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La infraestructura vial es uno de los aspectos importantes en el desarrollo de un puesto que por esta se van a desplazar toda clase de ya sean de tipo personal, de pasajeros o de carga. En este sentido, en cuanto a mejores tenga un mejor se va a comportar su comercio y flujo vehicular interno. Sin e...

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Introducción La infraestructura vial es uno de los aspectos más importantes en el desarrollo de un país, puesto que por esta se van a desplazar toda clase de vehículos, ya sean de tipo personal, de pasajeros o de carga. En este sentido, en cuanto a mejores vías tenga un país, mejor se va a comportar su comercio y flujo vehicular interno. Sin embargo, Colombia se encuentra rezagado en este sentido, puesto que tiene un gran déficit en la calidad, conexiones y capacidad de sus vías principales, asimismo, sus vías secundarias y terciarias tienen un nivel de avance significativamente bajo. Dado lo anterior, y en conformidad con lo nuevos proyectos de vías 4G que buscan modernizar al país en este aspecto, se crea la necesidad de tener personal calificado y capaz de diseñar y construir estas grandes obras. En verbigracia, con el fin de diseñar correcta y eficientemente las mezclas asfálticas que se dispondrían en estas vías, es necesario que todo ingeniero civil conozca y maneje adecuadamente el diseño de mezclas asfálticas de Marshall, el cual es el método más comúnmente utilizado para este aspecto. Llegado a este punto, es necesario evaluar el porcentaje de asfalto óptimo para usar en el diseño de mezcla. En este sentido, se busca determinar la relación que existe entre la Gravedad Especifica Bulk y el % de Asfalto usado en la mezcla, del mismo modo entre la Estabilidad vs % de Asfalto y, finalmente, el Flujo vs % de Asfalto. Con el fin de tener un mejor y más adecuado análisis, se graficará lo anteriormente destacado y se sacara su respectiva regresión con el fin de poder conocer esos valores del % de Asfalto que hacen máximo ya sea la gravedad Especifica Bulk, estabilidad o el flujo. Llegado a este punto, como hipótesis se considera que el porcentaje de asfalto expresado en las respectivas graficas va a tender a tener un valor en común en su punto máximo, de esta manera se podrá determinar este valor de forma cuantitativa. Para esto se necesitará las ecuaciones 1,2 y 3. 1. Flujo de la muestra Flujo = Deformación final −Deformación inicial (mm) 2. Cálculo de la estabilidad: Estabilidad = Carga máxima * 9,8067 (N) 3. Cálculo de la Gravedad Especifica Bulk a 25ᵒC = A/(B-C) (g/g) Donde: (A)-Peso suelo seco (g) (C) - Peso Suelo Sumergido en agua (g) (B) - Peso Suelo saturado superficialmente seco (g)

Procedimiento El ensayo de Marshall se encuentra pautado en la norma INVE-748-07 (Resistencia de mezclas asfálticas en caliente empleando el aparato Marshall). El propósito de dicha norma es el de describir el “procedimiento que se debe seguir para la determinación de la resistencia a la deformación plástica de especímenes cilíndricos de mezclas asfálticas para pavimentación, empleando el aparato Marshall” (I.N.V.E, 2018). De acuerdo con la norma, se siguió el siguiente proceso en laboratorio: • De forma anticipada se decidió el porcentaje de dosificación del asfalto (6%) en la mezcla asfáltica. • Se saco el asfalto y los agregados del horno (para homogenizar y elevar sus temperaturas para facilitar el mezclado) y se procedió a mezclarlos de forma homogénea. • Se uso un molde en el cual se depositó la mezcla • Se instalo el sistema del martillo teniendo en cuenta la debida colocación y se aplicó gasolina sobre este para facilitar el deslice de este mismo. • Se procedió a compactar la mezcla proporcionándole 75 golpes con el martillo. • Se dejo las probetas en laboratorio para que están completaran los tiempos especificados en la norma INVE-74807 • En la siguiente sección se procedió a pesar en seco, sumergida en agua y saturada pero superficialmente seca. • Posteriormente se dispuso de las probetas en un tanque de agua a una temperatura de 60 grados centígrados • Se sacaron las probetas del tanque de agua y se dispusieron en el aparato “Marshall” • Se procedió a fallar a cada una de ellas (a 60 grados) registrando sus cargas aplicadas y la deformación sufrida por estas, esto con ayuda del flujómetro. Resultados Después de haber fallado cada probeta se prosigue a hacer el análisis y el procesamiento de los datos surgidos en cada ensayo realizado, es decir, de 3 réplicas por cada porcentaje de asfalto exceptuando el porcentaje de asfalto que corresponde al del 7% al ser solo una réplica, asimismo, los porcentajes usados son de 4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0%, 6.5% y 7.0% de asfalto. En total son 16 réplicas. En primera medida, como la fuerza está dada en unidades de Kgf, se procede a pasarlas a Newtons. Para este propósito se establece la siguiente equivalencia: 1kgf = 9,80665 N En primer lugar, se calcula la Gravedad Especifica Bulk como lo señala la ecuación 3, los valores correspondientes se encuentran en los anexos 1, 2 y 3. Posteriormente se grafica los valores de Gravedad Especifica Bulk promediada según el porcentaje de asfalto versus este último nuevamente.

