Un glosario técnico integral sobre el método de diseño de mezclas Marshall para pavimentos asfálticos. Cubre el procedimiento completo desde historia y desarrollo, compactación Marshall, ensayos de estabilidad y flujo, análisis volumétrico (vacíos de aire, VMA, VFA), determinación del contenido óptimo de ligante, aplicaciones en pavimentos aeroportuarios, comparación con Superpave y control de calidad mediante ensayos Marshall.
El método de diseño de mezclas Marshall es un procedimiento empírico de laboratorio para diseñar Mezcla Asfáltica en Caliente (HMA) que determina el contenido óptimo de ligante asfáltico evaluando probetas cilíndricas compactadas en cuanto a estabilidad (resistencia a la carga máxima) y flujo (características de deformación). Desarrollado por Bruce G. Marshall del Departamento de Carreteras de Mississippi en 1939, el método fue posteriormente refinado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. (USACE) en la Estación Experimental de Vías Navegables (WES) en Vicksburg, Mississippi, durante las décadas de 1940 y 1950 para el diseño de pavimentos en aeródromos militares. Hoy en día, el método Marshall se utiliza en alguna capacidad en aproximadamente 38 estados de EE. UU. y sigue siendo el procedimiento de diseño de mezclas asfálticas más empleado a nivel mundial, particularmente en naciones en desarrollo, debido a su simplicidad, portabilidad y bajo costo de equipo.
El método Marshall es fundamentalmente un proceso de optimización que equilibra los requisitos contrapuestos de resistencia, flexibilidad, durabilidad y trabajabilidad en una mezcla asfáltica. La premisa central implica preparar múltiples mezclas de prueba con diferentes contenidos de ligante asfáltico (normalmente en incrementos de 0.5%), compactarlas bajo condiciones estandarizadas, someterlas a carga controlada hasta la falla, y realizar un análisis volumétrico detallado para identificar el contenido de ligante que produce una mezcla que cumpla con todos los criterios especificados. Estos criterios abarcan la estabilidad Marshall (medida en kN o lb), el flujo Marshall (medido en mm o incrementos de 0.01 pulg), los vacíos de aire (Va), los vacíos en el agregado mineral (VMA) y los vacíos llenos de asfalto (VFA).
Las referencias principales que rigen el método Marshall incluyen AASHTO T 245 (Resistencia al Flujo Plástico de Mezclas Bituminosas Usando el Aparato Marshall), ASTM D6927 (Método de Ensayo Estándar para Estabilidad y Flujo Marshall de Mezclas Asfálticas), y el Manual Serie MS-2 del Instituto del Asfalto (Métodos de Diseño de Mezclas para Asfalto). Adicionalmente, el método es referenciado en ASTM D6926 (Práctica Estándar para la Preparación de Probetas de Mezcla Asfáltica Usando el Aparato Marshall) para la preparación de probetas. Para aplicaciones aeroportuarias, el Circular de Asesoramiento FAA AC 150/5370-10H (Ítem P-401) especifica criterios Marshall para pavimentos bituminosos de mezcla en planta en aeródromos.
Bruce G. Marshall desarrolló el aparato original de ensayo de estabilidad en 1939 mientras trabajaba como ingeniero bituminoso para el Departamento de Carreteras del Estado de Mississippi. El equipo fue diseñado para ser un ensayo de campo simple y rápido para evaluar la calidad de las mezclas de concreto asfáltico que se colocaban en las carreteras de Mississippi. El aparato original de Marshall consistía en un accesorio de carga que podía acoplarse al equipo existente de Ensayo de Relación de Soporte de California (CBR) — una decisión de diseño estratégica que aprovechaba el equipo ya disponible en la mayoría de los laboratorios de carreteras. El ensayo original medía únicamente la resistencia a la carga máxima (estabilidad) de las probetas compactadas, sin ninguna medición de deformación.
