Definición y tipos de mezcla asfáltica

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3.6 MEZCLAS ASFALTICAS 
 
Definición y Tipos 
 
Una mezcla asfáltica esta compuesta de agregados y un ligante asfáltico. El 
agregado es generalmente una combinación de distintos tamaños de piedra, 
intermedio y fino, los cuales varían localmente y son obtenidos de canteras, 
ríos o minas. Dependiendo del tipo de mezcla los agregados varían en tamaño, 
calidad y otras propiedades. 
 
El ligante asfáltico puede ser: cemento asfáltico, o asfaltos líquidos, bien 
emulsiones o diluidos (RC-250), estos últimos se emplean en mezclas en frío 
(ver Ligantes Asfálticos). 
 
Existen diferentes tipos de mezclas asfálticas, tanto en caliente como en frío. 
Las mezclas en caliente son producidas en planta, mientras que las mezclas en 
frío pueden lograrse en patios de mezclado, sobre la propia vía ó en planta. Por 
otra parte hay distintos tipos de mezclas en función de los agregados 
empleados, en especial la gradación. Hoy las mezclas mas empleadas son 
mezclas densas, con bajo contenido de vacíos. Además existen, mezclas 
abiertas, drenantes, de granulometría discontinua y otras menos usadas. En 
Venezuela se emplean básicamente las mezclas densas. Este aspecto será 
tratado mas adelante. Por su parte las Normas COVENIN consideran los 
siguientes tipos de mezclas: 
 
 Código Tipo de mezcla 
 
12.4 Pavimento de arena-asfalto en frío (AAF) 
12.6 Pavimento de mezcla en frío densamente gradadas 
12.10 Concreto asfáltico (CA) 
12.11 Base asfáltica en caliente (BAC) 
12.18 Arena asfalto en caliente (AAC) 
 
En esta Guía nos ocuparemos fundamentalmente de las mezclas de Concreto 
Asfáltico en Caliente (MCAC) dentro del marco de la nueva especificación de 
las Mezclas M. Sin embargo, buena parte de los aspectos considerados para 
estas mezclas son validos para los otros tipos. 
 
 
Propiedades de las Mezclas Asfálticas 
 
Las mezclas asfálticas han sido fundamentalmente desarrolladas para ser 
empleadas en pavimentos, tienen propiedades específicas en función del tipo 
de agregado y ligante empleado, así como de las propiedades de los 
componentes y su dosificación en la mezcla. 
 
 
 
 
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Entre las propiedades de las mezclas asfálticas están: 
 
• Estabilidad (resistencia, rigidez) 
• Flexibilidad 
• Durabilidad (resistencia al medio ambiente y humedad) 
• Trabajabilidad 
• Impermeabilidad 
• Resistencia a la fatiga 
• Resistencia a la deformación permanente 
• Fricción (en capas de rodamiento o desgaste) 
 
Algunas de estas propiedades se encuentran en conflicto. Por ejemplo una 
mezcla no puede ser rígida y flexible a la vez, por lo que se requiere una 
optimización de las propiedades al momento de seleccionar el tipo de mezcla 
mas adecuado para una vía o una determinada capa del pavimento. Si 
comparamos –en una misma estructura- las propiedades que debe tener la 
capa base y la de rodamiento, encontramos lo siguiente: la capa base estará 
sometida a esfuerzos de tracción o flexión indirecta que inducirán falla por 
fatiga, mientras la capa de rodamiento estará expuesta al medio ambiente y 
requiere buenas características de fricción para dar seguridad a los usuarios. 
En los más de los casos, es probable que con los mismos agregados y ligante 
se puedan producir mezclas con las propiedades deseadas en cada caso, sólo 
con variar la combinación de los componentes. Estos conceptos serán 
discutidos en mayor detalle mas adelante. 
 
