DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA TIPO MDC-2 CON ASFALTO 60/70 DE BARRANCABERMEJA I-LC-10-002 LABORATORIO DE CONTROL CALIDA C ALIDAD D
2010
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TABLA DE CONTENIDO PÁG.
1. 2. 3. 4.
RESUMEN EJECUTIVO GENERALIDADES PROCEDIMIENTOS 6 CARACTERIZACION DE AGREGADOS PETREOS Y LLENANTE MINERAL 5. CARACTERIZACION DEL LIGANTE BITUMINOSO 6. DISEÑO DE LA MEZCLA ASFALTICA ANEXOS ANEXO A. ANEXO B. ANEXO C. ANEXO D.
3 4 12 21 22
ENSAYOS SOBRE AGREGADOS PETREOS FICHA TECNICA DEL ASFALTO HOJA DE DATOS MARSHALL SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD (TRACCION INDIRECTA)
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1. RESUMEN EJECUTIVO
Se presenta el el diseño de mezcla mezcla asfáltica en caliente tipo denso denso MDC-2 de acuerdo acuerdo a los requerimientos del Articulo 450-07 del Instituto Nacional de Vías INVIAS, elaborada con materiales pétreos de la Planta de Conasfaltos en Bello - Antioquia, obtenidos de la explotación minera de los depósitos aluviales del Río Medellín, como ligante asfaltico se ha usado asfalto convencional de penetración 60/70 conforme a los requerimientos del Articulo 400-07 del Instituto Nacional de Vías, y la incorporación de cal hidratada como llenante mineral de aporte. El diseño ha sido elaborado cumpliendo con la metodología de diseño del Instituto del Asfalto de acuerdo a su su manual MS-2 y la norma INV E-799-07 E-799-07 “Análisis Volumétrico Volumétrico de mezclas asfálticas compactadas en caliente”, los cálculos relevantes del diseño han sido realizados mediante la aplicación del software SW-2 del Instituto del Asfalto. El acomodamiento de los materiales pétreos en la gradación de diseño dis eño ha sido verificado mediante los parámetros del Método Bailey. En este diseño se han incorporado incorporado los siguientes materiales pétreos: pétreos: Triturado de ¾” Triturado de ⅜” Arena triturada de ⅜” Arena Gruesa triturada lavada Arena menor de 2.5 mm. En cuanto al contenido de asfalto de la mezcla, el intervalo en el cual se cumplen los criterios del numeral 450.4.2.2 se encuentra definido entre el 4.95% y 5,40% de asfalto, para un contenido óptimo de asfalto de 5,2%.Las características del diseño son: % de Asfalto: % de Llenante: Estabilidad: Flujo: Relación estabilidad/Flujo estabilidad/Flujo Peso unitario de la mezcla: Peso específico teórico mezcla: Vacíos totales con aire: Vacíos en agregado mineral: Vacíos llenos con asfalto: Porcentaje de asfalto absorbido: Relación Llenante/Ligante Llenante/Ligante Vacios en el llenante compactado en seco: Peso unitario del llenante en tolueno: Concentración critica del llenante mineral: Índice de película de asfalto: Relación de esfuerzos de tracción húmedo/seco (%TSR): (%TSR):
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5,2% 5,2% 1620 Kg-f. 3.22 mm. 503 Kg-f/mm 2440 Kg/m 3 2,563 4,5 % 15.7% 71.2% 0,60% 1,15 43.43% 0,77 g/cm³ 0,31 g/cm³ 8.2 µm 82%
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2. GENERALIDADES Descripción de muestras: A continuación se relacionan la descripción de las muestras utilizadas para el diseño Marshall de la mezcla MDC-2 elaborada con asfalto de penetración 60/70 y materiales pétreos de CONASFALTOS S.A. Tabla 1 Descripción de las muestras
Clase Agregado Grueso Agregado Grueso Agregado Fino Agregado Fino Agregado Fino Ligante Aditivo
Referencia CA-2 CA-3 FA-1 FA-2 FA-3 LI AD
Descripción Triturado de ¾” (3208-3) Triturado de ⅜” (3208-3) Arena triturada < ⅜” (3203) Arena triturada lavada < ⅜” Arena lavada < 2.5 mm Asfalto 60/70 de Barranca Adhere-HP Plus
Cantidad 50 Kg. 50 Kg. 50 Kg. 50 Kg. 50 Kg. 4 Galones ¼ de Galón
Fecha de realización de ensayos: En las tablas 2, 3 y 4, se presentan las fechas de realización de los ensayos requeridos para el diseño: Tabla 2. Ensayos sobre agregados pétreos
Ensayo Análisis Granulométrico Limite liquido e Índice de Plasticidad Peso especifico del agregado grueso Peso especifico del agregado fino Peso unitario de agregados sueltos y compactos Equivalente de Arena Limpieza superficial del agregado grueso Solidez en sulfato de sodio Desgaste en maquina de los Ángeles Resistencia al desgaste en el Micro-Deval Resistencia por el método de 10% de Finos Partículas alargadas y aplanadas Porcentaje de caras fracturadas Angularidad del agregado fino Coeficiente de pulimento acelerado Peso especifico del llenante mineral Concentración critica del llenante mineral Peso unitario del llenante mineral en tolueno Vacios del llenante compactado en seco
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Fecha (Año/mes/día) 2010/02/17 2010/02/17 2010/01/20 2010/01/21 2010/02/02 2010/02/06 2010/01/05 2009/08/22 2010/01/13 2010/01/20 U. Javeriana 2010/02/12 2010/01/06 2010/02/12 2010/02/12 2009/01/16 2010/02/12 2010/02/12 2010/02/12 2010/02/22 EVALTEC
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Tabla 3 Ensayos sobre el ligante asfaltico
Ensayo Penetración a 25ºC Punto de Ablandamiento ndice de penetración Viscosidad a 60ºC Solubilidad en tricloroetileno Contenido de agua Ductilidad Punto de Chispa Pérdida de masa por envejecimiento en película delgada Penetración retenida Incremento en el punto de ablandamiento Peso especifico del asfalto Curva Reológica
Fecha (Año/mes/día) 2010/01/26 Laboratorio externo CORASFALTOS
Tabla 4 Ensayos sobre la mezcla asfáltica
