Muestreo de mezcla asfáltica y elaboración de tres pastillas Marshall.

La Prueba de Fuego del Asfalto: La Guía Definitiva del Ensayo Marshall

¿Cómo saber si una carretera soportará el tráfico sin deformarse? La respuesta está en una pequeña "pastilla" de asfalto. El ensayo Marshall es la prueba de laboratorio por excelencia para diseñar las mezclas asfálticas en México. En esta guía, desglosaremos este proceso crítico, cómo se fabrican las pastillas y cuánto cuesta este estudio.

El ensayo Marshall es un método de prueba empírico, pero fundamental y estandarizado, regulado en México por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), para determinar las propiedades óptimas de una mezcla de concreto asfáltico fabricada en caliente. Su objetivo principal es encontrar el "contenido óptimo de asfalto", es decir, la proporción ideal de ligante que proporciona el equilibrio perfecto entre la máxima estabilidad (resistencia a la deformación bajo carga) y la durabilidad a largo plazo, sin que la mezcla resulte demasiado rígida o frágil. Para ingenieros, laboratoristas y contratistas de obra pública, dominar este procedimiento es clave para garantizar la longevidad y seguridad de los pavimentos. Esta guía completa desglosará el proceso de laboratorio, los parámetros de calidad, la normativa aplicable y un análisis de costos detallado para el contexto mexicano en 2025.

Métodos de Diseño de Mezclas Asfálticas

Antes de sumergirnos en el procedimiento Marshall, es crucial entender su lugar en el panorama de la ingeniería de pavimentos. Existen varios métodos para diseñar mezclas asfálticas, pero dos destacan a nivel mundial: el tradicional Marshall y el moderno Superpave.

Método Marshall (El Estándar Tradicional)

Desarrollado en la década de 1940 por Bruce Marshall y perfeccionado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., este método se basa en décadas de correlación entre resultados de laboratorio y el comportamiento real de los pavimentos en campo. Su enfoque es empírico: se fabrican probetas cilíndricas, conocidas como "pastillas Marshall", mediante un proceso de compactación por impactos. Posteriormente, estas probetas se someten a pruebas para medir dos parámetros fundamentales: la Estabilidad, que es la carga máxima que pueden resistir, y el Flujo, que es su deformación en el punto de falla. Su simplicidad, bajo costo de equipamiento y la extensa base de datos históricos que respaldan su fiabilidad lo han mantenido como el estándar en muchas partes del mundo para proyectos viales convencionales.

Método Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements)

Introducido en la década de 1980 como resultado del Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP) en Estados Unidos, Superpave es un sistema de diseño más avanzado y basado en el desempeño. A diferencia del Marshall, este método considera factores cruciales como el clima de la región (temperaturas máximas y mínimas), el nivel y tipo de tránsito esperado a lo largo de la vida útil del pavimento. Utiliza un Compactador Giratorio (SGC) que simula de manera más realista la compactación en obra por parte de la maquinaria y el efecto del tráfico. Además, emplea un sistema de Graduación por Desempeño (PG, por sus siglas en inglés) para seleccionar el cemento asfáltico más adecuado, asegurando que no se agriete a bajas temperaturas ni se deforme a altas temperaturas.

¿Por qué se sigue usando el Método Marshall en México?

A pesar de la superioridad técnica del método Superpave para predecir el comportamiento a largo plazo, el método Marshall para mezclas asfálticas sigue siendo el procedimiento predominante y estandarizado por la SCT en México. Esta persistencia no se debe a una falta de conocimiento técnico, sino a una combinación de factores prácticos, económicos y logísticos.

Primero, el equipamiento para el ensayo Marshall es considerablemente más económico y sencillo que el requerido para Superpave, como el compactador giratorio y los reómetros para la clasificación PG del asfalto. Segundo, existe una vasta infraestructura de laboratorios en todo el país, junto con miles de técnicos e ingenieros altamente capacitados y con décadas de experiencia en la ejecución e interpretación del método Marshall. Una transición a nivel nacional requeriría una inversión masiva en nuevos equipos y en la recapacitación de personal. Finalmente, para la gran mayoría de la red carretera mexicana, que incluye caminos estatales y municipales con volúmenes de tránsito predecibles, el método Marshall ofrece resultados suficientemente confiables y seguros. Su enfoque, aunque empírico, ha demostrado ser adecuado para garantizar la calidad en una amplia gama de proyectos, representando un equilibrio pragmático entre costo, simplicidad y desempeño aceptable.

