: – Define el espesor de la mezcla a extender en una

determinada calzada (del orden del doble o triple deltamaño máximo).

• Gruesas: Dmax > 10 mm.

•

Finas, morteros o microaglomerados: Dmax < 10 mm.




•

Según la estructura interna del árido: – Sin esqueleto mineral resistente:

• Másticos y asfaltos fundidos.

• Resistencia debida a la cohesión del mástico.

• El árido es un simple relleno en una masa que prácticamente

carece de esqueleto mineral. – Con esqueleto mineral resistente (gran rozamientointerno):

• Las mezclas normalizadas en España tienen esqueletomineral.

•

Macadán bituminoso, hormigones bituminosos.• A su vez se pueden clasificar de acuerdo a la granulometría: – Continuas, Discontinuas, Porosas, Uniformes




•

Según la granulometría: – Continuas:

• Las partículas más finas rellenan los huecos que dejan lasmás gruesas con todas ellas recubiertas por una partículacontinua de ligante.

• Se necesita % mínimo de Hm que garantice espacio para: –

Cambios de volumen del ligante con la temperatura.

– Densificación por poscompactación o por deformacionesplásticas.

–

Discontinuas:• Faltan los tamaños comprendidos entre 2 y 8 mm.

–

Uniformes:• Tienen un tamaño único de árido.




•

Las mezclas bituminosas en España: – Hormigones bituminosos en caliente:

• Densas (D)

• Semidensas (S)

• Gruesas (G)

•

Mezclas de alto módulo (MAM) – Mezclas drenantes o porosas (PA)

– Microaglomerados:• Mezclas bituminosas discontinuas

en caliente (BBTM)

•

Microaglomerados en frío

– Mezclas en frío• Densas

• Abiertas

“Mezclas bituminosas en caliente

tipo hormigón bituminoso”

“Mezclas bituminosas para

capas de rodadura. Mezclas

drenantes y discontinuas”




•

Particularidades de las MAM: – Elevados módulos de elasticidad (superiores a

11.000 MPa a 20 ºC).

– Se utilizan betunes de poca penetración muy duros.

–

Se utilizan betunes modificados.

–

En general tienen una mayor capacidad de absorbertensiones y resistencia a la fatiga.

– Capas intermedia y base.

– Se ahorra espesor en secciones con tráficos

pesados.



16

Índice

•

Introducción

•


•


•


•

Otras mezclas•


•


•


•

Puesta en obra




•

Designación:

densas (D), semidensas (S), gruesas (G) y mezclas dealto módulo (MAM)

Fabricadas con betunes asfálticos de

penetración (3-6% del peso del árido)W

b

W s

!100




•

Usos: Capas de rodadura, intermedia y de base.




•

Granulometría según los siguientes husos:




•

Granulometría según los siguientes husos:AC16D

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Tamaño de lostamices(mm)

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MAM

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22

Índice

•

Introducción

•


•


•


•

Otras mezclas•


•


•


•

Puesta en obra



Mezclas bituminosas capas de rodadura

•

Mezclas porosas o drenantes (PA): – Baja proporción de árido fino! huecos "" !

características drenantes.

– Empleadas en capas de rodadura en espesores de 4a 5 cm de espesor.

–

Menor superficie especifica. Ligante envuelve elárido.

• Fabricadas con betunes modificados para tráficos altos(4,5-5% del peso del árido).

• Conducción más cómoda; disminuye el ruido de rodadura; se

ven mejor las marcas viales con superficie húmeda; nohidroplaneo.

– Puede presentar problemas de conservación.

– Problemas en lugares muy fríos.




•

Mezclas bit. discontinuas en caliente (BBTM): – Combinación de ligante hidrocarbonado, áridos con

una discontinuidad granulométrica muy acentuada enla arena, polvo mineral y aditivos.

– Tamaño máximo de árido de 8 y 11 mm.