Ensayo Elaboración de especímenes Marshall Peso unitario de la mezcla asfáltica Peso especifico teórico máximo de mezclas asfálticas Porcentaje de vacios con aire de mezclas compactadas Estabilidad y Flujo Marshall Análisis Volumétrico de mezclas asfálticas Susceptibilidad a la humedad por tracción Indirecta Deformación Plástica en Pista Módulo Dinámico Ley de Fatiga
Fecha (Año/mes/día) 2010/02/11 a 20
Pendiente 2010/01/29 Pendiente
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3. PROCEDIMIENTOS
3.1
Granulometría del agregado mineral Norma: INV E – 213 Mediante este ensayo se determina la distribución de los tamaños de las partículas de una cantidad de muestra seca del árido, por separación a través de una serie de tamices dispuestos sucesivamente de mayor a menor abertura de malla. 3.2 Limite líquido e Índice de Plasticidad Norma: INV E – 125 y 126 Mediante estos ensayos se determinan las condiciones de consistencia del suelo con cambios de humedad, el límite líquido se determina como la humedad para la cual las dos mitades de una pasta de suelo depositado en la cazuela de Casagrande se juntan en el fondo de la ranura hasta 13 mm de longitud por la acción de 25 golpes, el limite plástico es el contenido mínimo de humedad en el cual se pueden hacer rollos de 3 mm de diámetro sin que estos se desmoronen, la diferencia entre el limite liquido y el limite plástico es el índice de plasticidad. 3.3 Peso especifico de agregado grueso Norma: INV E-223 Con este ensayo se determina el peso especifico aparente y nominal del material grueso del tamaño igual o mayor al tamiz No. 4. Se define el peso específico aparente como la relación entre el peso al aire del sólido y el peso de agua correspondiente a su volumen aparente, y el peso especifico nominal a la relación entre el peso al aire del sólido y el peso de agua correspondiente a su volumen nominal. 3.4 Peso especifico de agregado fino Norma: INV E-222 Con este ensayo se determina el peso específico aparente y real de los agregados con tamaño inferior al tamiz No. 4 y el retenido tamiz No. 200. Se define el peso específico aparente como la relación entre el peso al aire del sólido y el peso de agua correspondiente a su volumen aparente, y el peso especifico nominal a la relación entre el peso al aire del sólido y el peso de agua correspondiente a su volumen nominal. 3.5 Peso unitario y % de vacios de agregados compactados y sueltos Norma: INV E-217 Por medio de este método se determinan los pesos unitarios sueltos y compactos de los agregados con el fin de determinar las proporciones para mezclas de concreto asfaltico por medio del método Bailey, El peso unitario compacto se determina tas acomodar los agregados en tres capas apisonadas con 25 golpes de una varilla en recipiente de volumen conocido, el peso unitario compacto consiste en el acomodamiento de material en el mismo volumen por un llenado mediante paladas. 3.6 Equivalente de Arena Norma: INV E-133 Este ensayo busca determinar la proporción de polvo nocivo, o material arcilloso presente en los agregados finos, separando estos materiales por medio de un agente
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floculante que genera que las arenas pierdan la cobertura arcillosa, posteriormente por sedimentación se determinan las alturas de arena y arcilla presentes en la muestra. 3.7 Determinación de la limpieza superficial del agregado grueso Norma: INV E-237 Mediante este ensayo se determina la cantidad de impurezas representadas como polvo fino menor que 0.5 mm que recubre los agregados gruesos y puede llegar a generar problemas de adherencia con el ligante asfaltico, se obtiene mediante la separación entre dos muestras análogas de agregados retenidos en el tamiz Nº, una de las muestras es lavada sobre el tamiz Nº35 y se determina la proporción de polvo adherido en relación con el peso seco de la otra muestra. 3.8 Sanidad de los agregados pétreos frente a la acción de una solución de sulfato de sodio Norma: INV E-220 Este ensayo busca evaluar la durabilidad del agregado pétreo en términos de su resistencia a la alteración ante agentes químicos, la solución de sulfato de sodio entra por los poros del agregado y ante 5 ciclos consecutivos de humedecimiento y secado forma cristales que generan el rompimiento de las partículas de agregado que sean más sensibles a la solución. 3.9 Resistencia al desgaste en maquina de los Ángeles Norma: INV E-218 Por medio de este método se determina la resistencia al desgaste de los agregados gruesos tras ser sometidos a la acción de cargas abrasivas y 500 revoluciones en la máquina de los Ángeles. 3.10 Resistencia al desgaste por medio del Micro-Deval (Ensayo Externo) Norma: INV E-238 Por medio de este método se determina la resistencia al desgaste de los agregados gruesos tras ser sometidos a la acción de cargas abrasivas, agua y rotación a 100 rpm durante 2 horas en el equipo Micro-Deval 3.11 Resistencia por el método de 10% de finos Norma: INV E-224 Con este método se determina la resistencia a la compresión de los agregados gruesos, determinando la carga máxima en kN para una penetración de 20 mm y que produzca un 10% de material más fino que 2.36 mm (tamiz Nº8). 3.12 Partículas alargadas y aplanadas Norma: INV E- 240 Mediante el uso del calibrador proporcional se determina el % de partículas alargadas y/o aplanadas en los agregados gruesos. 3.13 Porcentaje de caras fracturadas en los agregados Norma: INV E-226 Este ensayo determina el grado de fracturación de los agregados gruesos, analizando las partículas con una y con dos ó más caras fracturadas.