Proceso Constructivo Paso a Paso: La Prueba Marshall

El diseño de una mezcla asfáltica mediante el método Marshall es un procedimiento de laboratorio meticuloso y secuencial. Cada paso está diseñado para asegurar la repetibilidad y la precisión de los resultados, siguiendo las directrices del manual M·MMP·4·05·034/23 de la SCT.

1. Preparación y Caracterización de los Agregados Pétreos

El esqueleto de la mezcla asfáltica son los agregados (grava, arena y filler). El primer paso es asegurar su calidad y granulometría. Los agregados se secan en un horno a una temperatura de 110±5∘C hasta alcanzar una masa constante, eliminando toda la humedad. Posteriormente, se separan mediante un juego de tamices en diferentes fracciones de tamaño. Estas fracciones se recombinan en proporciones exactas para cumplir con la curva granulométrica especificada en el proyecto, garantizando así la trabazón y estructura interna adecuadas del pavimento.

2. Preparación del Cemento Asfáltico

El cemento asfáltico, que actúa como el ligante, debe ser calentado para reducir su viscosidad y permitir que recubra adecuadamente cada partícula de agregado. La temperatura no es arbitraria; se calienta hasta alcanzar una viscosidad cinemática de 170±20 centistokes para el mezclado, y una viscosidad de 280±30 centistokes para la compactación. Este control preciso asegura una mezcla homogénea y una compactación efectiva.

3. Fabricación de las Pastillas Marshall

Para determinar el contenido óptimo de asfalto, se preparan varias series de probetas. Típicamente, se fabrican lotes con incrementos de 0.5% de asfalto con respecto al peso de los agregados, abarcando un rango por encima y por debajo del contenido óptimo estimado (por ejemplo, 4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0%). Para cada porcentaje de asfalto, se elaboran un mínimo de tres probetas idénticas, conocidas como pastillas Marshall, para obtener resultados estadísticamente representativos. Cada pastilla requiere aproximadamente 1200 g de mezcla, la cual se prepara mezclando vigorosamente los agregados calientes con la cantidad precisa de asfalto caliente hasta que todas las partículas estén uniformemente recubiertas.

4. Compactación de las Pastillas

La mezcla caliente se introduce en un molde de acero cilíndrico precalentado de 101.6 mm (4 pulgadas) de diámetro. La compactación se realiza con el pisón Marshall estándar, un martillo con una masa de 4.5 kg que cae desde una altura de 45.7 cm. El número de golpes es un parámetro crítico que simula la energía de compactación en obra y depende del nivel de tránsito del proyecto. Para carreteras de tránsito pesado, la normativa de la SCT especifica 75 golpes por cada cara de la pastilla. Tras compactar una cara, el molde se invierte y se aplica el mismo número de golpes en la cara opuesta.

5. Medición de Densidad y Vacíos

Una vez que las pastillas se han enfriado a temperatura ambiente, se extraen cuidadosamente del molde. El siguiente paso es determinar sus propiedades volumétricas. Se mide su densidad aparente (o peso volumétrico) pesando la pastilla en el aire y luego sumergida en agua, utilizando una balanza hidrostática. Con este dato y la densidad teórica máxima de la mezcla (obtenida de una muestra suelta mediante el método Rice), se calculan los parámetros volumétricos clave: el porcentaje de vacíos con aire (VA), los vacíos en el agregado mineral (VAM) y los vacíos llenos de asfalto (VFA).

6. Ensayo de Estabilidad y Flujo Marshall

Esta es la fase culminante de la prueba. Las pastillas se sumergen en un baño de agua a una temperatura constante de 60∘C durante 30 a 40 minutos. Esta temperatura simula las condiciones más desfavorables que puede enfrentar un pavimento en un día caluroso de verano en México. Inmediatamente después de retirarla del agua, la pastilla se coloca en la prensa Marshall, entre dos mordazas semicirculares. Se aplica una carga a una velocidad constante de 50.8 mm por minuto hasta que la probeta falla. La carga máxima alcanzada es el valor de Estabilidad Marshall, y la deformación vertical en ese punto es el Flujo Marshall.

