Libro Pavimentos 23-07-2013
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PAVIMENTOS BÁSICO Notas de Clase Docente: Julián Vidal Valencia Julio de 2013 Uso Exclusivo para estudiantes de Ing. Civil EAFIT
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CAPÌTULO 1: CONCEPTOS GENERALES
1. Definición
Un pavimento es una estructura que reposa sobre un suelo de fundación (en
pavimentos llamada subrasante), la cual puede estar constituida por una o más
capas construidas con materiales seleccionados y un proceso constructivo
debidamente estipulado y controlado, cuya función principal es la de trasmitir de
manera adecuada los esfuerzos a la subrasante
2. Funciones de los pavimentos
Vía de comunicación
Generador de desarrollo (industrial, habitacional y turístico)
Comodidad
Seguridad
3. Tipos de pavimentos
3.1 Pavimentos flexibles: se denominan así, debido a que bajo solicitaciones de
carga permiten deflexiones que una vez retirara la carga se recuperada en cierto
porcentaje, dando lugar a una deformación permanente acumulada. Su capa de
rodadura puede ser un tratamiento superficial, una carpeta asfáltica o una capa de
adoquines. Estos últimos mal llamados pavimentos articulados.
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3.2 Pavimentos rígidos: Debido a que la capa de rodadura (losa de concreto
hidráulico u hormigón) de este pavimento tiene un módulo elástico alto (el
hormigón no es elástico lineal, por lo que el módulo secante) al compararlo con
el de una carpeta asfáltica, bajo solicitaciones de carga, las deflexiones
ocurridas son mínimas “muy cercanas a cero”.
3.3 Pavimentos de adoquines: Se denominan también pavimentos flexibles, por
lo tanto permiten deflexiones. Su capa de rodadura está compuesta por
adoquines o bloques prefabricados de hormigón o arcilla.
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3.4 Pavimentos mixtos: Son el resultado de la rehabilitación de pavimentos
3.5 Pavimentos semi-rígidos: Se identifican así a las estructuras de pavimentos
a las cuales se les incremento el módulo dinámico de una o más capas por
medio de adición de materiales inertes.
4. Estructuras típicas de los pavimentos (Ejemplos) 4.1 Pavimento flexible
4.2 Pavimento rígido
Losa de hormigón
Sub-base
Subrasante
Carpeta asfáltica
Base
Sub-base
Subrasante
Carpeta asfáltica
Base
Sub-base
Subrasante mejorada
Subrasante
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4.3 Pavimento de adoquines
Adoquines
Base
Sub-base
Subrasante
4.4 Pavimentos mixtos: generalmente se dan por trabajos de rehabilitación
Losa de hormigón
Carpeta asfáltica
Base
Sub-base
Subrasante
4.5 Pavimentos semi-rígidos
Carpeta asfáltica
Base estabilizada
Sub-base
Subrasante
Carpeta asfáltica
Losa de hormigón
Sub-base
Subrasante
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5. Descripción y funciones de las capas de la estructura de los pavimentos 5.1 Pavimentos Flexibles 5.1.1 Sub-base Descripción: Material grueso granular bien gradado con tamaño máximo de 75 mm, con límite líquido menor a 25% e índice de plasticidad de 6, puede ser tratadas con materiales estabilizantes o no. Funciones:
Capa de transición entre la subrasante y la base evitando que la capa de base se contamine
Absorber los cambios volumétricos de la subrasante Mantener propiedades drenantes si el proyecto lo requiere Plataforma adecuada de trabajo, de tal forma que permita la construcción de
la base, soportando las cargas de la maquinaria
Disminuir las deformaciones de la estructura Brindar economía Ser estable, manteniendo en los posible sus propiedades físicas y mecánicas
en el tiempo Transmitir los esfuerzos a la subrasante 5.1.2 Base Descripción: Material grueso granular bien gradado con tamaño máximo de 38 mm, con límite líquido menor a 25% e índice de plasticidad de 4, puede ser tratadas con materiales estabilizantes o no. Funciones:
Debe ser un elemento resistente que transmita de manera adecuada los esfuerzos producidos por el tránsito a las capas inferiores