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3.14 Angularidad del agregado fino Norma: INV-E-239 Mediante este ensayo se calcula el porcentaje de vacios del agregado más fino que 2.36 mm 3.15 Coeficiente de pulimento acelerado (Ensayo Externo) Norma: INV-E-232 Esta norma describe el procedimiento de laboratorio para determinar la susceptibilidad al pulimento de los agregados, mediante la máquina de pulimento acelerado, valorando esta susceptibilidad por medio del Coeficiente de Pulimento Acelerado (CPA), determinado con ayuda del péndulo de fricción.
3.16 Peso especifico del llenante mineral
Norma: INV E-128 Con este ensayo se determina el peso específico del llenante mineral (Filler) por medio de un picnómetro. Es la relación entre el peso en el aire de un cierto volumen de sólidos a un temperatura dada y el peso en el aire del mismo volumen de agua a la misma temperatura. 3.17 Concentración Crítica del Llenante Mineral Norma: INV E-745
Con este procedimiento se determina la concentración crítica de material pasa Nº200 (llenante mineral) en una mezcla de llenante – asfalto, el valor hallado debe ser mayor que la concentración en volumen del llenante en una determinada mezcla asfáltica, por lo tanto, se debe comparar el valor obtenido con lo hallado en el diseño Marshall. El propósito de este ensayo es evitar problemas de rigidez en el pavimento que conlleven a una eventual fisuración de la mezcla al paso de las cargas. 3.18 Peso unitario aparente de llenante en tolueno Norma: INV E- 225 Por medio de esta norma se determina el peso unitario aparente de un material llenante por sedimentación empleando como medio líquido el Tolueno. Este parámetro es una medida relativa del grado de finura del llenante ensayado. 3.19 Penetración de ligantes asfalticos (Ensayo Externo) Norma: INV E-706 Este ensayo permite evaluar el grado de penetración de un cemento asfaltico, evaluando cuanto penetra una aguja de referencia en un tiempo de 5 segundos y con 100 g de carga, realizado el ensayo a 25ºC 3.20
Punto de Ablandamiento del asfalto (Ensayo Externo)
Norma: INV E-712
Este ensayo determina la temperatura máxima a la cual un asfalto empieza a fluir ante pequeñas cargas.
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3.21 Índice de penetración de cementos asfaltos
Norma: INV E-724 Mediante este ensayo se calcula un parámetro que da indicio de la susceptibilidad térmica del cemento asfaltico. 3.22 Método para determinar la viscosidad de asfaltos empleando viscosímetro rotacional (Ensayo Externo) Norma: INV-E-717 Por medio del viscosímetro rotacional se determina la viscosidad de los asfaltos a alta temperatura, la viscosidad está dada por la resistencia al movimiento impuesta a una aguja seleccionada inmersa en el asfalto y que rota a una velocidad definida (rpm) para un torque cercano al 98%. 3.23
Solubilidad en Tricloroetileno (Ensayo Externo)
Norma: INV-E-713
Este ensayo busca determinar las impurezas presentes en el asfalto, definidas estas como las partículas insolubles en Tricloroetileno. 3.24 Agua en materiales asfalticos por destilación (Ensayo Externo) Norma: INV E-704 Mediante la destilación de una muestra de asfalto, se determina el contenido de agua presente en el ligante, este valor es útil para la producción de asfalto en las torres de destilación. 3.25 Ductilidad de materiales asfalticos (Ensayo externo) Norma INV E-702 Por medio de este ensayo se determina una medida de trabajabilidad del asfalto, sometiendo a elongación en un baño de agua a temperatura controlada de 25C en el ductilimetro a una tasa de deformación de 5 mm/min. 3.26 Punto de Ignición y llama en la copa abierta de Cleveland Norma: INV E-709 Mediante esta norma se determina la temperatura a la cual un asfalto entra en llama, por lo cual es útil para el manejo seguro del asfalto en planta. 3.27 Envejecimiento del asfalto en película delgada en movimiento Norma: INV E-720 Mediante este ensayo se simula en el horno RTFOT el envejecimiento que puede alcanzar un asfalto en el proceso de producción de la mezcla asfáltica en caliente. 3.28 Peso especifico del asfalto Norma: INV E-707 Con este ensayo se determina la gravedad específica del asfalto mediante el método del picnómetro, con el fin de realizar los cálculos respectivos del diseño Marshall
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3.29 Resistencia de mezclas Bituminosas empleando el aparato Marshall Norma: INV E-748 Con este ensayo se puede determinar la resistencia a la deformación plástica de una briqueta de mezcla bituminosa para pavimentación. El procedimiento puede emplearse tanto para proyecto de diseño de mezclas en el laboratorio como para el control en obra de las mismas. El tipo de material a ensayar son briquetas cilíndricas de 4” de diámetro por 2 ½” de altura, rompiéndolas posteriormente en la prensa Marshall y determinando su estabilidad y deformación. 3.30 Peso unitario de mezclas asfálticas compactadas Norma: INV E-733 Con este procedimiento se determina el peso específico aparente y el peso unitario de mezclas asfálticas compactadas de Granulometría densa. El resultado de este ensayo sirve para determinar las características y el porcentaje de vacíos presentes en la mezcla. 3.31 Peso especifico teórico máximo de mezclas asfálticas (GMM) Norma: INV E-735 Con este procedimiento se determina el peso específico teórico máximo de mezclas asfálticas sin compactar. Se define como la relación del peso de un volumen dado de material con respecto a un volumen igual de agua a la misma temperatura. El resultado de este ensayo sirve para determinar las características y el porcentaje de vacíos presentes en la mezcla. 3.32 Porcentaje de vacios de aire en mezclas asfálticas compactadas Norma: INV E-736 Mediante este cálculo se determina el % porcentaje de compactación de las mezclas asfálticas, como la relación entre el peso específico del espécimen (E-733) y el peso específico teórico máximo (E-735) 3.33 Análisis Volumétrico de mezclas asfálticas compactadas en caliente Norma: INV E-799 Mediante este procedimiento se determina las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica compactada, con el fin de realizar los cálculos pertinentes al diseño Marshall de la mezcla. 3.34 Susceptibilidad a la humedad de mezclas asfálticas mediante la prueba de tracción Indirecta Norma: INV E-725 Con este procedimiento se determina la relación de esfuerzos de tracción entre dos subgrupos (húmedo y seco) de concreto asfáltico. Se preparan de 6 a 10 briquetas compactadas a un volumen de vacios con aire entre el 6% y el 8%, el subgrupo húmedo se satura entre el 55% y 80% y se somete a inmersión en agua a 60ºC durante 24 horas, transcurrido el tiempo estas briquetas se secan al aire durante dos horas y se fallan junto al subgrupo seco a compresión diametral con el marco de carga Lottman a una velocidad de aplicación de carga de 50.8 mm/min, determinando la carga máxima de rotura para cada subgrupo y el esfuerzo de tracción promedio de cada subgrupo, la relación de esfuerzos de tracción debe ser superior al 80%.