Listado de Materiales y Equipo de Laboratorio

La correcta ejecución del ensayo Marshall depende de equipos calibrados y materiales que cumplan con las especificaciones de la SCT. La siguiente tabla detalla los componentes esenciales.

Parámetros Clave del Ensayo Marshall

El resultado del ensayo no es simplemente un "pasa" o "no pasa". Es un conjunto de datos que, interpretados correctamente, predicen el comportamiento futuro del pavimento.

Análisis de Precio Unitario (APU) - 1 Ensayo Marshall

Es importante entender que el costo de un "Estudio de Diseño Marshall" no corresponde a una sola prueba, sino a un proceso completo de ingeniería que incluye la caracterización de los materiales, la fabricación y ensayo de múltiples series de probetas (generalmente entre 15 y 18) y la elaboración de un informe técnico final. El costo es una inversión fundamental para mitigar el riesgo de una falla prematura del pavimento, cuyo costo de reparación sería exponencialmente mayor.

A continuación, se presenta una estimación o proyección para 2025 de un Análisis de Precio Unitario (APU) para un estudio completo. Aviso importante: estos costos son aproximados y están sujetos a inflación, tipo de cambio, la ubicación del laboratorio y la complejidad del proyecto.

Normativa, Permisos y Seguridad: Construye con Confianza

Aquí abordamos los aspectos legales y de seguridad indispensables que debes conocer antes y durante la ejecución de tu proyecto para cumplir con la reglamentación y proteger a tu equipo.

Normas Oficiales Mexicanas (NOM) Aplicables

El pilar de la regulación para el ensayo Marshall en México es la normativa de la SCT (Secretaría de Comunicaciones y Transportes). El documento rector es el manual N-CMT-4-05-003/16 (Calidad de Mezclas Asfálticas para Carreteras). Esta norma establece las características de calidad que debe cumplir una mezcla asfáltica, incluyendo los valores mínimos de estabilidad, los rangos aceptables para el flujo y los porcentajes de vacíos, dependiendo del nivel de tránsito esperado. El procedimiento detallado para llevar a cabo la prueba se encuentra en el manual M·MMP·4·05·034/23 (Método Marshall para Mezclas Asfálticas de Granulometría Densa).

¿Necesito un Permiso de Construcción?

El ensayo Marshall en sí mismo no requiere un permiso. Sin embargo, es una prueba de control de calidad obligatoria para obtener la aprobación de un diseño de mezcla asfáltica en cualquier proyecto de pavimentación federal o estatal. El informe con los resultados satisfactorios del ensayo es un requisito indispensable que forma parte de la documentación técnica necesaria para que la autoridad competente otorgue el permiso de construcción para la obra vial. En resumen, sin un diseño Marshall aprobado, no se puede construir legalmente una carretera pública en México.

Seguridad en el Sitio de Trabajo (Equipo de Protección Personal - EPP)

El laboratorio de asfaltos presenta riesgos significativos, principalmente quemaduras graves debido a las altas temperaturas del asfalto (superiores a 150°C) y del equipo. El uso de Equipo de Protección Personal (EPP) es estrictamente obligatorio para el laboratorista. El EPP indispensable incluye:

• Guantes de carnaza o Kevlar resistentes al calor: Para manipular los moldes, las herramientas y la mezcla caliente.

• Gafas de seguridad o careta facial: Para proteger los ojos y el rostro de posibles salpicaduras de asfalto.

• Bata de algodón de manga larga: Es crucial que sea de algodón, ya que las fibras sintéticas pueden derretirse y adherirse a la piel en caso de contacto con material caliente.

• Botas de seguridad con casquillo: Para proteger los pies de caídas de equipo pesado y de derrames.

Costos Promedio para diferentes regiones de México (Norte, occidente, centro, sur).

El precio de la prueba Marshall (entendido como un estudio de diseño completo) varía dentro de México. Estas diferencias se deben principalmente a costos logísticos, como la distancia a las refinerías de PEMEX que producen el cemento asfáltico, la disponibilidad de agregados pétreos de calidad y los costos operativos de los laboratorios en cada zona.

