domingo, 23 de julio de 2017

Todavía crees que con la Estabilidad-Flujo Marshall se puede realmentepredecir el desempeño de una Mezcla Asfáltica

Una de las consultas más recurrentes que tenemos en nuestra labor diaria es si hay que moverse de la metodología de diseño de mezcla asfáltica tradicional, Marshall (ASTM D 6927), por la metodología más fundamental que ofrece la tecnología de pavimentos actual, el Superpave o, en español, Pavimentos Asfálticos de Desempeño Superior. El tema, como lo hemos indicado en muchos casos, no es simplemente cambiar por cambiar, por moda o por estar siempre con lo moderno, acá la discusión es técnica, y con argumentos fundamentales de ingeniería de materiales para pavimentos.

Este comentario no pretende dar detalles de cómo se ejecuta el ensayo, o terciar en sus resultados, sino dar un panorama general de sus limitaciones comparado con los fenómenos de daño mecánico en laboratorio a que está sometido un pavimento.

Una breve reseña. El método Marshall, desarrollado en los años 30s y mejorado en los 40´s, se convirtió en una forma muy práctica, sencilla y portable, para diseñar mezclas asfálticas, basado en el mazo Marshall, de fácil uso, fuera manual o de manera automatizada, y su método de falla, que brinda dos parámetros, la Estabilidad y el flujo plástico. En general, el método resulta muy bien para obtener probetas repetibles en cuanto a sus propiedades físicas, y la metodología de falla ha sido probada como repetible y reproducible. El equipo para determinar los valores de Estabilidad y Flujo Marshall se muestra a continuación.


Figura 1. Estabilómetro Marshall


Figura 2. Muelas para Falla Marshall.


El ensayo es muy sencillo. Consiste en la aplicación de una carga constante sobre una probeta mediante unas muelas metálicas que le transmiten la carga de forma más o menos diametral. El equipo tiene aditamentos para medir la deformación vertical asociada a la carga, medida sobre la muela superior. La temperatura de ensayo es de  60 C. Precisamente, este modo de falla, no tiene que ver absultamente nada, con los distintos estados de esfuerzo a que se ve sometido un pavimento in situ y no se asemeja a condiciones típicas de fatiga o deformación permanente. Tampoco, se puede usar para determinar la rigidez (módulo elástico) del material, o sea, es un ensayo, básicamente, empírico.


Un resultado de ensayo típico se muestra en la siguiente figura:





Figura 3. Gráfico de Estabilidad-Flujo Marshall

De la figura anterior, se pueden definir los parámetros de Estabilidad-Flujo Marshall:
 
Estabilidad: Punto de máxima carga

Flujo: Deformación del especimen al punto de máxima carga.




Históricamente, se buscaba que las mezclas asfálticas tuvieran un mínimo valor de Estabilidad, y un flujo entre dos valores de modo que la mezcla no fuera muy rígida ni muy flexible. La estabilidad está más asociada con la resistencia al corte del material.

Las deficiencias del método, que se empezaron a cuestionar desde los 70´s, fueron precisamente, esas iniciales ventajes. Primeramente, el método de compactación por impacto, generado por el mazo, empezó a dar problemas para mezclas asfálticas con agregados de mayor tamaño, aún cuando se usaba el molde de mayor tamaño, también se empezó a criticar que el proceso de compactación en campo, realizado por la maquinaria, es totalmente diferente, corresponde más bien a un amasado, y cuando se empezaron a usar asfaltos modificados, el proceso de compactación fallaba por las temperaturas de compactación, que luego debieron ser modificadas. El otro aspecto que empezó a cuestionarse, era la veracidad del parámetro de estabilidad/flujo Marshall, como un verdadero predictor de desempeño.

Así las cosas, tampoco lograr una adecuada volumetría de la mezcla asfáltica puede garantizar un adecuado desempeño de la mezcla. Por esto, el diseño moderno de materiales para pavimentos requiere de otros ensayos ensayos, los ensayos de desempeño!



En Costa Rica, recuerdo varios años en que hubo una gran polémica acerca de, en qué punto de la gráfica de estabilidad flujo, se debían medir dichos parámetros. Esta situación, desde mi óptica, generó la aceptación de mezclas altamemente deformables, a pesar de que los valores de flujo plástico reportados estaban dentro de rangos aceptables, para mezclas estables volumétricamente. Esto, porque algunas veces las curvas presentaban comportamientos extraños. Podría colocar acá alguna de las gráficas que generaban confusión, pero debido a que no creo en la efectividad del método, no me parece conveniente terciar sobre él.

Desde mi óptica, y luego de estudiar por años ensayos fundamentales para medir propiedades de materiales para pavimentos,  un error de concepto grave que se escuchaba en aquella época era decir que la parte lineal de la curva de estabilidad - flujo, correspondía a un comportamiento elástico. De ninguna manera!!!! No puede haber elasticidad en una probeta cuyo mecanismo de falla implica deformación irrecuperable (permanente) que es el caso del método de falla Marshall.

Sin embargo, el tema principal, es la escasa correlación  -no digo nula para no herir susceptibilidades- entre los resultados de los parámetros Marshall, y resultados de ensayos de desempeño a escala de laboratorio, o mejor aún, el desempeño real de mezclas en sitio. Acá, hay que reconocer que mucho del desempeño de una mezcla asfáltica depende del patrón e idoneidad del proceso de compactación en sitio, puesto que se sabe que los valores especificados para mezclas en campo, 4,0% de vacíos en laboratorio y 7,0% de vacíos en sitio, producen mezclas que pueden tener un desempeño aceptable, mayormente por su impermeabilidad. 

Por lo tanto, el principal problema del ensayo Marshall no es que sea un ensayo empírico, sino que no correlaciona bien con propiedades fundamentales de los materiales. Esto es, que un flujo muy alto, fuera de especificación no necesariamente va a verse reflejado en altas deformaciones plásticas en sitio, o en el caso contrario, agrietamientos severos. Una estabilidad alta tampoco garantiza una adecuada resistencia al corte  de la mezcla asfáltica. Por esto, fue que se buscó un método mas competente para preparar los especímenes de ensayo y la volumetría, el Superpave, y se desarrollaron una serie de ensayos de desempeño, para, precisamente, predecir el comportamiento de la mezcla ante estos fenónemos.

Posteriormente, voy a comentar acerca de como el uso de ensayos de desempeño como el módulo dinámico, de fatiga, de  eformación permamente y de baja temperatura, están revolucionando el diseño de mezclas asfálticas y la predicción de su desempeño.


2 comentarios:

  1. Muchas Gracias al Dr Loría por compartir sus consideraciones en el tema del método Marshall pero sobre todo por hacerlo de una manera práctica que permite su entendimiento por los que no somos expertos en la materia.

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  2. Definitivamente el método Marshall solo nos da una aproximación pra determinar el contenido de cemento asfáltico a escala de laboratorio, pero en definitiva no predice el verdadero comportamiento en campo. Tenemos que aprovechar la existencia de mejores predictores para tener mejores mezclas en servicio. Esto es definitivo y considero que algo hemos lograso en este campo, pero aún nos falta.

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