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3.35 Deformación plástica en pista Norma: INV E-756 Mediante la máquina de ensayo en pista (Wheel Tracker) se determina la tasa de deformación de mezclas asfálticas compactadas, realizando el ensayo a 60ºC y 900 kPa, útil este valor para la determinación de susceptibilidad al ahuellamiento de las mezclas asfálticas.
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4. CARACTERIZACION DE MATERIALES PETREOS Y LLENANTE MINERAL
Los materiales pétreos para la elaboración de mezclas asfálticas, son explotados de los depósitos aluviales del Río Medellín y compuestas por depósitos consolidados de gravas y arenas pertenecientes a la formación Qan, estos depósitos son explotados bajo las licencias mineras RMC-073 y 074, L 14284 y RPP 050, ubicadas en el Km 12 de la Autopista Norte, entre los municipios de Bello y Copacabana.
Foto 1 Vista Panorámica de la Mina de CONASFALTOS S.A
4.1
Ensayos de Clasificación
Granulometría de los materiales pétreos y el llenante mineral
Con el fin de obtener la combinación optima en laboratorio de los materiales pétreos producidos por CONASFALTOS S.A. y destinados para la fabricación de mezclas densas en caliente, se realizó la granulometría individual a cada uno de los materiales componentes de la mezcla asfáltica, en la tabla 5 y el ANEXO A se muestran los resultados de dicha caracterización.
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Tabla 5 Porcentajes de pasa de los materiales pétreos y llenante mineral
Tamiz E-11
¾” ½” ⅜” Nº4 Nº10 Nº40 Nº80 Nº200
Abertura (mm)
19.5 12.7 9.5 4.75 2.00 0.42 0.18 0.075
Nombre y Tipo de Agregado (% de Pasa)
¾”
⅜”
A < ⅜”
A < ⅜” lavada
A < 2.5 mm
CA-2
CA-3
FA-1
FA-2
FA-3
100 48.5 12.4 0.8 0.5 0.4 0.3 0.3
100 100.0 95.2 13.8 1.4 0.7 0.5 0.4
100 100.0 100.0 72.9 36.1 17.4 11.7 8.7
100.0 100.0 100.0 71.0 42.9 19.3 7.1 3.0
100.0 100.0 100.0 100.0 98.6 81.2 38.0 8.2
Limite liquido e Índice de Plasticidad
El material pasante el tamiz Nº 40 no presenta plasticidad N.P.
4.2
Ensayos que definen las propiedades gravimétricas de los agregados
Pesos específicos de los agregados grueso y fino A continuación se presentan los resultados de los ensayos de los pesos específicos de la combinación de la mezcla de diseño realizados a gruesos y arenas. Tabla 6 Resultados de Gravedades especificas en agregados gruesos y finos
Nombre y Tipo de Agregado Parámetro
Gsb (neto) Gs s.s.s (aparente) Gsa (nominal) % Absorción
Gruesos
Finos
Retenido en N°4 2.747 2.772 2.817 0.91
Pasa N°4 2.754 2.779 2.824 0.89
Peso unitario suelto y compacto de agregados grueso y fino
La tabla 7 muestra los resultados de los pesos unitarios de los materiales pétreos
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Tabla 7Pesos unitarios sueltos y compactos de los agregados pétreos
Nombre y Tipo de Agregado Parámetro
Peso unitario suelto Peso unitario compacto % de Vacios suelto % de Vacios compacto 4.3
¾”
⅜”
A < ⅜”
A < ⅜” lavada
A < 2.5 mm
CA-2 1496
CA-3 1487
FA-1 1676
FA-2 1579
FA-3 1491
1605
1569
1930
1772
1645
46.2
45.4
46.5
45.8
43.4
42.3
42.4
42.5
42.3
37.5
Ensayos que evalúan la limpieza de los agregados Equivalente de Arena
A continuación se presentan los datos correspondientes al ensayo de equivalente de arena realizado al material pétreo menor que el tamiz Nº 40 producto de la combinación de agregados. Tabla 8 Equivalente de arena
Probeta 1 2 3
Altura Arcilla Altura Arena 4.2 2.5 4.3 2.5 4.4 2.6 Promedio El equivalente de arena aproximado al 1% es: 59%
Equivalente de Arena 59.5 58.1 59.1 59
Contenido de impurezas
Los valores correspondientes al contenido de impurezas de los agregados gruesos destinados se encuentran consignados en la tabla 9. Tabla 9 Datos para la determinación de la limpieza superficial
Muestra sin lavar para humedad M1h (g) Muestra seca en el horno M1 s (g) ndice de Sequedad Muestra húmeda Mh (g) Muestra seca lavada Ms(g) Masa seca de la muestra ensayada m (g) Impurezas Ms- m (g) Coeficiente de limpieza Superficial %
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2070.2 2065.3 0.998 2063.5 2058.6 2052.1 6.5 0.31
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4.4
Ensayos que evalúan la resistencia de los agregados pétreos
Solidez en sulfato de sodio Los resultados de las pérdidas por el ensayo de solidez en sulfato de sodio para la combinación de agregados en el diseño son: 1.3% Pérdidas en el agregado fino: 1.0% Pérdidas en el agregado grueso Desgaste en maquina de los Ángeles
La tabla 10 muestra los datos correspondientes al ensayo de desgaste en maquina de los Ángeles Las condiciones del ensayo fueron las siguientes: Gradación B: 2500 ± 10 g de material pasa ¾” y se retiene en ½” 2500 ± 10 g de material pasa ½” y se retiene en 3/8” N° de esferas: 11 N° de vueltas: 500 Velocidad: 30 a 33 RPM Tabla 10 Resultado de desgaste
Peso inicial (g)
Peso de esferas (g)
Peso final (g)
% Desgaste
5005.7
4589.2
4251.3
15.1
Evaluación de la resistencia al desgaste del agregado grueso utilizando el equipo Micro-Deval (Ensayo Externo) La tabla 11 muestra los datos correspondientes al ensayo de desgaste en Micro Deval. En el ANEXO A se muestra los resultados del ensayo.