La siguiente tabla presenta una estimación de costos promedio para 2025 de un estudio de diseño Marshall en las principales regiones del país. Es fundamental reiterar que estos son valores aproximados y se recomienda solicitar cotizaciones a laboratorios acreditados en la región del proyecto.

Usos Comunes en la Construcción

El ensayo Marshall es una herramienta versátil con aplicaciones cruciales en diversas etapas de un proyecto de pavimentación.

Diseño de Carpetas Asfálticas para Carreteras y Autopistas

Esta es su aplicación principal. Para cualquier proyecto de construcción de una carretera o autopista nueva, el ensayo Marshall es el método utilizado para desarrollar la "receta" de la mezcla asfáltica que se utilizará en la capa de rodadura. El diseño busca optimizar la mezcla para soportar las cargas de tráfico pesado y las condiciones climáticas específicas del sitio durante toda su vida útil.

Control de Calidad de la Mezcla en Planta de Asfalto

Durante la fase de producción en masa de la mezcla, el trabajo del laboratorio no termina. Se toman muestras de manera periódica directamente de la planta de asfalto o del camión antes de que parta hacia la obra. Con estas muestras, se fabrican nuevas pastillas Marshall para verificar que la mezcla que se está produciendo mantiene las mismas propiedades (estabilidad, flujo, vacíos) que las del diseño original aprobado. Esto asegura la consistencia y calidad de todo el material colocado.

Diseño de Mezclas para Calles Urbanas y Estacionamientos

Aunque las velocidades son menores, las calles urbanas y los estacionamientos de centros comerciales están sujetos a cargas pesadas y de movimiento lento (autobuses, camiones de basura, vehículos de reparto) que pueden ser muy dañinas para el pavimento. El ensayo Marshall se utiliza para diseñar mezclas que resistan estas condiciones específicas, evitando deformaciones y ahuellamientos prematuros.

Verificación de la Calidad en Obras de Bacheo

Para programas de mantenimiento vial y bacheo a gran escala, no basta con rellenar los baches con cualquier mezcla. Para asegurar que las reparaciones sean duraderas, la mezcla asfáltica utilizada debe cumplir con ciertos estándares de calidad. El ensayo Marshall se puede emplear para diseñar estas mezclas de bacheo o para verificar la calidad del material suministrado por un proveedor, garantizando que el parche se integre correctamente al pavimento existente y tenga una vida útil adecuada.

Errores Frecuentes y Cómo Evitarlos

La precisión del ensayo Marshall depende de un seguimiento riguroso del procedimiento. Pequeñas desviaciones pueden invalidar los resultados y conducir a decisiones de diseño incorrectas.

Checklist de Control de Calidad

Un supervisor de laboratorio debe verificar los siguientes puntos clave para garantizar la validez del ensayo.

• Fase de Preparación:

  • Verificar que los agregados estén completamente secos y separados en las fracciones granulométricas correctas.

  • Confirmar que la combinación de agregados cumple con la curva de diseño especificada en el proyecto.

  • Asegurar que el cemento asfáltico se caliente a la temperatura exacta que corresponde a la viscosidad de mezclado.

  • Comprobar que todos los moldes, el pisón y las herramientas de mezclado estén limpios y precalentados para evitar la pérdida de temperatura de la mezcla.

• Durante la Fabricación:

  • Monitorear constantemente la temperatura de la mezcla para que se mantenga dentro del rango especificado durante todo el proceso.

  • Verificar que el número de golpes de compactación aplicado a cada cara de la pastilla sea exactamente el requerido por la norma (ej. 75).

  • Asegurar que la pastilla se enfríe adecuadamente a temperatura ambiente antes de su extracción del molde para prevenir deformaciones.

• Inspección Final:

  • Medir la altura de cada pastilla compactada para asegurar que esté dentro de la tolerancia normativa (63.5±3.2 mm).

  • Realizar una doble verificación de todos los cálculos de densidad y porcentajes de vacíos (VA, VAM, VFA).