En 1943, durante la Segunda Guerra Mundial, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. inició una evaluación sistemática de los métodos disponibles de diseño de mezclas asfálticas en la Estación Experimental de Vías Navegables (WES) en Vicksburg, Mississippi. La motivación era urgente: las aeronaves militares aumentaban rápidamente en tamaño, carga por rueda y presión de neumáticos, requiriendo pavimentos aeroportuarios más resistentes y confiables. Las aeronaves militares de primera generación como el B-17 Flying Fortress imponían cargas por rueda de aproximadamente 15,000 lb (66.7 kN), mientras que el posterior B-29 Superfortress llevó las cargas hacia 30,000 lb (133.4 kN) — requiriendo pavimentos mucho más allá de los estándares de construcción de carreteras existentes.
El USACE examinó varios métodos de diseño competidores, incluyendo el método del estabilómetro Hveem (desarrollado en California) y varios enfoques empíricos. El Cuerpo seleccionó el método Marshall para su adopción porque cumplía cuatro requisitos críticos:
El refinamiento más significativo al método original de Marshall provino de la Estación Experimental de Vías Navegables del USACE, que añadió una capacidad de medición de deformación (flujo) al ensayo. El medidor de flujo — típicamente un indicador de cuadrante o un transductor de desplazamiento lineal variable (LVDT) — mide la deformación vertical de la probeta en el punto de carga máxima. El Cuerpo razonó que una mezcla con estabilidad adecuada pero deformación excesiva bajo carga sería propensa al ahuellamiento y desplazamiento en servicio. Por el contrario, una mezcla con baja deformación (rígida) pero baja estabilidad podría ser frágil y propensa al agrietamiento. La medición del flujo proporcionó así un control esencial contra contenidos de asfalto excesivamente altos que producirían una mezcla tierna e inestable.
A lo largo de finales de la década de 1940 y principios de la de 1950, WES realizó extensos estudios de validación en campo correlacionando los resultados de los ensayos Marshall con el desempeño real del pavimento. Estos estudios examinaron variables que incluyen el tipo y granulometría del agregado, la fuente y grado del ligante asfáltico, el esfuerzo de compactación y las condiciones climáticas. El Cuerpo estableció los ahora estándar niveles de compactación de 35, 50 y 75 golpes por lado correspondientes a clasificaciones de tráfico ligero, medio y pesado, respectivamente. También desarrollaron las primeras tablas integrales de criterios de diseño Marshall que especifican estabilidad mínima, rangos de flujo y requisitos de vacíos de aire para diferentes niveles de tráfico.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el método Marshall se extendió mundialmente a través de varios canales: manuales técnicos del USACE distribuidos a naciones aliadas, el manual MS-2 del Instituto del Asfalto (publicado por primera vez en la década de 1950 y actualizado periódicamente), y la inclusión del método en documentos de orientación de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) para el diseño de pavimentos aeroportuarios. Para la década de 1970, el método Marshall se había convertido en el procedimiento dominante de diseño de mezclas asfálticas en América del Norte, Europa, Asia, África y Australasia.
El martillo Marshall es el dispositivo central de compactación, diseñado para simular la acción de amasado y densificación de los rodillos de campo sobre un pavimento asfáltico. Las especificaciones clave incluyen:
| Componente | Especificación | Norma |
|---|---|---|
| Peso del martillo | 4,536 g (10.0 lb) | AASHTO T 245 |
| Altura de caída | 457.2 mm (18.0 pulg) caída libre | AASHTO T 245 |
| Diámetro del pisón | 98.4 mm (3.875 pulg) | ASTM D6926 |
| Área del pisón | 76 cm² (11.8 pulg²) | ASTM D6926 |
| Diámetro de la probeta | 101.6 mm (4.0 pulg) estándar | AASHTO T 245 |
| Altura de la probeta | 63.5 mm (2.5 pulg) nominal | AASHTO T 245 |
Existen dos tipos de martillos Marshall: martillos manuales donde el operador levanta y suelta el peso deslizante a la altura de caída especificada, y martillos automáticos (accionados eléctrica o neumáticamente) que proporcionan una frecuencia de golpe y altura de caída consistentes. Los martillos automáticos son generalmente preferidos ya que reducen la variabilidad del operador y mejoran la reproducibilidad del ensayo. Los compactadores Marshall automáticos modernos pueden alcanzar frecuencias de golpe de aproximadamente 60 golpes por minuto con una entrega de energía consistente.