Las condiciones del ensayo fueron las siguientes: Gradación 1 N° de vueltas: 12000 ± 100 revoluciones Tiempo de rotación: 120 ± 1 min Tabla 11Resultado desgaste Micro - Deval
Condición
Peso inicial (g)
Peso final (g)
TMN 12.5 mm
1500.3
1355.3
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% Desgate Micro - Deval 9.7
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Evaluación de la resistencia mecánica del agregado grueso por el método de 10% de finos La tabla 12 muestra los resultados del ensayo de 10% de finos realizado al material en estado seco y después de 48 horas de Inmersión Tabla 12 Resistencia por el método de 10% de Finos
Condición
Seca
Peso Penetración Inicial ma (mm) (g) 15 mm
Peso final mr (g)
% de Pérdida %f1
Carga X1 (kN)
Carga C10, (kN)
2914.6
2586.2
382.6
11.27
350.8
2911.4
2584.5
380.2
11.23
349.5
2910.6
2588.1
377.6
11.08
350.6
Promedio Húmeda
15 mm
350.3
2925.3
2596.2
301.5
11.25
276.8
2920.4
2597.7
306.9
11.05
285.5
2922.1
2592.5
310.5
11.28
284.5
Promedio
282.3
La relación de resistencias húmedo/seco es de 81% Coeficiente de pulimento acelerado (Ensayo Externo) Este ensayo permite dar un valor que califica la resistencia del agregado a ser pulimentado por la acción de las cargas de transito, el valor del coeficiente de pulimento acelerado es de 0.45. 4.5 Ensayos que evalúan la forma de los agregados pétreos Porcentaje de caras fracturadas
Las tablas 13 y 14 muestran los datos obtenidos del ensayo de caras fracturadas al agregado pétreo. Tabla 13 Partículas con una ó más caras fracturadas
Tamiz
Peso inicial (g)
Peso 1 ó mas (g)
% Partículas
% Gradación. Original
Calculo E=CxD
¾ “ a ½” ½" a ⅜" SUMA
621.9 620.0
596.3 587.2
95.9 94.7
10.3 7.5 17.8
987.6 710.3 1697.6
Porcentaje de partículas con una o más caras fracturadas
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95.4
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Tabla 14 Partículas con dos ó más caras fracturadas
Tamiz
¾ “ a ½” ½" a ⅜" SUMA
Peso inicial Peso 2 ó mas (g) (g)
621.9 620.0
579.3 552.3
% Partículas
% Gradación. Original
Calculo E=CxD
93.2 89.1
10.3 7.5 17.8
959.4 668.1 1627.6
Porcentaje de partículas con dos o más caras fracturadas 91.4 Porcentaje de caras fracturadas: 95/91 (Una ó mas/Dos ó más caras fracturadas) Índices de alargamiento y Aplanamiento
Las tablas 15 y 16 muestran los datos obtenidos del ensayo de caras fracturadas al agregado pétreo. Tabla 15 Partículas aplanadas
Tamiz
Peso inicial (g)
Pasa el calibrador (g)
% Pasa el calibrador
% Gradación. Original
Calculo E=CxD
¾ “ a ½” ½" a ⅜" ⅜" a ¼” SUMA
454.3 699.1 191.4
67.3 14.3 6.9
14.8 2.0 3.6
10.3 7.5 7.9 25.7
152.44 15.0 28.44 195.88
Porcentaje de partículas aplanadas
7.6
Tabla 16 Partículas alargadas
Tamiz
¾ “ a ½” ½" a ⅜" ⅜" a ¼” SUMA
Peso inicial (g) 454.3 699.1 191.4
Retiene el calibrador (g)
% Partículas
% Gradación. Original
Calculo E=CxD
23.9 41.4 47.1
5.3 5.9 24.6
10.3 7.5 7.9 25.7
54.59 44.25 193.34 292.18
Porcentaje de partículas alargadas Relación de partículas: 8/12 (aplanadas/alargadas)
11.4
7 1 a n i g á P
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Angularidad del Agregado Fino
La tabla 17. Muestra la Angularidad del agregado fino calculada a partir del ensayo INV E-239 método A Tabla 17 Angularidad del agregado fino
Angularidad del agregado Fino (FAA Test)
Lectura 1
Lectura 2
Volumen del cilindro (ml) Peso de la muestra (g) Peso especifico del agregado fino Vacíos sin compactar en el agregado fino % Promedio de Vacios sin compactar
100.0 147.945 2.754 46.28
100.0 148.5 2.754 46.08
4.6
46.18
Ensayos que evalúan las características del llenante mineral de aporte Peso Unitario del llenante en tolueno
La tabla 18 muestra los datos correspondientes al peso unitario del llenante en tolueno, el valor se calcula con la expresión: P =
ρ B
V
Tabla 16 Peso unitario del llenante en tolueno
Lectura
Peso P (g)
Volumen V (ml)
PB (g/cm3)
1 2 3
10.00 10.00 10.00
13 13 13