  • Confirmar que el tiempo y la temperatura del acondicionamiento en el baño de agua (60∘C por 30-40 min) fueron los correctos antes del ensayo de compresión.

  • Analizar la consistencia de los resultados de estabilidad y flujo entre las tres probetas de cada serie y compararlos con los requisitos de la normativa SCT.

Mantenimiento y Vida Útil: Protege tu Inversión

Esta sección se enfoca en el equipo de laboratorio y en la validez del diseño de mezcla obtenido.

Plan de Mantenimiento Preventivo

La confiabilidad de los resultados del ensayo Marshall depende directamente de la precisión del equipo utilizado. Un plan de mantenimiento preventivo es esencial.

• Calibración Periódica: La prensa Marshall, incluyendo su celda de carga y su medidor de flujo, debe ser calibrada al menos una vez al año por un laboratorio de metrología acreditado. Esto garantiza que las lecturas de fuerza y deformación sean exactas. Los anillos de carga utilizados para la verificación también deben tener un certificado de calibración vigente.

• Verificación de Temperatura: Los termómetros, pirómetros, hornos y baños de agua deben ser verificados regularmente contra un termómetro patrón certificado para asegurar que operan dentro de las tolerancias de temperatura exigidas por la norma.

• Limpieza y Mantenimiento General: Los moldes, el pisón y las herramientas de mezclado deben limpiarse a fondo después de cada uso para evitar la contaminación cruzada y la acumulación de asfalto endurecido, lo que podría afectar las dimensiones de las probetas.

Durabilidad y Vida Útil Esperada en México

En este contexto, la "vida útil" no se refiere al equipo, sino a la validez del diseño de mezcla Marshall. Un diseño de mezcla no es un documento universal ni perpetuo. Su validez está estrictamente ligada a los materiales específicos con los que se desarrolló.

Un diseño Marshall debe ser revalidado o, más comúnmente, se debe realizar un nuevo diseño completo, si ocurre cualquiera de las siguientes situaciones:

• Cambio en la fuente de los agregados: Si se cambia de banco de materiales o incluso si se explota una veta diferente dentro del mismo banco.

• Variación significativa en los materiales: Si las pruebas de control de calidad de los agregados (granulometría, desgaste, etc.) muestran una desviación importante respecto a los materiales originales.

• Cambio en el cemento asfáltico: Si se cambia de proveedor, tipo o grado de asfalto.

Ignorar este principio es una causa común de fallas prematuras en pavimentos, ya que la obra se construye con una "receta" que no corresponde a los "ingredientes" reales.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Qué es el ensayo Marshall y para qué sirve?

El ensayo Marshall es un procedimiento de laboratorio estandarizado en México por la SCT que se utiliza para diseñar mezclas de concreto asfáltico. Su propósito es determinar el contenido óptimo de cemento asfáltico que proporcione la mejor combinación de resistencia a la deformación (estabilidad) y flexibilidad (flujo), garantizando así un pavimento duradero.

¿Cuánto cuesta un estudio de diseño Marshall en un laboratorio?

Como una estimación para 2025 en México, un estudio de diseño Marshall completo, que incluye la elaboración de varias series de probetas y el informe final, puede costar entre $9,500 y $14,000 MXN. El precio varía según la región del país, la complejidad del diseño y el laboratorio que realiza la prueba.

¿Qué es una "pastilla Marshall"?

Una "pastilla Marshall" es el nombre coloquial que se le da a la probeta o espécimen de prueba. Es un cilindro de mezcla asfáltica compactada, con dimensiones estándar de 101.6 mm (4 pulgadas) de diámetro y aproximadamente 63.5 mm (2.5 pulgadas) de altura, que se fabrica en el laboratorio para simular una porción del pavimento y medir sus propiedades físicas y mecánicas.

¿Qué es la "estabilidad" y el "flujo" en el ensayo Marshall?

La estabilidad es la carga máxima, medida en kilogramos, que la pastilla puede soportar a 60°C antes de romperse. Representa la resistencia de la mezcla a deformarse bajo el peso del tráfico. El flujo es la deformación que sufre la pastilla, medida en unidades de 0.25 mm, en el momento en que alcanza su estabilidad máxima. Representa la flexibilidad o plasticidad de la mezcla.