Procedimientos de Diseño de Mezclas 
 
Existen diversos métodos para el diseño y evaluación de mezclas asfálticas en 
caliente. En Venezuela se emplea el Método Marshall, tanto para el diseño 
como para el control de calidad de las mezclas. La nueva Especificación de 
MCAC emplea este procedimiento aun cuando otros aspectos de las mezclas 
han sido adaptados en función de nuevos conceptos desarrollados, entre ellos 
SUPERPAVE. Esta nueva Norma es producto de una amplia discusión, 
auspiciada por INVEAS, que se inició en 1996 con el desarrollo de las mezclas 
denominadas TN, las que dieron paso –en 2007- a la nueva Norma de 
Mezclas M recientemente aprobada como Norma Venezolana. 
 
Los procedimientos de diseño de mezclas tienen por finalidad evaluar sus 
propiedades con el fin de apoyar la selección de la mezcla óptima para cada 
uso. Las propiedades deseables de toda mezcla son: 
 
• Durabilidad 
• Resistencia a la fatiga 
• Resistencia a la deformación permanente 
• Resistencia a la fatiga térmica 
• Buena fricción 
• Costo razonable 
• Trabajabilidad 
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En forma esquemática estas propiedades se refieren a: 
 
Durabilidad: Resistencia al medio ambiente, a la oxidación y 
disgregación. 
 
Resistencia a la fatiga: Buen comportamiento ante los esfuerzos de 
tracción inducidos por la repetición de cargas. Estos esfuerzos son 
críticos en la parte inferior de la capa. 
 
Resistencia a la deformación permanente: Estabilidad y rigidez para 
soportar cargas sin acumular deformaciones excesivas. 
 
Resistencia a la fatiga térmica: Buen comportamiento ante los cambios 
cíclicos de temperatura que inducen agrietamientos. Esta propiedad es 
una de las mas difíciles de controlar en diseño. 
 
Buena fricción: Requerida en las capas de desgaste o rodamiento para 
ofrecer seguridad en la operación de vehículos, especialmente en 
superficies húmedas. 
 
Costo razonable: Aspecto deseable en toda obra de ingeniería. 
 
Trabajabilidad: Adecuadas propiedades para extendido y compactación. 
 
 
Todas las propiedades de las mezclas asfálticas dependen, fundamentalmente, 
de los agregados empelados y del tipo y cantidad de ligante, y pueden ser 
evaluadas, directa o indirectamente mediante el método Marshall. 
 
 
Método Marshall para Diseño de Mezclas 
 
El método Marshall ha sido empleado en Venezuela durante décadas, tanto 
para el diseño como para el control de calidad diario en obras. Se emplea para 
mezclas en caliente que usan cemento asfáltico como ligante y agregados con 
tamaño máximo 25 mm (1”). En diseño, el objetivo es determinar el % óptimo 
de ligante en la mezcla producida con una gradación específica mediante el 
análisis de curvas de diseño, que representan, en función de distintos 
contenidos de ligante, las siguientes propiedades. 
 
Análisis volumétrico 
- densidad (peso unitario) 
- % de vacío totales 
- VAM (% de vacíos en el agregado mineral) 
 
Evaluación de resistencia 
- estabilidad (indicador de resistencia mecánica) 
- flujo (indicador de deformabilidad) 
 
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El procedimiento consiste en preparar gráficos de estas propiedades en función 
de variación en el contenido de asfalto, lo cual se hace ensayando muestras 
(briquetas) cuidadosamente preparadas en laboratorio. La fig 3.6.1 presenta los 
resultados típicos de un diseño Marshall. 
 
 
 
Procedimiento de Ensayo 
 
A continuación se indican –en forma resumida- los pasos de diseño: 
 
1. Seleccionar una muestra representativa de los agregados a evaluar. 
2. Determinar su gradación, mediante granulometría lavada y peso 
especifico de cada agregado. 
3. Preparar las pesadas para cada briqueta, las cuales deben ser idénticas 
ya que sólo se quiere evaluar la variación en % de ligante. 
4. Calentar los materiales de acuerdo al procedimiento de ensayo, mezclar 
y compactar las briquetas. 
5. Determinar la densidad de las briquetas. 
6. Calcular el % de Vacíos y VAM de las mezclas. 
7. Calentar las briquetas en agua a 60° C, por 30 minutos, y ensayar para 
determinar la Estabilidad y Flujo. 
8. Preparar los gráficos para cada propiedad en función a la variación en 
contenido de asfalto. 
 