0.77 0.77 0.77
PB Promedio (g/ml) 0.77
Concentración critica del llenante mineral
Se calcula la concentración crítica del llenante mediante la fórmula: C S
P =
V ⋅ Gsb
Debido a la naturaleza del llenante mineral de aporte el peso específico del material combinado se realizo por el método del frasco de Le Chatelier
8 1 a n i g á P
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Tabla 17 Peso especifico del llenante mineral
DETERMINACIÓN No. Temperatura de ensayo Peso del matraz + agua
(°C)
1 24.6
2 246
W2 (g)
278.9
280.7
Peso del matraz + muestra+ agua a
W1 (g)
324.5
329.2
Peso de la muestra seca
Wo, (g)
71.0
75.6
25.4
27.1
Gravedad especifica de la muestra Gs = Wo / (Wo+W2-W1)
2.795
2.790
Factor de corrección de acuerdo a temperatura K Gravedad especifica a 20°C Gs = Gs x K
0.99756 2.788
0.99756 2.783
Volumen de la muestra
Wo + W2 - W1
El valor promedio del peso específico del llenante es de 2.786
Tabla 18 Concentración critica del llenante
Lectura
Peso P (g)
Volumen V (ml)
1 2 3
9.0 9,0 9.5
11 11 11
Gsb
2.786
Promedio
CS
0.293 0.293 0.310 0.299
Este valor debe ser comparado con la concentración real en volumen calculada con la siguiente expresión: C V
F =
F
+
A
Tabla 21 Relación entre la concentración real en volumen y la concentración critica
% de Asfalto 4 4.5 5 5.5 6
G Bulk 2374 2397 2420 2453 2461
F
A
Cv
Cv/Cs
0.043 0.043 0.043 0.043 0.043
0.093 0.106 0.119 0.133 0.146
0.313 0.287 0.265 0.246 0.229
1.05 0.96 0.89 0.82 0.77
Vacios en el llenante compactado en seco
Se calcula el porcentaje de vacios del llenante compactado en seco mediante la fórmula:
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9 1 a n i g á P
Vacios
= 1−
P a ⋅ e ⋅ G sb
Tabla 22 % de vacios del llenante compactado en seco
DETERMINACIÓN No. Masa del cilindro mas pistón, (g)
1
Área del cilindro a (cm²)
2 865.1
3
5.027
Lectura inicial del llenante (cm)
1.76
1.82
1.79
Masa del cilindro mas piston mas muestra (g)
874.5
874.9
873.9
Lectura final del llenante e (cm)
1.18
1.25
1.08
Masa del llenante P (g)
9.4
9.8
8.8
Gravedad especifica del llenante Gs Porcentaje de vacios del llenante compactado en seco
2.786 0.43
0.44
0.42
El valor promedio de vacios del llenante compactado en seco es de 43%
0 2 a n i g á P
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5. CARACTERIZACION DEL LIGANTE BITUMINOSO 5.1
Propiedades fisicoquímicas (Ensayos externos- Corasfaltos)
Los valores de las propiedades fisicoquímicas del asfalto se presentan en la tabla 23, comparados con los valores exigidos por el INVIAS Artículo 400-07: Tabla 23 Propiedades Físico mecánicas del asfalto
Propiedad
Penetración a 25°C, 100 g y 5 s (0.1 mm) Punto de ablandamiento (ºC) ndice de penetración Peso específico, 25/25ºC Viscosidad rotacional a 60ºC (Poise) Pérdida de masa (%) Punto de Chispa ºC Ductilidad (25ºC, 5 cm/min) Contenido de Agua (%) Solubilidad en tricloroetileno Penetración Residual (%)
Valor
67 47.4 -0.79 1.018 2173 0.401 277 Mayor de 140 0.0 99.95 55.7
Especificación Mín. Máx. 60 70 - 1.0 + 1.0 1500 1.0 230 100 0.2 99 52 -
Los valores de temperatura de mezcla y compactación para asfalto se reportan en la tabla 24. Tabla 19 Temperaturas optimas de mezcla y compactación en laboratorio
Temperatura Mezcla Compactación
Valor (ºC) 151 - 157 140 - 145
1 2 a n i g á P
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6. DISEÑO DE LA MEZCLA ASFALTICA 6.1 Selección de la gradación de diseño
Teniendo en cuenta los requerimientos del artículo 450-07 del Instituto Nacional de Vías, se determinó la combinación óptima de diseño que satisface los criterios granulométricos y de empaquetamiento de los agregados pétreos en la mezcla (Método Bailey). En cuanto a gradación la combinación de agregados pétreos esta deberá satisfacer la franja granulométrica correspondiente a la mezcla MDC-2, la tabla 25 y la muestra los valores limites correspondientes a esta gradación de acuerdo a requerimientos del INVIAS tabla 450.2.