El número de golpes aplicados a cada extremo de la probeta está determinado por la carga de tráfico anticipada. Los niveles estándar de compactación según AASHTO T 245 y el MS-2 del Instituto del Asfalto son:
| Clasificación de Tráfico | Cargas Equivalentes por Eje Simple (ESALs) | Golpes por Lado | Aplicación |
|---|---|---|---|
| Tráfico Ligero | Menos de 10⁴ ESALs | 35 | Caminos locales, calles residenciales |
| Tráfico Medio | 10⁴ a 10⁶ ESALs | 50 | Carreteras secundarias, vías colectoras |
| Tráfico Pesado | Mayor a 10⁶ ESALs | 75 | Autopistas interestatales, arterias principales, pistas aeroportuarias |
Para pavimentos aeroportuarios, la especificación FAA P-401 generalmente requiere 75 golpes por lado para todas las capas de rodadura y capas intermedias, reflejando las cargas extremas impuestas por las operaciones de aeronaves. Algunas especificaciones internacionales para pavimentos aeroportuarios requieren hasta 112 golpes por lado en procedimientos Marshall modificados para mezclas con agregados grandes (hasta 38 mm de tamaño máximo nominal).
La secuencia estándar de preparación de probetas Marshall según ASTM D6926 implica:
Preparación del agregado: Los agregados se secan hasta masa constante a 105–110 °C (221–230 °F) y se tamizan en fracciones de tamaño individuales. Luego se recombinan según la granulometría de diseño.
Calentamiento: Los agregados se calientan a la temperatura de mezclado, típicamente 160–177 °C (320–350 °F) para ligantes convencionales. El ligante asfáltico se calienta a la temperatura de mezclado especificada, típicamente 150–163 °C (302–325 °F). La relación temperatura-viscosidad del ligante se utiliza para determinar las temperaturas exactas de mezclado y compactación, apuntando a una viscosidad de 170±20 cSt para el mezclado y 280±30 cSt para la compactación.
Mezclado: Los agregados calentados y el ligante se mezclan thoroughly en una mezcladora mecánica (o manualmente para lotes pequeños) hasta que todas las partículas de agregado estén uniformemente recubiertas — típicamente 90–120 segundos de tiempo de mezclado.
Moldeo: La mezcla se coloca en un conjunto de molde Marshall precalentado (cilindro del molde, collarín y placa base) usando una espátula o cuchara calentada. Se colocan discos de papel filtro en la parte superior e inferior. La mezcla se espada 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el centro.
Compactación: El conjunto del molde se coloca sobre el pedestal de compactación. Se aplica el número especificado de golpes a una cara, la probeta se rota 180° y se aplica el mismo número de golpes a la cara opuesta.
Extracción y enfriamiento: Después de la compactación, se permite que la probeta se enfríe. Luego, el conjunto del molde se coloca en un extractor de muestras para extraer la probeta compactada. Las probetas se almacenan a temperatura ambiente hasta el ensayo.
Cuando el tamaño máximo nominal del agregado supera los 26.5 mm (1.0 pulgada), se requiere un procedimiento Marshall modificado que utiliza probetas de 152.4 mm (6.0 pulgadas) de diámetro. Las modificaciones clave según ASTM D5581 incluyen:
| Parámetro | Marshall Estándar | Marshall Modificado |
|---|---|---|
| Diámetro de la probeta | 101.6 mm (4 pulg) | 152.4 mm (6 pulg) |
| Altura de la probeta | 63.5 mm (2.5 pulg) | 95.2 mm (3.75 pulg) |
| Peso del martillo | 4,536 g (10.0 lb) | 10,206 g (22.5 lb) |
| Altura de caída | 457.2 mm (18 pulg) | 457.2 mm (18 pulg) |
| Peso del lote | 1,200–1,500 g | 4,050 g |
| Tamaño máximo del agregado | 26.5 mm (1 pulg) | 38 mm (1.5 pulg) |
| Golpes por lado | 35/50/75 | 112 (tráfico pesado) |
El ensayo de estabilidad Marshall (ASTM D6927 / AASHTO T 245) mide la carga máxima que una probeta de asfalto compactada puede soportar a una temperatura de ensayo estándar de 60 °C (140 °F) — representando la temperatura de pavimento de verano en el peor de los casos en la mayoría de los climas. La probeta se acondiciona en un baño de agua a 60 °C±1 °C durante 30–40 minutos antes del ensayo, asegurando que todas las probetas alcancen una temperatura uniforme en toda la sección transversal.