En la preparación y ensayo de las briquetas deben observarse lasindicaciones 
y procedimientos propios del método. Las briquetas son cilíndricas de 10 cm de 
diámetro y 6.2 cm de alto, se compactan por impacto de un martillo dentro de 
molde metálico y tienen un peso aprox. de 1.200 gr. El contenido de asfalto, en 
peso de mezcla, varía –normalmente- en intervalos de 0.5 %; por ejemplo, es 
común que en un diseño use 4.0; 4.5; 5.0; 5.5 y 6.0 %. 
 
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El análisis de los gráficos de diseño sirve para determinar la mezcla óptima en 
función a las propiedades deseadas, las cuales como se dijo dependerán del 
tipo de obra, la ubicación de la capa en la estructura del pavimento y el medio 
ambiente en que prestará servicio. Como sabemos, es común que algunas 
propiedades se encuentren en conflicto lo que no permite maximizar todos las 
propiedades deseadas en una misma mezcla, por lo es necesario seleccionar 
una mezcla óptima para cada caso. 
 
El ensayo Marshall se emplea para el control rutinario de una mezcla asfáltica 
en obra. Se requiere preparar y ensayar al menos 3 briquetas para controlar la 
calidad de cada lote o jornada de producción, y verificar que tiene las 
propiedades exigidas en la Norma. Por otra parte, el control de compactación 
en obra usa como referencia la Densidad Máxima Teórica, DMT, (RICE) o la 
densidad Marshall de laboratorio. 
 
 
MEZCLAS DE CONCRETO ASFALTICO 
 
Como se ha indicado existen diversos tipos de mezclas, así como distintas 
Normas y Especificaciones de Calidad. En esta sección se presentarán, a 
manera de guía, los pasos fundamentales para el diseño de una mezcla de 
Concreto Asfáltico Tipo M, de acuerdo con la nueva especificación de MCAC. 
 
1. Informarse sobre los requisitos de proyecto y/o contrato; tipo de mezcla, 
espesores y uso, así como de la existencia de alguna condición 
especial. 
2. Una vez conocido el tipo de mezcla (por ejemplo M-19), deben 
determinarse los requisitos -de los agregados y de la propia mezcla, en 
función del tipo de tráfico (Tabla 12-10.04). 
3. Evaluar que los agregados cumplen con los requerimientos. 
Para agregado grueso (retenido en tamiz No. 8; 2.36 mm): 
- Desgaste Los Ángeles 
- Desgaste al sulfato de magnesio 
- Caras producidas por fractura 
- Tozos alargados y planos 
Para agregado fino (pasante tamiz No. 8) 
- Angularidad de finos 
- Equivalente de Arena 
4. Determinar Granulometría y Peso Especifico de cada agregado. 
5. Combinar los agregados de tal forma que la gradación resultante cumpla 
lo indicado en la Tabla 12-10.08, Granulometría de la CD (Combinación 
de Diseño) para la mezcla en consideración; debe observarse que la 
Tabla 12-10.07 2 a, limita el % de arena natural en la combinación. 
6. Ajustar la CD (dentro de los límites de la especificación) en base a las 
propiedades buscadas o cualquier particularidad de obra. 
 
Una vez definida la CD que se considere adecuada, debe desarrollarse el 
diseño mediante el método Marshall. Conocidos y ploteados los resultados se 
determina mediante el análisis de los gráficos, el % óptimo de ligante que 
produce la mezcla que se considera más adecuada para la obra o capa que se 
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desea construir, lo que deben cumplir con lo indicado en las Tablas 12-10.13 a 
y b. 
 
Determinada la CD y el % óptimo de ligante, la mezcla debe ser producida y 
probada en planta. Es normal que la mezcla de planta presente algunas 
variaciones respecto a la de laboratorio. Deben hacerse los ensayos de control 
para asegurar que la mezcla conserva las propiedades deseadas, de lo 
contrario es necesario hacer los ajustes necesarios. 
 