Tabla 20 Franja granulométrica para mezcla asfáltica en caliente INVIAS-2007
TIPO DE MEZCA
19.0 ¾“
12.5 ½”
DENSA MDC-2
100
80-95
TAMIZ (mm / U.S. Standard) 9.5 4.75 2.00 0.425 Nº4 Nº10 Nº40 ⅜” % PASA 70-88 49-65 29-45 14-25
0.180 Nº80
0.075 Nº200
8-17
4-8
Tabla 26Dosificación de agregados pétreos
Clase Agregado Grueso Agregado Grueso Agregado Fino Agregado Fino Agregado Fino
Referencia CA-2 CA-3 FA-1 FA-2 FA-3
Descripción Triturado de ¾” Triturado de ⅜” Arena triturada < ⅜” Arena triturada lavada < 5 mm Arena lavada < 2.5 mm
Proporción 20.0 3.7 55.0 9.3 12.0
Ilustración 2 Gradación de diseño
2 2 a n i g á P
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CURVA GRANULOMETRICA
100 90 80 70
A S 60 A P 50 %
40 30 20 10 0 3/4 1/2 3/8
N
N 10
N 40
N 80
N2
ABERTURA (mm )
La tabla 27 muestra los valores obtenidos de % de pasa para la combinación de agregados pétreos de diseño. Tabla 21 Franja Interna de la Fórmula de trabajo
TIPO DE MEZCA
19.0 ¾“
12.5 ½”
DENSA MDC-2 Combinación Franja Interna
100 100 100
80-95 90 86-94
TAMIZ (mm / U.S. Standard) 9.5 4.75 2.00 0.425 0.180 ⅜” Nº4 Nº10 Nº40 Nº80 % PASA 70-88 49-65 29-45 14-25 8-17 82 57 36 19 12 78-86 53-61 33-39 16-22 9-15
0.075 Nº200 4-8 5.2 4.2-6.2
6.2 Diseño Volumétrico de la mezcla asfáltica por medio del Método Marshall Con base en los requerimientos de la tabla 450.4 de la especificación INVIAS se diseña la mezcla asfáltica, con 5 porcentajes de asfalto desde 4.0 a 6.0 variando cada 0.5% y tomando como criterio de selección una mezcla asfáltica tipo MDC-2 destinada para rodadura con nivel de transito NT3. La tabla 28 muestra los requisitos de diseño de la mezcla asfáltica.
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3 2 a n i g á P
Tabla 22 Criterios para el diseño Marshall
CARACTERISTICA
NORMA DE ENSAYO INV Compactacion (golpes por cara) E-748 Estabilidad mínima (kg-f) E-748 Flujo (mm) E-748 Vacios con aire (%) E-799 y E-748 Vacios en agregado mineral (%) E-799 y E-748 Vacios llenos de asfalto (%) E-799 y E-748 Relación llenante / Asfalto E-799 efectivo Concentración del llenante E-745 Relación Estabilidad/Flujo E-748 (kg/mm)
VALOR DE REFERENCIA 75 900 2 – 3.5 4–6 ≥ 15 65 - 75 0.8 - 1.2 Valor critico 300 - 600
Peso especifico teórico máximo de mezclas asfálticas
Una vez se han definido los porcentajes de asfalto para el diseño (4,0 a 6.0% variando cada 0,5%) se realizan las mezclas asfálticas y se determina el peso especifico teórico máximo de la mezcla, así como la función Rice la cual relaciona el Peso especifico con el porcentaje de asfalto. Tabla 23 Peso especifico máximo medido
% DE ASFALTO
Peso Material (g)
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
2012.8 2039.6 2024.3 2060.0 2033.3
Peso Peso Picnómetro Picnómetro + Mezcla + Agua (g) +Agua (g) 8634.2 7391.9 8644.2 7391.9 8628.6 7391.7 8643.4 7391.9 8622.4 7391.9
GMM
GMM ajustado
2.612 2.591 2.571 2.548 2.533
2.611 2.591 2.571 2.551 2.531
La ecuación que relaciona el peso específico teórico máximo de la mezcla asfáltica con el porcentaje de asfalto es: Gmm = -0.040*% Asfalto + 2.773 Calculo del Asfalto efectivo De acuerdo a la normativa INV E-799-07 se determinan el peso específico efectivo del agregado pétreo
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4 2 a n i g á P
−
=
−
Aplicando la formula tenemos:
− .
=
.
−
.
= .
.
Con este valor se calcula el porcentaje de asfalto absorbido Pba
=
=
( − ) ∗
. ( . − . ) . ∗ .
× %
× % = . %
Con este valor se calcula el porcentaje efectivo de asfalto
= . −
= −
×
. % × . %
= . %
Determinación del Índice de Película de Asfalto
De acuerdo a la norma de ensayo INV E-741-07 se determina el espesor en micras (µm) de la película de asfalto que recubre los agregados pétreos con base en la fórmula del AUSTROROADS
=
100 −
2.65
10
En donde: Pbe es el % de asfalto efectivo en peso en la mezcla Pb es el % de Asfalto en peso Dsb es la densidad bulk de los agregados combinados en T/m 3 Db es la densidad del asfalto a 25°C en T/m3
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5 2 a n i g á P
A: es el área superficial de los agregados combinados en m 2 /kg, la cual es calculada a partir de la siguiente expresión: = + . + . + . + . + . + . + . ) .