El sistema de ensayo Marshall consiste en:
La estabilidad Marshall se registra en kN (o lb) y representa la resistencia máxima a la carga de la mezcla. Los valores más altos de estabilidad generalmente indican mezclas más rígidas con mayor resistencia al ahuellamiento y la deformación, pero una estabilidad excesivamente alta puede indicar una mezcla demasiado frágil y propensa al agrietamiento bajo carga térmica o por fatiga.
El flujo Marshall se registra en mm (o incrementos de 0.25 mm) y representa la deformación plástica de la probeta en el momento de la falla. Los valores más altos de flujo indican mayor flexibilidad, pero pueden señalar un contenido de ligante excesivamente rico que podría provocar ahuellamiento. Los valores más bajos de flujo indican una mezcla rígida, posiblemente con insuficiente asfalto, que podría agrietarse bajo carga.
El cociente Marshall (estabilidad dividida por flujo, expresado en kN/mm) se utiliza a veces como indicador de rigidez. MoRTH (India) especifica un rango de cociente Marshall de 2.5–5.0 kN/mm para Macadán Bituminoso Densos (DBM) y Mezclas de Concreto Bituminoso (BC).
| Propiedad de la Mezcla | Tráfico Ligero (<10⁴ ESALs) | Tráfico Medio (10⁴–10⁶ ESALs) | Tráfico Pesado (>10⁶ ESALs) |
|---|---|---|---|
| Golpes por lado | 35 | 50 | 75 |
| Estabilidad, mín. | 2,224 N (500 lb) | 3,336 N (750 lb) | 6,672 N (1,500 lb) |
| Flujo (unidades de 0.25 mm) | 8–20 | 8–18 | 8–16 |
| Vacíos de aire (%) | 3–5 | 3–5 | 3–5 |
| VFA (%) | 70–80 | 65–78 | 65–75 |
Fuente: Instituto del Asfalto MS-2, 6.ª Edición
La determinación precisa de la densidad es la base del análisis volumétrico Marshall. Dos valores de gravedad específica son esenciales:
Gravedad Específica Bulk (Gmb) de las probetas compactadas se determina según ASTM D2726 / AASHTO T 166 utilizando el método de superficie seca saturada (SSD):
Para probetas con alta absorción (mayor al 2%), se requieren métodos alternativos (ASTM D1188 método de recubrimiento con parafina o ASTM D6752 método de sellado al vacío).
Gravedad Específica Máxima Teórica (Gmm) de la mezcla asfáltica suelta se determina según ASTM D2041 / AASHTO T 209 (el ensayo Rice), donde la mezcla suelta y sin compactar se satura al vacío para eliminar el aire atrapado, permitiendo calcular la densidad de la mezcla con cero vacíos de aire.
Los vacíos de aire, también expresados como vacíos en la mezcla total (VTM), representan los pequeños espacios de aire entre las partículas de agregado recubiertas en la mezcla compactada. Cálculo:
Va = [1 − (Gmb / Gmm)] × 100%
Los objetivos de vacíos de aire de diseño son típicamente 4.0% (con un rango aceptable de 3–5%), representando el contenido de vacíos inmediatamente después de la construcción. Con el tiempo, la compactación del tráfico reduce los vacíos de aire al 2–3%, conocido como la condición de vacíos en servicio. Mantener vacíos de aire adecuados es crítico porque:
El objetivo de vacíos de aire de diseño del 4% proporciona un equilibrio entre prevenir la exudación del ligante y mantener una durabilidad adecuada durante la vida útil del pavimento.