Finalmente, se determina la Fórmula de Trabajo la cual resulta de aplicar a la 
CD las tolerancias indicadas en el Aparte 12-10.15, bajo en entendido que todo 
proceso de producción en planta tendrá variaciones inevitables, sin embargo 
estas deben mantenerse dentro de un rango que no perjudique la calidad del 
producto. En adelante la mezcla producida en planta debe estar dentro de la 
banda establecida como Fórmula de Trabajo. Igualmente, el % de ligante 
debe mantenerse con una variación de +/- 0.3 del % óptimo seleccionado. 
 
 
Criterios de Selección de Mezclas Asfálticas 
 
En esta sección se presenta una discusión sobre algunos aspectos que se 
consideran de interés y apoyo para la selección de una mezcla óptima de 
acuerdo con el uso que se le quiere dar. Ello se hace bajo las siguientes 
consideraciones: 
 
a. Es posible, con los mismos agregados, ligante y equipos, la producción 
de mezclas con distintas propiedades volumétricas, mecánicas, 
durabilidad y fricción, con costos similares. 
b. La mezcla debe maximizar propiedades específicas dependiendo –entre 
otros aspectos- del uso, tipo de vía, magnitud de cargas, ubicación en la 
estructura, tipo de superficie de apoyo, medio ambiente. 
c. Ofrecer mejor respuesta a los problemas y fallas más comunes de los 
pavimentos venezolanos o propios de la zona. 
 
Antes de entrar a analizar criterios de selección es importante presentar y 
discutir, en forma general, consideraciones sobre los gráficos Marshall, Fig. 
3.6.1. 
 
Análisis volumétrico 
 
Densidad: 
Es el peso unitario de un volumen específico de mezcla compactada, 
generalmente se expresa en kg/m3; se determina mediante un ensayo de 
laboratorio. 
 
% de Vacíos totales: 
Son pequeños volúmenes de aire dentro de la mezcla compactada. La 
durabilidad de una mezcla es muy condicionada por el % de vacíos. Toda 
mezcla requiere un pequeño % de vacíos, pero valores altos hacen la mezcla 
mas permeable y oxidable debido a la entrada de agua y aire. La Norma 2007 
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indica que la mezcla -en laboratorio- debe tener 3 a 5 % de vacíos para capas 
de rodamiento, y 2 a 4 % para capas base o intermedia. 
 
El % de vacíos se reduce a medida que el contenido de ligante se incrementa. 
Igualmente, disminuye con el aumento de la fracción fina del agregado. 
 
Por otra parte debe tenerse en cuenta, que una mezcla es compactada, en 
obra, por debajo de la densidad de laboratorio, lo que agrega vacíos a la 
mezcla en servicio. Se indica que una capa compactada en obra debe tener 
entre 3 y 7 % de vacíos, por lo que se requiere, para una mezcla con 4% de 
vacíos (en laboratorio) una compactación mínima de 97 % respecto a la 
correspondiente densidad Marshall o de laboratorio. 
 
VAM (% de vacíos en el agregado mineral) 
Los VAM son el volumen existente entre las partículas de agregado en una 
mezcla compactada, expresado en % de volumen. En otras palabras, son el 
volumen ocupado por el ligante asfáltico y los vacíos totales. Las 
especificaciones indican un % mínimo dependiendo del tamaño nominal del 
agregado. Este parámetro es de relevante importancia ya que la durabilidad de 
una mezcla es altamente dependiente de la cantidad de ligante y del espesor 
de la película que cubre las partículas. 
 
El valor de VAM es dependiente de la forma de la curva de gradación del 
agregado. Las nuevas especificaciones sugieren que la gradación se aleje de 
la llamada línea de máxima densidad, con la finalidad de aumentar el % de 
VAM o espacio entre las partículas de agregado para que la mezcla acepte una 
cantidad adecuada de ligante que mejore su durabilidad y comportamiento a 
fatiga. Cuando la fracción fina (% pasante del tamiz No. 4) de una mezcla esta 
por encima de la línea de máxima densidad, es difícil lograr un adecuado valor 
de VAM. La fig 3.6.2 muestra este concepto, y como se introdujo en la nueva 
Norma. 
 