Tabla 1. Gravedad especifica promediada por % de asfalto GE Bulk Probeta # (Prom) (g/g) 4,5 2,103 5 2,130 5,5 2,144 6 2,263 6,5 2,194 7 2,092 Luego de tener los datos de la carga aplicada en Newtons o (kN) se procede a calcular la Estabilidad de cada réplica, para este propósito se toma los datos de carga vs deformación de cada replica y se procede a encontrar la Carga Máxima de cada replica. Luego, esta carga es transformada a unidades de Newtons como lo expresa la ecuación 2, ya mencionada anteriormente. En este sentido, los valores de estabilidad según la réplica se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Estabilidad por % de asfalto Probeta # Estabilidad (KN) 4,5-1 5,43 4,5-2 2,10 4,5-3 2,71 5,0-1 3,45 5,0-2 4,95 5,0-3 4,91 5,5-1 8,83 5,5-2 5,56 5,5-3 4,03 6,0-1 3,35 6,0-2 4,81 6,0-3 4,90 6,5-1 2,92 6,5-2 4,54 6,5-3 2,76 7,0-1 5,03 Seguidamente, se calcula el valor del flujo según como lo ejemplifica la ecuación 1. Cabe resaltar que la Deformación 0 corresponde al primer valor de deformación obtenido en los datos de Excel de carga vs deformación. Asimismo, la

Deformación F corresponde a aquella deformación que tuvo lugar cuando se alcanzó la carga máxima en cada replica. Finalmente, el Flujo es el resultado de restar la Deformación 0 (mm) de Deformación F (mm).

Probeta # 4,5-1 4,5-2 4,5-3 5,0-1 5,0-2 5,0-3 5,5-1 5,5-2 5,5-3 6,0-1 6,0-2 6,0-3 6,5-1 6,5-2 6,5-3 7,0-1

Tabla 3. Flujo por % de asfalto Deformación F Deformación 0 (mm) (mm) 1,96 0,01 2,09 0,02 2,20 0,02 1,70 0,06 1,90 0,00 1,81 0,03 2,51 0,01 2,36 0,01 2,08 0,01 2,60 0,02 1,64 0,01 1,35 -0,36 1,72 0,04 2,26 0,02 1,91 0,02 2,29 0,01

Flujo 1,96 2,07 2,18 1,63 1,89 1,79 2,50 2,35 2,07 2,58 1,62 1,71 1,68 2,24 1,88 2,27

Finalmente, con efecto de graficar las diferentes curvas que permitirán conocer el porcentaje óptimo de asfalto en la mezcla, se procede a sacar el valor promedio de la Estabilidad y el Flujo según el porcentaje de asfalto usado. Es decir, y de forma ejemplificante, en el caso de un porcentaje de asfalto de 4.5% existen 3 réplicas de este mismo, por lo tanto, se procede a tomar y sumar los valores de estas replicas y posteriormente se divide en tres. Ya realizado el anterior procedimiento se obtiene los valores que muestra la tabla 4. Tabla 4. Estabilidad y Flujo promediados por Probeta # Estabilidad (KN) 4,5 3,41 5 4,44 5,5 6,14 6 4,35 6,5 3,41 7 5,03

% de asfalto Flujo (mm) 2,07 1,77 2,31 1,97 1,94 2,27

Gravedad Especifca Bulk (g/g)

Teniendo estos resultados, se prosigue a graficar Estabilidad vs %De Asfalto y Flujo vs %De Asfalto, además del grafico correspondiente a la Gravedad Especifica Bulk (prom) vs %De Asfalto.