–

Capas de rodadura de 2 a 3 cm. – Vías de alta velocidad de circulación:

• Texturas con elevadas resistencias al deslizamiento

• Buena drenabilidad y disminución del ruido de rodadura

• Buena durabilidad

–

Betunes modificados con polímeros con tráficosintensos para evitar la exudación del betún y mejorarla cohesión.




•

Designación:




•

Granulometría según los siguientes husos:




•

Granulometría según los siguientes husos:PA16

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•

Aplicaciones típicas:

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29

Índice

•

Introducción

•


•


•


•

Otras mezclas•


•


•


•

Puesta en obra



Otras mezclas

•

Microaglomerados: – Tamaño máximo de árido de 10 mm.

– Se fabrican tanto con granulometría continua comocon discontinua:

• En frío (lechadas más gruesas LB1 y LB2)

•

En caliente (mezclas bituminosas discontinuas en caliente:BBTM).

– Se emplean en renovación superficial y enconstrucción de firmes nuevos.

–

Porcentajes de betún superior al 5% del peso del

árido. – Tienen una gran durabilidad.



Otras mezclas

•

Mezclas densas en frío (DF): – Mucho menos utilizadas que las anteriores.

– Se fabrican con emulsiones de rotura lenta sinfluidificante.

–

Menos trabajables.

–

No deben abrirse al tráfico hasta que no alcanzan la“maduración”.

• La maduración consiste en la evaporación del aguaprocedente de la rotura de la emulsión.

• Esto hace que aumente la cohesión de la mezcla.

•

Proceso lento debido a que la granulometría cerrada delárido hace que la mezcla tenga pocos huecos.



Otras mezclas

•

Mezclas abiertas en frío ( AF): – Árido grueso y una emulsión bituminosa de rotura

media, con una baja proporción de árido fino.• Porcentaje de betún residual del 2,5-3%.

• Alto porcentaje de huecos.

•

Estructura mineral que resiste por rozamiento interno• Efecto de la cohesión poco importante.

• Muy flexibles. Capa de rodadura de poco espesor (hasta 5cm) sobre materiales granulares.

• Para retrasar su envejecimiento se sellan con lechadasbituminosas.

•

Gran trabajabilidad tras la fabricación (emulsiones de betúnfluidificado), pero endurecimiento rápido después de lapuesta en obra.

• Carreteras de bajo tráfico.



33

Índice

•

Introducción

•


•


•


•

Otras mezclas•


•


•


•

Puesta en obra




•

Comportamiento mecánico: –

Función de:• La magnitud de las tensiones soportadas.

• La temperatura a la que se aplican estas tensiones.

• La velocidad de aplicación de las tensiones.

–

Ley constitutiva:• Comportamiento elástico – Tiempo de aplicación de las cargas muy pequeño (0.1 s) y

temperatura baja.

• Comportamiento plástico – Mayor temperatura y tiempo de aplicación de las cargas. El

módulo de rigidez depende del tiempo de aplicación de lascargas y de la temperatura.

• Comportamiento viscoso – Tiempo de aplicación de las cargas elevado y temperaturas

altas.




•

Propiedades generales: –

Estabilidad: • Las mezclas bituminosas deben soportar las cargas del tráfico

y resistir las tensiones con unas deformaciones tolerables.

• Es una representación empírica de la resistencia del material,combinación del rozamiento interno y la cohesión.

•

Suele evaluarse mediante ensayos de base fundamentalmenteempírica. Los más conocidos son el ensayo Marshall paramezclas gruesas y el Hubbard-Field para mezclas finas. Entodos ellos las probetas se llevan a rotura mediante unasolicitación típica de cada ensayo.

•

La carga de rotura es lo que sedenomina estabilidad de la mezcla.




•


Resistencia a las deformaciones plásticas:• El paso de lo vehículos a bajas velocidades y altas

temperaturas, produce deformaciones plásticas. – Tipos:

» Roderas: deformaciones plásticas longitudinales producidas en

las zonas de rodadas de vehículos.

» Arrollamientos o resaltos transversales: deformaciones plásticasproducidas en zonas donde los esfuerzos tangenciales son muyfuertes.