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El % de VAM, en la curva Marshall, se reduce hasta un mínimo a medida que el 
% de ligante aumenta, luego se incrementa de nuevo con la adición de mas 
asfalto, lo que separa los agregados yhace que la mezcla pierda estabilidad. 
 
La determinación del % de Vacíos y VAM se hace mediante cálculos, para lo 
que es necesario conocer el % en peso de ligante en la mezcla, los Pesos 
Específicos de agregados y asfalto, y la Densidad Máxima Teórica (DMT) de la 
mezcla, también conocida como densidad RICE. 
 
Estos parámetros, % de vacíos y VAM, son de notable importancia en el 
comportamiento y durabilidad de una mezcla en servicio. La fig 3.6.3 ilustra 
estos conceptos. 
 
 
 
 
Evaluación de resistencia 
 
Estabilidad 
Es un indicador de resistencia mecánica, que se interpreta como resistencia a 
la deformación o rigidez de una mezcla. Se determina a 60° C, y corresponde a 
la máxima carga necesaria (en lbs) para hacer fallar una briqueta, colocada 
diametralmente, en la mordaza Marshall. 
 
Flujo 
Indicador de deformabilidad. Se determina como la deformación que sufre la 
briqueta en la prueba de Estabilidad, se mide en pulg/100. 
 
Aun cuando estas dos propiedades se consideran empíricas aportan 
importante información en la selección y aceptación de una mezcla. Mezclas 
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con alta Estabilidad y bajo Flujo tienden a ser muy rígidas y quebradizas lo que 
es contraindicado si se esperan deformaciones y/o deflexiones significativas en 
servicio. Estas dos propiedades son altamente dependientes de la trituración 
del agregado; partículas angulares y ásperas producen mezclas mas estables 
que redondeadas y lisas. 
 
Como se indicó, recientes estudios sobre mezclas asfálticas, han introducido 
nuevos conceptos en la selección de mezclas, hoy se consideran el % de 
Vacíos Totales y % de VAM como parámetros fundamentales. En general se 
dice que una mezcla con adecuado % de VAM, un 4 % de Vacíos en 
laboratorio, y/o menos de 7 % de vacíos en obra, una vez compactada, tiene 
muy altas probabilidades de ser durable y comportarse adecuadamente. Sin 
embargo, como se indicó, la mezcla debe optimizarse en función de su uso. 
 
Si se considera el caso particular de Venezuela, debemos analizar cuales son 
los principales problemas y fallas que sufren nuestros pavimentos, con la 
finalidad de producir mezclas con mejor comportamiento ante nuestros 
problemas particulares, los que pudiéramos resumir como: 
 
1. Fatiga 
2. Disgregación 
 
En menor grado 
 
3. Falta de fricción 
4. Agrietamiento térmico 
5. Deformación 
 
La fig 3.6.4 muestra los esfuerzos y solicitudes a los que normalmente están 
sometidas las mezclas en una estructura de pavimento, y las propiedades que 
estas deben tener en función de su ubicación. 
 
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Para apoyar el proceso de selección de una mezcla, además de lo indicado, es 
conveniente tener una mejor comprensión de su mecanismo de trabajo. Los 
siguientes puntos son de interés: 
 
• En una mezcla asfáltica el ligante cubre y mantiene unidas las 
partículas de agregado propiciando un contacto grano a grano que da 
estabilidad a la mezcla. 
• No hay reacción química, el mecanismo de trabajo el puramente físico. 
• La estabilidad de la mezcla es –principalmente- aportada por la fricción 
entre los agregados, de aquí que su forma y textura sean importantes. 
• Con el incremento de temperatura el ligante se ablanda y la mezcla 
pierde estabilidad y se hace más deformable. 
• Con el tiempo y en contacto con aire y agua, el ligante se oxida, lo que 
rigidiza la mezcla y la hace más propensa al agrietamiento y 
disgregación. 
• La oxidación -y sus consecuencias- se acelera en mezclas con alto % 
de vacíos, y en aquellas sin suficiente ligante que hace que la película 
que cubre los agregados sea muy delgada. Adicionalmente, esta 
oxidación es más rápida en climas tropicales, cálidos y húmedos. 
 