El VMA representa el espacio intergranular entre las partículas de agregado en una mezcla compactada, incluyendo el espacio ocupado por el ligante asfáltico y los vacíos de aire. El VMA se calcula como:
VMA = 100 − [(Gmb × Ps) / Gsb]
Donde:
Los requisitos mínimos de VMA son críticos para garantizar un espesor adecuado de la película de ligante alrededor de las partículas de agregado. Un VMA insuficiente conduce a películas de ligante delgadas que envejecen rápidamente y producen pavimentos frágiles y propensos al agrietamiento. Los criterios mínimos de VMA del Instituto del Asfalto dependen del tamaño máximo nominal de partícula (NMPS) del agregado:
| NMPS (mm) | NMPS (Estándar EE. UU.) | VMA Mínimo (%) |
|---|---|---|
| 63.0 | 2.5 pulgadas | 11.0 |
| 50.0 | 2.0 pulgadas | 11.5 |
| 37.5 | 1.5 pulgadas | 12.0 |
| 25.0 | 1.0 pulgada | 13.0 |
| 19.0 | 0.75 pulgadas | 14.0 |
| 12.5 | 0.5 pulgadas | 15.0 |
| 9.5 | 0.375 pulgadas | 16.0 |
| 4.75 | Tamiz No. 4 | 18.0 |
El VFA representa la porción del VMA que está ocupada por el ligante asfáltico (excluyendo el ligante absorbido). Cálculo:
VFA = [(VMA − Va) / VMA] × 100%
Donde:
El VFA indica el grado de llenado del sistema de vacíos del agregado. Los valores más altos de VFA indican más VMA lleno con ligante, produciendo mezclas más ricas y duraderas. Los valores más bajos de VFA indican mezclas más pobres con mayor contenido de vacíos de aire. Los criterios de VFA varían según el nivel de tráfico como se muestra en la tabla de criterios de diseño anterior.
Determinar la gravedad específica correcta de la combinación de agregados es crucial para el cálculo preciso del VMA. Se definen tres medidas según ASTM C127 / AASHTO T 84:
El método Marshall típicamente requiere cinco contenidos de asfalto de prueba en incrementos de 0.5%, siendo el valor medio el estimado del contenido óptimo de ligante. Para cada contenido de prueba, se preparan tres probetas réplica (total de 15 probetas). El rango de prueba debe extenderse al menos 1.0% por encima y por debajo del óptimo estimado para establecer tendencias claras en las curvas resultantes.
Después de ensayar todas las probetas, se grafican seis curvas con el contenido de asfalto en el eje x:
Contenido de asfalto vs. densidad: La densidad generalmente aumenta con el contenido de asfalto, alcanza un pico (densidad máxima), luego disminuye a medida que el exceso de ligante separa las partículas de agregado. La densidad pico generalmente ocurre a un contenido de ligante más alto que la estabilidad pico.
Contenido de asfalto vs. estabilidad Marshall: La estabilidad típicamente aumenta con el contenido de asfalto hasta un pico, luego disminuye. Son posibles dos comportamientos: un pico bien definido (la mayoría de las mezclas vírgenes) o una disminución monótona sin pico (algunas mezclas recicladas).
Contenido de asfalto vs. flujo: El flujo aumenta constantemente con el incremento del contenido de asfalto a medida que la película de ligante se espesa y la mezcla se vuelve más flexible.
Contenido de asfalto vs. vacíos de aire: Los vacíos de aire disminuyen linealmente con el aumento del contenido de asfalto a medida que el ligante llena el espacio de vacíos entre las partículas de agregado.
Contenido de asfalto vs. VMA: El VMA disminuye con el aumento del contenido de asfalto, alcanza un mínimo, luego aumenta. El punto mínimo de VMA corresponde aproximadamente al punto donde el exceso de ligante comienza a separar las partículas.
Contenido de asfalto vs. VFA: El VFA aumenta constantemente con el incremento del contenido de asfalto.
El procedimiento estándar para seleccionar el contenido óptimo de asfalto:
Determinar el contenido de asfalto al 4.0% de vacíos de aire (la mediana de la especificación) leyendo la gráfica de vacíos de aire. Este es el contenido óptimo de ligante candidato.
Verificar este contenido candidato contra todos los demás criterios:
Si todos los criterios se cumplen, el contenido óptimo de ligante candidato se acepta.
Si uno o más criterios no se cumplen, la mezcla debe rediseñarse ajustando la granulometría del agregado, cambiando las fuentes de agregado, modificando el grado del ligante o alterando el nivel de compactación de diseño.