J+.&0)




•


Resistencia a las deformaciones plásticas: Locations of shoving Runway 06R-24L and rapid exits

“Shoving” at holdline position and locations of heavy braking




•


Resistencia a la fatiga:• Aunque la velocidad de las cargas sean elevadas y las

temperaturas no sean altas, se produce un agrietamientoprogresivo por fatiga del material.

• Material tiene comportamiento elástico inferior a la rotura.

•

Este agrietamiento se traduce en un incremento de lasdeflexiones (deformaciones elásticas en superficie) yagotamiento generalizado del firme.

• Se produce “piel de cocodrilo”.




•


Flexibilidad:• La mezcla bituminosa es un material flexible.

• Para una velocidad de aplicación de 70km/h, los módulos deelasticidad de los hormigones bituminosos :

• Han de tener la suficiente flexibilidad para que no se rompano fatiguen con rapidez. TIPO DE MEZCLA E (MPa) nu

Densas y semidensas 6000 0.33

Gruesas 5000 0.33Drenantes y abiertas 4000 0.35

Discontinua en capa fina 4000 0.35

De alto módulo 12000 0.3

Abiertas en frío 1500 0.35

Grava-emulsión 4000 0.35

Periodo E (MPa)

Invierno 10000-12500

Primavera-Otoño 5000-7500

Verano 1000-2500



40

Índice

•

Introducción

•


•


•


•

Otras mezclas•


•


•


•

Puesta en obra




•

Categoría de tráfico pesado:

41

IMDpIntensidad

media diariade vehículos

pesados

ACCIÓN PRINCIPALSOBRE EL FIRME

TABLA 1.A. CATEGORÍAS DE TRÁFICO PESADO T00 A T2

CATEGORÍA DE TRÁFICO PESADO T00 T0 T1 T2

IMDp < 4 000 < 2 000 < 800

(vehículos pesados/día) ≥ 4 000 ≥ 2 000 ≥ 800 ≥ 200

TABLA 1.B. CATEGORÍAS DE TRÁFICO PESADO T3 Y T4

CATEGORÍA DE TRÁFICO PESADO T31 T32 T41 T42

IMDp < 200 < 100 < 50< 25

(vehículos pesados/día) ≥ 100 ≥ 50 ≥ 25




•

Mezclas bituminosas en caliente tipo hormigónbituminoso (D, S, G y MAM): –

Selección de los materiales adecuados para lamezcla escogida: áridos, ligante y polvo mineral.

– Granulometría según PG-3: encajar dentro de huso

granulométrico. – Elección de la dotación de ligante cumpliendo

requisitos PG-3.

42




•


Dotación mínima de ligante

43

W b

W !100




•


Relación filler-betún• Óptima para correcto comportamiento del mástico

44

W f

W b




•


Contenido de huecos en mezcla

45

V a

V !100




•

Mezclas bituminosas para capas de rodadura.Mezclas drenantes y discontinuas (PA, BBTM): –

Dotación mínima de ligante

– Relación ponderal recomendable filler-ligante

46




•

Mezclas bituminosas para capas de rodadura.Mezclas drenantes y discontinuas (PA, BBTM): –

Contenido de huecos en mezcla

47

V a

V !100



Escuela Técnica Superior de IngenieríaUniversidad de Sevilla

Departamento deIngeniería de la Construcción

y Proyectos de Ingeniería

Tecnología de Materiales deConstrucción

Tema IV: Dosificación de mezclasbituminosas



Introducción

•

Obtención de la fórmula de trabajo: –

Métodos de superficie específica.• En función de la granulometría del árido se obtiene la

superficie mineral a “mojar” con ligante.

• Método CKE (Centrifuge Kerosene Equivalent).

• La superficie específica de los áridos se obtiene por unos

coeficientes aplicados a las fracciones retenidas en lostamices de una serie.

• Método rápido y sencillo pero impreciso.

– Métodos basados en ensayos mecánicos.• Ensayo de Marshall ! El método de mayor difusión.