2.300 y = - 0.3916x3 + 6.6713x2 - 37.618x + 72.382 R² = 1

2.250 2.200 2.150 2.100 2.050 0

1

2

3 4 % De Asfalto

5

6

7

Figura 1, Curva de la relacion entre el % de asfalto y la gravedad espeficica.

Estabilidad (KN)

7.00 6.00 5.00 4.00

y = 5.7769x3 - 102.3x2 + 599.52x - 1157.8 R² = 1

3.00 2.00 1.00 0.00 0

1

2

3

4

5

6

7

% De Asfalto

Figura 1, Curva de la relacion entre el % de asfalto y la estabilidad.

Flujo (mm)

2.50 2.00 1.50

y = 1.561x3 - 27.495x2 + 160.6x - 308.96 R² = 1

1.00 0.50 0.00 0

1

2

3

4

5

6

% De Asfalto

Figura 1, Curva de la relacion entre el % de asfalto y el flujo.

7

Discusión En primer lugar, se tiene que las densidades de cada probeta son similares entre sí, dado a que fueron compactadas a la misma cantidad de golpes (75). En este sentido se tiene los siguientes valores de gravedad especifica correspondientes a las 16 réplicas, como lo muestra a tabla 5. Tabla 5. Valores de Gravedad Especifica Valores de GE Bulk (g/g) 2,118 2,16 2,248 2,128 1 2,139 2,16 2,115 2,152 9 2,164 2,07 2,142 2,146 4 2,116 2,16 2,092 2,138 6

Tabla 6. Estadísticos (GE bulk) Media desviación estándar Coeficiente de variación

2,1417 0,0391 1,8%

Min

2,0740

Max

2,2482

Como lo muestra la tabla 6, los valores oscilan alrededor de 2,1417 (g/g), asimismo, la dispersión entres los valores es realmente baja, de solo 1,8% como lo muestra el coeficiente de variación. Por lo tanto, se cumple que el supuesto de que todas las réplicas iban a tener similar densidad. Por otra parte, en cuanto al flujo y la estadidad de cada replica en correlación con las demás se puede ver en la tabla 7 que tienen una dispersión significativa mayor entre sus valores, sin embargo, al promediar estos valores según el contenido de asfalto como lo expresa la tabla 8, se puede notar que hay una menor dispersión entre los valores de estabilidad y los de flujo, es decir, los valores de estabilidad tienen una dispersión entre si del 23% y los de flujo es de 10%. Donde lo anterior se puede ver como el hecho de que las réplicas si son representativas. Tabla 7. Estadísticos (Estabilidad y Flujo) No Promediado Estabilidad Flujo Media 4,3

2,0

desviación estándar Coeficiente de variación

9 1,6 0 37 %

Tabla 8. Estadísticos (Estabilidad y Flujo promediados según % de asfalto) Promediadas Estabilidad Flujo Media 4,4 6 desviación estándar 1,0 4 Coeficiente de variación 23 % Por último, al tener en cuenta los resultados expresados en las figuras 1, 2 y 3, se puede ver de manera cualitativa que tienen unos puntos máximos en sus respectivas curvas, estos puntos máximos corresponden al porcentaje óptimo de asfalto a usar en las mezclas. En este sentido, se procedió a tomar las respectivas regresiones polinómicas de grado tres de cada grafico e insertar este dato en Wolframalpha con el fin de saber cuál era el valor correspondiente al porcentaje de asfalto que hacia máximo la función. En este sentido, para el grafico de Estabilidad vs %De Asfalto, Flujo vs %De Asfalto y Gravedad Especifica Bulk (prom) vs %De Asfalto se tuvo que el porcentaje de asfalto es de 5.402490%, 5.45033% y 6.15764% respectivamente. Luego el valor promedio del porcentaje de asfalto es de 5.67%. Al evaluar este valor en las respectivas regresiones de cada gráfica, se tiene que: la gravedad especifica es de 2.2898 (g/g), la estabilidad es de 5.683 KN y el flujo es de 2.253 (mm). Tabla 9. Resultados % De asfalto 5.67% Gravedad especifica 2.2898 (g/g) Estabilidad 5.683 KN Flujo

2.253 (mm)

Conclusiones y recomendaciones •

Se ha podido determinar los diferentes valores óptimos del porcentaje para el diseño de mezclas asfálticas para pavimento y, por ende, se ha establecido el porcentaje de asfalto a usar en los proyectos de las vías 4G en Colombia.