Algunas agencias (por ejemplo, MoRTH en India) utilizan un enfoque alternativo: calcular el contenido de ligante correspondiente a:
El contenido óptimo de ligante (OBC) es entonces el promedio de estos tres valores. Este método produce resultados ligeramente diferentes al enfoque del Instituto del Asfalto y es común en especificaciones derivadas de las Normas Británicas.
El método Marshall está explícitamente referenciado en el Circular de Asesoramiento FAA AC 150/5370-10H (Especificaciones Estándar para la Construcción de Aeropuertos) bajo el Ítem P-401 (Pavimentos Bituminosos de Mezcla en Planta). La FAA especifica criterios de diseño Marshall adaptados específicamente para pavimentos aeroportuarios:
| Parámetro | Requisito FAA P-401 |
|---|---|
| Compactación | 75 golpes por lado |
| Estabilidad (mínima) | 6,672 N (1,500 lb) para capas de rodadura |
| Rango de flujo | 8–16 (unidades de 0.25 mm) |
| Vacíos de aire | 3.0–5.0% |
| VMA | Según mínimos del Instituto del Asfalto |
| VFA | 65–75% |
La literatura de investigación de la guía de Diseño y Evaluación de Pavimentos Aeroportuarios de la OACI confirma que el método de diseño de mezclas Marshall es el enfoque preferido para el diseño de mezclas asfálticas de pistas según las especificaciones tanto de la FAA como de la OACI. El Manual de Diseño de Aeródromos de la OACI (Doc 9157, Parte 3 – Pavimentos) proporciona orientación adicional sobre la selección de materiales y procedimientos de ensayo para pavimentos aeroportuarios.
Los pavimentos aeroportuarios difieren de los pavimentos de carreteras en varios aspectos críticos que influyen en el diseño de mezclas Marshall:
Cargas de rueda extremas: Aeronaves como el Boeing 747-400 o el Airbus A380 imponen cargas por rueda de hasta 22,500 kg (49,600 lb) por rueda — superando con creces las cargas legales de carretera. Las configuraciones de tren de aterrizaje con múltiples ruedas (por ejemplo, bogies de 4 ruedas, tándem triple-dual de 6 ruedas) crean distribuciones de esfuerzo complejas.
Resistencia química: Los pavimentos aeroportuarios deben resistir el ataque del combustible de aviación (queroseno), los fluidos hidráulicos (Skydrol) y los productos químicos deshielantes (glicoles, acetato de potasio). Los ligantes modificados con polímeros (PMB) son ahora estándar para pistas principales y plataformas. El método Marshall puede acomodar la evaluación de PMB, aunque los criterios empíricos de estabilidad-flujo pueden requerir modificación para ligantes altamente modificados.
Requisitos de fricción superficial: Las pistas aeroportuarias requieren macrotextura y microtextura específicas para el frenado en condiciones de humedad. El método Marshall no aborda directamente las características de fricción superficial, por lo que se requieren ensayos complementarios (por ejemplo, Número de Péndulo Británico, profundidad de textura por método del parche de arena).
Compatibilidad con el ranurado: El ranurado de pistas (ranuras de 6 mm × 6 mm a 38 mm de espaciamiento) se aplica comúnmente para mejorar la fricción y reducir el riesgo de hidroplaneo. El diseño de la mezcla debe tener suficiente estabilidad para mantener la integridad de las ranuras bajo el tráfico.