–

Seleccionado una granulometría de árido y tipo de betún sefabrican varias probetas con distintos contenidos de ligante (%sobre árido).

– Se realiza el ensayo con cada probeta y se determina elcontenido óptimo de ligante. 49



El ensayo Marshall

•

Descripción: –

NLT-159/86 – «Resistencia a la deformación

plástica de mezclas bituminosasempleando el aparato Marshall»

– Desarrollado durante la 2ªGuerra Mundial por el USACE

(US Army Corps of Engineers)

50http://www.youtube.com/watch?v=65m7CFvCjZw http://www.youtube.com/watch?v=JqoGodLBLNk



El ensayo Marshall

•

Resumen: –

Probeta cilíndrica D = 4’’ (101,6 mm) ; H = 2 "’’ (63,5 mm). – 4 probetas mínimo con distintos contenidos de ligante:

Wb/Ws = 3,5 - 4 - 4,5 -5 - 5,5 %

– Compactación con 75 golpes por cara.

– Velocidad de deformación constante v = 2’’/min (50,8 mm/min).

–

Obtención densidad aparente en «balanza hidrostática».

– Obtención de % huecos en mezcla y % huecos en árido.

– Rotura de probetas en aparato de Marshall (estabilidad ydeformación).

– Sirve tanto para proyecto de mezclas en laboratorio como

posterior control en obra.

51



El ensayo Marshall

•

Resultados del ensayo:

CONTENIDO ÓPTIMODE LIGANTE

+DENSIDAD MARSHALL(Densidad Patrón)

DensidadEstabilidadDeformación% huecos en mezcla

% huecos en áridos

W b

W s

!100

V a

V !100

V a +V

b

V !100



El ensayo Marshall

•

Criterios de deformación: –

En la actual versión vigente del art. 542 del PG-3 yano aparece este cuadro y no se habla del ensayoMarshall como método para la dosificación de MBC.No obstante, se sigue empleando.

53



El ensayo Marshall

•

Ejemplo:En el siguiente gráfico se presentan losresultados de un ensayo de Marshall parauna mezcla S20 a emplear en capa derodadura de una carretera con tráficopesado T1.

54

Ligante 4,20%–4,75%

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S e c u m p

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(1)

Impone rango a wb /ws



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El ensayo Marshall

•


55

Ligante 4,20%–4,75%

15 KN

wf /wb = 1,2Para S20 wf /ws= 3% – 7% tomamos 5.5%

wf /ws= 5.5%! wb/ws= 5.5/1.2 = 4.6%

C u m p l e r

a n g o



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El ensayo Marshall

•


56

Ligante 4,6%

OK2,4

wf /wb = 1,2Para S20 wf /ws= 3% – 7% tomamos 5.5%

wf /ws= 5.5%! wb/ws= 5.5/1.2 = 4.6%



El ensayo Marshall

•


COMPROBAR Wb/W>4% (PG3):

DENSIDAD PATRÓN EN OBRA:

• 97-98% D. MARSHALL (T0, T1 y T2)

• 95% D. MARSHALL (T3-T4)

T1! 0,98 x 2,49 = 2,44g/cm3

57

2,49

Ligante 4,6%

W b

W =

W b

W s +W

b

=

W b

W s

1+W

b

W s

! 0.44%



Bibliografía

– Pavimentos aeroportuarios:

•

http://www.faa.gov – Carreteras:

• Ingeniería de Carreteras Vol.II. Carlos Kraemer et al.McGraw Hill.

• Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de

carreteras y puentes (PG-3)• Normas del Laboratorio de Transportes (NLT).

– NLT-159/86 «Resistencia a la deformación plástica de mezclasbituminosas empleando el aparato Marshall».

– NLT-168/90 «Densidad y huecos en mezclas bituminosascompactadas»

•

Art. 542. Mezclas bituminosas en caliente tipo hormigónbituminoso. (O.C. 24/08 última versión).

• Instrucción para el diseño de firmes de la red de carreterasde Andalucía. 58

tema 4- mezclas bituminosas

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