3 0,3 1 15 %

2,0 5 0,2 1 10 %

•

La INVE-748-07 pretende dar métodos y especificaciones para garantizar que el ensayo sea representativo y como resultado se diseñe una mezcla con las mejores especificaciones posibles.

•

Al momento realizar el método de Marshall es muy importante manejar los tiempos de forma eficaz dado a que el asfalto cambia sus propiedades al variar la temperatura.

•

Es muy importante seguir las instrucciones de la INVE-748-07 para que los datos sean representativos y comparables con otras replicas.

Bibliografía I.N.V.E. (23 de 11 de 2018). RESISTENCIA DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE EMPLEANDO EL APARATO MARSHALL. Bogota.

Anexos Anexo 1. Datos de medidas y gravedad especifica. Probeta # Espesor (mm) Diámetro (mm) (A)-Peso suelo seco (g) (C) - Peso Suelo Sumergido en agua (g) (B) - Peso Suelo saturado superficialmente seco (g) Gravedad Especifica Bulk a 25ᵒC = A/(B*C) 5.0-1

6,5-1 54,59 54,01 54,09 102,9 101,7 102,4

6,5-2 61,4 62,63 61,25 101,85 99,88 103,28

6,5-3 59,57 61,66 59,5 101,72 101,48 101,

941,81

1057,34

1048,33

508,04

572,02

544,77

943,26

1059,54

1011,06

2,16398603

2,168813587

2,248236076

5.0-2

5.0-3

58,8

58,5

58,9

61,13

61,4

60,97

60,92

60,23

61,12

102,46

102,36

102,65

102,01

102,24

102,28

102,2

102,27

102,35

1001,96

1044,39

1043,42

536,92

556,6

562,58

1010,73

1047,41 2,1278906 3

1048,76

2,114687322

2,146159858

Anexo 2. Datos de medidas y gravedad especifica Probeta # Espesor (mm) Diámetro (mm) (A)-Peso suelo seco (g) (C) Peso Suelo Sumergido en agua (g) (B) Peso Suelo saturado superficialmente seco (g)

6,0-1 65,25 65,43 65,74 102,19 102,23 103,26 1115,82

6,0-2 60,74 60,66 60,79 102,21 102,42 102,21 1053,4

6,0-3 61,25 60,26 60,6 102,58 102,5 102,9 1047,11

599,66

570,74

568,04

1121,34

1058,17

1051,39

2,161130829

2,166359781

Gravedad Especifica Bulk a 25ᵒC = A/(B*C) 2,138897408 5,5-1

5,5-2

5,5-3

61,3

62,61

61,85

63,11

63,03

62,53

60,2

59,38

59,54

102,98

102,14

102,23

101,5

101,99

102,46

100,58

101,93

102,39

1071,76

1072,79

1013,91

575,19

577,3

546,14

1075,66

1075,81

1020,48

2,141506983

2,151992939

2,137517393

Anexo3. Datos de medidas y gravedad especifica Probeta #

6,5-1

6,5-2

Espesor (mm)

54,5 54,0 54,0 61,4

6,5-3

7,0-1

62,6 61,25 59,57 61,66 59,55 58,36 59,2

58

9 1 9 3 102, 101, 102, 101,8 99,8 103,2 101,7 101,4 101,9 102,1 101,6 101 Diámetro (mm) 9 7 4 5 8 8 2 8 9 4 9 1 (A)-Peso suelo seco (g) 941,81 (C) - Peso Suelo Sumergido en agua (g) 508,04 (B) Peso Suelo saturado superficialment e seco (g) 943,26 Gravedad Especifica Bulk a 25ᵒC = A/(B*C) 2,16398603

1057,34

1048,33

1009,76

572,02

544,77

569,18

1059,54

1011,06

1051,93

2,168813587

2,248236076

2,091683066...