El manual FM 5-530 del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. proporciona criterios Marshall modificados para aeródromos militares, teniendo en cuenta la naturaleza de carga discreta del tráfico de aeronaves:
| Categoría de Aeronave | Estabilidad (mín.) | Flujo (0.25 mm) | Vacíos de Aire (%) |
|---|---|---|---|
| Aeronaves ligeras (<30,000 lb PBV) | 6,672 N (1,500 lb) | 8–18 | 3–5 |
| Aeronaves medias (30,000–100,000 lb PBV) | 8,896 N (2,000 lb) | 8–16 | 3–5 |
| Aeronaves pesadas (>100,000 lb PBV) | 11,120 N (2,500 lb) | 8–14 | 3–4.5 |
El sistema de diseño de mezclas Superpave (Pavimentos Asfálticos de Rendimiento Superior) fue desarrollado bajo el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP) de EE. UU. de 1987 a 1993 como un reemplazo basado en el desempeño del método Marshall. Las diferencias clave incluyen:
| Aspecto | Método Marshall | Método Superpave |
|---|---|---|
| Tipo de compactación | Impacto (martillo de caída) | Giratoria (amasado por cizallamiento) |
| Medición de compactación | Número de golpes | Número de giros (N_design) |
| Indicador de desempeño | Estabilidad (carga empírica) | Resistencia al corte, ahuellamiento, fatiga |
| Especificación del ligante | Grado de penetración/viscosidad | Grado de Desempeño (PG) |
| Criterios de selección | Estabilidad + flujo + volumetría | Volumetría en N_design + ensayos de desempeño opcionales |
| Requisitos del agregado | Bandas granulométricas básicas | Zona restringida + propiedades de consenso |
| Consideración de envejecimiento | Mínima | Protocolos de envejecimiento a corto y largo plazo |
| Ensayos de desempeño | No | Opcional: número de flujo, tiempo de flujo, fluencia IDT |
La investigación que compara los diseños Marshall y Superpave (por ejemplo, estudios publicados en Construction and Building Materials, Journal of Transportation Engineering) generalmente demuestra que:
Los valores de estabilidad y flujo Marshall son índices empíricos, no propiedades ingenieriles fundamentales. Un valor de estabilidad de 10 kN no se traduce directamente en un módulo, resistencia al corte o vida a la fatiga específicos. Esta naturaleza empírica significa que el método se basa en la correlación histórica en lugar del modelado mecanicista de la respuesta del pavimento.
El martillo de caída Marshall aplica compactación por impacto vertical, que produce una orientación de las partículas de agregado y una estructura interna diferentes de la compactación por amasado y cizallamiento de los rodillos modernos de neumáticos, rodillos de acero y compactadores giratorios Superpave. Esta discrepancia puede conducir a:
El ensayo Marshall evalúa probetas a una sola temperatura (60 °C) y velocidad de carga (50.8 mm/min). Esto no captura:
Los criterios de estabilidad-flujo Marshall fueron desarrollados para ligantes convencionales no modificados. Los ligantes modificados con polímeros (PMB) modernos — incluyendo modificaciones SBS, EVA y elastoméricas — exhiben un comportamiento viscoelástico diferente que puede no ser capturado adecuadamente por el ensayo Marshall. Las mezclas con PMB pueden mostrar:
El equipo Marshall estándar (molde de 101.6 mm de diámetro) solo es adecuado para agregados con tamaño máximo nominal (NMS) de hasta 26.5 mm. Para agregados más grandes, se requiere el procedimiento Marshall modificado (152.4 mm de diámetro, martillo de 22.5 lb), pero está menos estandarizado y tiene datos de correlación histórica limitados.
Los resultados de los ensayos Marshall pueden exhibir una variabilidad considerable debido a:
La siguiente tabla presenta criterios integrales de diseño Marshall recopilados de las especificaciones del Instituto del Asfalto (MS-2), ASTM D6927, AASHTO T 245 y FAA P-401:
| Parámetro de Diseño | Tráfico Ligero | Tráfico Medio | Tráfico Pesado | Aeropuerto (P-401) |
|---|---|---|---|---|
| Compactación (golpes/lado) | 35 | 50 | 75 | 75 |
| Estabilidad, mín. (N) | 2,224 | 3,336 | 6,672 | 6,672 |
| Estabilidad, mín. (lb) | 500 | 750 | 1,500 | 1,500 |
| Flujo (unidades de 0.25 mm) | 8–20 | 8–18 | 8–16 | 8–16 |
| Flujo (mm) | 2.0–5.0 | 2.0–4.5 | 2.0–4.0 | 2.0–4.0 |