¿Cuál es la diferencia entre el método Marshall y el Superpave?

El método Marshall es un método empírico, más antiguo y sencillo, que se basa en la medición de la estabilidad y el flujo. El método Superpave es más moderno y se basa en el desempeño, considerando el clima y el tráfico específico del proyecto. Superpave utiliza equipos más sofisticados, como el compactador giratorio, para simular mejor las condiciones reales del pavimento.

¿Qué normativa SCT rige la prueba Marshall en México?

Las dos normativas principales de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) son: la norma N-CMT-4-05-003/16, que establece los requisitos de calidad que debe cumplir la mezcla (valores mínimos de estabilidad, rangos de flujo, etc.), y el manual M·MMP·4·05·034/23, que describe el procedimiento detallado para ejecutar el ensayo en el laboratorio.

¿Por qué es tan importante el porcentaje de vacíos en el asfalto?

El porcentaje de vacíos con aire (idealmente entre 3% y 5%) es crucial para la durabilidad del pavimento. Si hay muy pocos vacíos, el asfalto puede "sudar" o exudar en climas cálidos, haciendo la superficie resbaladiza. Si hay demasiados vacíos, el agua y el aire pueden penetrar fácilmente en la mezcla, lo que acelera la oxidación del asfalto y causa un deterioro prematuro de la carpeta.

Videos Relacionados y Útiles

Para complementar la información de esta guía, se recomienda visualizar los siguientes videos que muestran el procedimiento de laboratorio en acción.

MÉTODO MARSHALL

Explicación detallada del procedimiento Marshall, equipo necesario, fabricación de pastillas y la interpretación de resultados según la normativa SCT.

Ensayo Marshall para mezclas asfálticas

Video académico que explica las curvas Marshall (densidad, estabilidad, vacíos vs. contenido de asfalto) y cómo se determina el contenido óptimo de ligante.

Ensayo de Estabilidad y Flujo - Método Marshall

Demostración práctica del procedimiento de laboratorio, mostrando la compactación de la muestra, el baño de agua y el uso de la prensa Marshall para obtener los valores de estabilidad y flujo.

Conclusión

El ensayo Marshall, a pesar de sus orígenes en la mitad del siglo XX, sigue siendo la columna vertebral para el diseño y control de calidad de los pavimentos flexibles en México. Como hemos detallado en esta guía, su correcta ejecución e interpretación son fundamentales para el éxito de cualquier proyecto vial. Desde la cuidadosa selección y preparación de los materiales hasta la precisa medición de la estabilidad y el flujo, cada paso, regido por la normativa SCT, contribuye a un objetivo final: construir carreteras seguras y duraderas. Comprender que el costo de un ensayo Marshall es una inversión mínima en comparación con el costo de una falla prematura es clave para la buena práctica de la ingeniería. En definitiva, este procedimiento de laboratorio es una herramienta indispensable que asegura que la infraestructura vial del país se construya sobre una base de calidad, resistencia y confiabilidad.

Glosario de Términos

• Ensayo Marshall: Método de prueba estandarizado para determinar las propiedades óptimas de una mezcla asfáltica, encontrando el contenido ideal de asfalto.

• Mezcla Asfáltica: Combinación de agregados pétreos (grava y arena) y un ligante de cemento asfáltico, que forma la capa de rodadura de los pavimentos flexibles.

• Estabilidad Marshall: La carga máxima (en kg) que una pastilla de asfalto puede soportar a 60°C antes de fallar. Mide la resistencia a la deformación.

• Flujo Marshall: La deformación (en unidades de 0.25 mm) que experimenta la pastilla en el punto de máxima carga. Mide la flexibilidad de la mezcla.

• SCT: Secretaría de Comunicaciones y Transportes, la entidad gubernamental en México que regula y estandariza los materiales y procedimientos para la infraestructura de transporte.

• Laboratorista: Técnico especialista encargado de realizar los ensayos de materiales en un laboratorio de construcción, siguiendo normativas específicas.

• Pavimento Flexible: Estructura de pavimento compuesta por varias capas (subbase, base y carpeta asfáltica) que se deforman elásticamente bajo las cargas del tráfico.