Si se analizan en conjuntos tres aspectos fundamentales como son: (a) el 
mecanismo de trabajo de una mezcla; (b) los principales problemas y fallas 
que presentan nuestros pavimentos y (c) las solicitudes y requisitos de cada 
capa de un pavimento, llegamos a la conclusión que para lograr mezclas de 
mejor comportamiento debemos atender los siguientes aspectos: 
 
1. Asegurar que la mezcla cumpla con los requerimientos mínimos de 
VAM. Para mezclas base e intermedia este valor debe lograrse en la 
rama ascendente de la curva. 
2. Lograr mezclas con bajo % de Vacíos. Para capas base e intermedia 2 a 
4 %, y para capas de rodamiento 3 a 5 %. 
3. Lograr una buena compactación de la mezcla para lograr, en la capa 
compactada en obra, un % de vacíos inferior al 7 %. 
 
El objetivo de estas recomendaciones es lograr mezclas menos rígidas, más 
durables, de mayor resistencia a la disgregación y a la fatiga, que trabajarían 
mejor en las más de las vías y calles de nuestra red vial. Sin embargo debe 
advertirse que en casos se puede reducir la resistencia a la deformación lo que 
no es deseable si la obra requiere una mezcla de alta rigidez. 
 
Respecto a las mezclas de rodamiento debe agregarse lo siguiente: una de las 
principales propiedades que estas deben tener alta resistencia a la fricción, no 
sólo inicial sino mantenida en el tiempo. Para ello deben observarse los 
siguientes aspectos: 
 
• Usar agregados duros y resistentes a la pulimentación. Las piedras 
calizas, con alto contenido en carbonato de calcio, son muy 
pulimentables e inadecuadas para capas de rodamiento. Los agregados 
silicios, de río, suelen tener mejores propiedades de pulimentación. 
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• El agregado grueso debe tener alto % de caras producidas por fractura. 
• Usar una gradación que produzca una superficie con textura aspera, no 
lisa y pulida. Las mezclas sin textura no permiten el drenaje del agua, 
que queda atrapada bajo los neumáticos, produciendo hidroplaneo o 
pérdida de control del vehículo. 
• Mezclas cuya gradación tiene forma de S, o sea pasa por debajo del 
mínimo indicado para el tamiz No.16, en la Tabla 12-10.08 de la Norma 
suelen ser adecuadas y ofrecer buena textura. 
• La capa de rodamiento debe ser delgada, máximo 4 cm, por lo que las 
mezclas mas adecuadas son M-9 y M-12. El empleo de espesores bajos 
tendrá menos incidencia en el costo de requerirse agregados especiales. 
En toda caso el objetivo es logra una vía segura para los usuarios. 
 
Finalmente, es importante indicar que cada mezcla tiene sus características 
particulares, lo que se manifiesta en la forma de las curvas de gradación y de 
diseño Marshall. Algunas mezclas son “dóciles” y permiten con facilidad logra 
las propiedades indicadas, mientras que otras son mas “sensibles” y difíciles 
de definir, y en casos de producir y controlar. 
 
Es importante que el Ingeniero o Técnico de laboratorio asimile estos 
conceptos con al finalidad de apoyar el diseño y la producción de mezclas 
óptimas de acuerdo con su utilización y condiciones de servicio. 
 
Se debe entender el hecho que con los mismos agregados y ligante se pueden 
producir mezclas muy distintas, en términos de propiedades, sólo con variar la 
granulometría o CD, y el contenido de % de asfalto. Si bien las especificaciones 
ofrecen un marco referencial, es siempre factible optimizar la mezcla dentro 
del marco normativo correspondiente. 
 
En los próximos Capítulos se presentarán los aspectos relacionados con 
Producción de una mezcla en Planta, los procesos de Extendido y 
Compactación y sus respectivos controles.