| Vacíos de aire (%) | 3–5 | 3–5 | 3–5 | 3–5 |
| VFA (%) | 70–80 | 65–78 | 65–75 | 65–75 |
| Cociente Marshall (kN/mm) | 1.5–4.0 | 2.0–4.5 | 2.5–5.0 | 2.5–5.0 |
Los criterios Marshall varían significativamente entre países y agencias:
| País/Norma | Estabilidad (kN) mín. | Flujo (mm) | Vacíos de Aire (%) | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Instituto del Asfalto (EE. UU.) | 3.34 (medio), 6.67 (pesado) | 2.0–4.5 | 3–5 | Criterios base |
| MoRTH (India) | 12.0 (DBM/BC) | 2.5–4.0 | 3–5 | Mayor estabilidad |
| BS 4987 (Reino Unido) | 5.0–10.0 (dependiente del grado) | 2.0–5.0 | 2–8 | Específico según gradación |
| China (JTG F40) | 7.5–8.5 (dependiente del tráfico) | 1.5–4.0 | 3–6 | Mayor para tráfico pesado |
| Sudáfrica (SABITA) | 7.0–10.0 | 2.0–4.5 | 3–5 | Provisiones para ligantes modificados |
Los ensayos Marshall cumplen un doble rol en la gestión de calidad:
Los criterios de tolerancia de producción según normas AASHTO y FAA:
| Parámetro | Desviación Permisible de la JMF |
|---|---|
| Contenido de asfalto | ±0.3% |
| Estabilidad | ±20% del valor de diseño |
| Flujo | ±1.5 mm (±6 unidades de 0.25 mm) |
| Vacíos de aire | ±1.0% |
| VMA | ±1.0% |
| Granulometría (pasa tamiz No. 4 y mayores) | ±5% |
| Granulometría (pasa tamiz No. 8 a No. 200) | ±3% |
Los programas modernos de control de calidad aplican control estadístico de procesos (SPC) a los resultados de los ensayos Marshall:
Cuando los resultados de los ensayos Marshall quedan fuera de los límites de aceptación, se recomienda la siguiente investigación sistemática:
Frecuencias típicas de ensayos de control de calidad según las especificaciones FAA P-401 y DOT estatales:
| Ensayo | Frecuencia Mínima |
|---|---|
| Granulometría | 1 por cada 500 toneladas |
| Contenido de asfalto | 1 por cada 500 toneladas |
| Estabilidad y flujo Marshall | 1 por cada 500 toneladas |
| Gravedad específica bulk | 1 por cada 500 toneladas |
| Gravedad específica máxima teórica | 1 por cada 500 toneladas o 1 por día |
| Vacíos de aire, VMA, VFA (calculados) | A partir de los datos anteriores |
El método de diseño de mezclas Marshall sigue siendo un pilar de la ingeniería de pavimentos asfálticos más de 80 años después de su desarrollo. Su relevancia perdurable proviene de su equilibrio práctico entre simplicidad, reproducibilidad y correlación empírica con el desempeño en campo. La amplia adopción global del método — en cinco continentes y tanto en aplicaciones de carreteras como aeroportuarias — ha creado una vasta base de datos de correlaciones de desempeño que continúan informando las decisiones de diseño de pavimentos.
Si bien el sistema Superpave ha abordado muchas de las limitaciones del método Marshall mediante ligantes clasificados por desempeño, compactación giratoria y ensayos de propiedades ingenieriles fundamentales, el método Marshall conserva ventajas en costo, portabilidad y facilidad de implementación que lo convierten en el método preferido para muchas agencias en todo el mundo. Para pavimentos aeroportuarios específicamente, la integración del método en la FAA P-401 y las guías de la OACI asegura su relevancia continua para la construcción de aeródromos.
El enfoque más efectivo para la ingeniería moderna de pavimentos es aplicar el método Marshall para el control de calidad rutinario y diseños de tráfico bajo a medio, mientras se transiciona hacia enfoques Superpave o de diseño de mezclas equilibrado (BMD) para corredores de alto tráfico, pavimentos aeroportuarios de carga pesada y proyectos donde se requiera modificación avanzada de ligantes o ensayos de desempeño. Comprender ambos métodos — sus fortalezas, limitaciones y aplicaciones apropiadas — es esencial para el conjunto de herramientas del ingeniero de pavimentos.
¿Necesita asesoramiento experto en diseño de mezclas asfálticas para pavimentos aeroportuarios o de carreteras? Nuestros especialistas en pavimentos pueden ayudarle a implementar los métodos Marshall o Superpave para un rendimiento, durabilidad y cumplimiento normativo óptimos.
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