En donde: a es el porcentaje de pasa de la malla de 4.75 mm (tamiz N°4) b es el porcentaje de pasa de la malla de 2.36 mm (tamiz N°8) c es el porcentaje de pasa de la malla de 1.18 mm (tamiz N°16) d es el porcentaje de pasa de la malla de 0.60 mm (tamiz N°30) e es el porcentaje de pasa de la malla de 0.30 mm (tamiz N°50) f es el porcentaje de pasa de la malla de 0.15 mm (tamiz N°100) g es el porcentaje de pasa de la malla de 0.075 mm (tamiz N°200) Reemplazando los porcentajes de pasa tenemos: = 2 + 0.02 ∗ 58.6 + 0.04 ∗ 41.2 + 0 .08
∗
30.8 + 0.14 ∗ 22.1 + 0.30 ∗ 16.8 + 0.60 ∗ 10.0
+ 1.60 ∗ 5.0) 0.20482 = 6.09
Se calcula el IPL (Índice de Película de Ligante) =
4.63 10 0 − 5.2
2.751 2.65 6.09
10 1.018
= 8.18
En el anexo C se muestran los valores obtenidos en el ensayo Marshall Tabla 24 Características obtenidas en el óptimo de asfalto
CARACTERISTICA Estabilidad mínima (kg-f) Flujo (mm) Vacios con aire (%) Vacios en agregado mineral (%) Vacios llenos de asfalto (%) Relación llenante / Asfalto efectivo Concentración del llenante Estabilidad/Flujo (kg/mm)
VALOR DE REFERENCIA 900 2 – 3.5 4–6 ≥ 15 65 - 75 0.8 - 1.2
VALOR AL OPTIMO 1620 3.22 4.8 15.4 71.2 1.15
< 0.31 300 - 600
0.258 503
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6 2 a n i g á P
Las ilustraciones 4 a 15 muestran los resultados del diseño Marshall de cada una de las propiedades de la mezcla. ESTABILIDAD vs % DE ASFALTO 1900 1800
g K D A D I L I B A T S E
1700 1600 1500 1400 1300 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 4 Estabilidad Vs % de Asfalto FLUJO vs % DE ASFALTO
4
) m m ( O J U L F
3.5
3
2.5 3.5
4
4.5
5
5.5
% DE ASFALTO
Ilustración 5 Flujo Vs % de Asfalto
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6
6.5
7 2 a n i g á P
RIGIDEZ MARSHALL vs % DE ASFALTO 550 ) m m / g k ( z e d i g i R
500
450
400
350 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 6 Relación Estabilidad/Flujo Vs % de Asfalto
ESTABILIDAD vs % DE ASFALTO 1800 1700 g K D A D I L I B A T S E
1600 1500 1400 1300 1200 1100 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 7 Estabilidades individuales Vs % de Asfalto
8 2 a n i g á P
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DENSIDAD vs % DE ASFALTO ) ³ m / g K ( K L U B D A D I S N E D
2480 2460 2440 2420 2400 2380 2360 3.5
4
4.5
5
5.5
% DE ASFALTO
6
6.5
6
6.5
Ilustración 8 Densidad Vs % de Asfalto GMM vs % DE ASFALTO
2.63 2.61 2.59 M M G
2.57 2.55 2.53 2.51 3.5
4
4.5
5
5.5
% DE ASFALTO
Ilustración 9 Peso especifico Rice Vs % de Asfalto
9 2 a n i g á P
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VACIOS CON AIRE vs % DE ASFALTO 10 9 8 7 6 M T V %
5 4 3 2 1 0 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 10 Vacios con aire Vs % de Asfalto VACIOS EN AGREGADOS MINERALES vs % DE ASFALTO
17.5
17 M A V %
16.5
16
15.5
15 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 11 Vacios en Agregado Mineral Vs % de Asfalto
0 3 a n i g á P
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VACIOS CON ASFALTO vs % DE ASFALTO
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40
A F V %
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 12 Vacios llenos con asfalto Vs % de Asfalto FILLER/ASFALTO EFECTIVO vs % DE ASFALTO
O V I T C E F E O T L A F S A / R E L L I F
1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 13 Relación Llenante/ligante efectivo Vs % de Asfalto
1 3 a n i g á P
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Cv/Cs vs % DE ASFALTO
1.1 1 s C / v C
0.9 0.8 0.7 0.6 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 14 Relación Concentración real / critica Vs % de Asfalto IPA vs % DE ASFALTO 12 O T L A F S A E D A L U C I L E P E D E C I D N I
11 10 9 8 7 6 5 4 3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
% DE ASFALTO
Ilustración 15 Índice de película de asfalto Vs % de Asfalto
6.3 Susceptibilidad a la humedad mediante la prueba de tracción Indirecta
La tabla 30 muestra los resultados de la mezcla asfáltica tipo MDC-2 evaluada conforme a la fórmula de trabajo.
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2 3 a n i g á P
Tabla 25 Susceptibilidad a la humedad TSR
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD DE MEZCLAS ASFALTICAS (TSR) SUBGRUPO HUMEDO Resistencia % % a la Densidad % Vacíos Probeta Saturación Saturación Tracción Bulk con aire Inicial Final Indirecta (kPa) 1 2.388 6.48 41.1 34.85 900.3 2 2.382 6.72 88.4 73.34 940.7 3 2.389 6.42 60.0 53.34 951.9 4 2.388 6.48 50.3 44.39 843.9 909 Promedio 6.5 60.0 51.5 Diferencia de 2 resultados 48.81 107.90 Desviación Estándar (kPa) (kPa) SUBGRUPO SECO 5 2.397 6.09 1105.3 6 2.392 6.29 1147.0 7 2.396 6.15 No aplica 1135.0 8 2.393 6.26 1066.4 1113 Promedio 6.2 Diferencia de 2 resultados 35.94 80.61 Desviación Estándar (kPa) (kPa) Valor de Relación de esfuerzos a tracción (TSR %) = 82% Inspección Visual: No se evidencia desprendimiento y/o fracturamiento % de expansión Inicial = 1.33% % de expansión final = 1.31%
Se evidencia el cumplimiento de resistencia a la humedad al obtenerse un valor superior al 80% especificado por el INVIAS en su numeral 450.4.2.2, para garantizar una buena resistencia al desprendimiento se uso aditivo mejorador de adherencia Adhere HP-PLUS® al 0.8% en peso con respecto al peso total del asfalto.
3 3 a n i g á P
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