Disminuir los costos en la construcción, por lo que en muchos casos se tienen factores de conversión entre la capa de rodadura y las capas inferiores de la estructura del pavimento
Servir de plataforma de trabajo para la construcción de la carpeta asfáltica
Tener propiedades drenantes, si el tipo de proyecto lo requiere
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Disminuir las deformaciones de la estructura 5.1.3 Riego de imprimación Descripción: Material asfáltico (Asfalto líquido o emulsión asfáltica) que se riega sobre la superficie de la base Funciones:
Impermeabilizar la capa de la subrasante, par lo cual debe penetrar al menos 3 mm en esta
Permitir la liga entre la carpeta asfáltica y la base, con el fin de evitar movimientos
5.1.4 Carpeta asfáltica Descripción: Mezcla de agregados minerales con un material asfáltico (cemento asfáltico, asfalto líquido o emulsión), donde este cumple el fin de ligante y protector de los agregados. La combinación de dichos agregados con el material asfáltico da lugar a capas de rodadura tales como los tratamientos superficiales y mezclas asfálticas Funciones: Soportar directamente las cargas suministradas por el tránsito y transmitirlas
adecuadamente a las capas inferiros Tener propiedades drenantes según el proyecto lo requiera Proporcionar durabilidad al resto de la estructura
Brindar seguridad, con lo que debe mantener valores adecuados de resistencia al fricción
Brindar comodidad, para lo que debe tener un perfil adecuado a las exigencias del tipo de vía
5.2 Pavimentos rígidos 5.2.1 Sub-base Descripción: Material grueso granular bien gradado con tamaño máximo de 75 mm, con límite líquido menor a 25% e índice de plasticidad de 6, puede ser tratadas con materiales estabilizantes (generalmente cemento) o no.
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Funciones: Absorber los cambios volumétricos de la subrasante
Mantener propiedades drenantes si el proyecto lo requiere Plataforma adecuada de trabajo, de tal forma que permita la construcción de
la losa soportando las cargas de la maquinaria
Dar un apoyo uniforme a la losa Brindar economía Ser estable, manteniendo en los posible sus propiedades físicas y mecánicas
en el tiempo
Transmitir los esfuerzos a la subrasante Evitar el fenómeno de bombeo en las subrasante. Este consiste en la pérdida
de finos por presiones del aguas originadas por las cargas del transito 5.2.2 Losa de hormigón Descripción Mezcla de agregados minerales con cemento hidráulico, colocado y compactado. La losa puede ser de hormigón simple o reforzado según sea el caso Funciones Absorber la mayoría de cargas suministradas por los vehículos y trasmitir los
esfuerzos de manera adecuada a la sub-base o la subrasante según sea el caso
Suministrar una superficie segura y cómoda Contrarrestar los cambios volumétricos de la subrasante con su peso 5.3 Pavimentos de adoquines La subbase y la base de estos tienen una descripción muy similar a la de los pavimentos flexibles, lo mismo que sus funciones. 5.3.1 Capa de arena Descripción Arena de finura media con un espesor que oscila entre 30 mm y 50 mm Funciones:
Permitir el acomodo de los adoquines Dar un apoyo adecuado a los adoquines
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Contribuir a la evacuación del agua Contribuir a la arena del sello de juntas 5.3.2 Arena de sello de juntas Descripción: Arena fina Funciones:
Proporcionar fricción entre los adoquines permitiendo que el área de transferencia de cargas sea mayor y los esfuerzos que llegan a las capas inferiores sean menores
6. Esfuerzos y deformaciones Las teorías que se estudian en las asignaturas de cimentaciones proporcionan herramientas adecuadas para determinar el esfuerzo y deformación en cada capa de la estructura del pavimento en la fibra superior e inferior y para el caso de la subrasante que se estima en la fibra superior y a la profundidad de interés. Las más aplicadas corresponden a las que emplean métodos de análisis “Elástico lineales multicapa”. La modelación bajo métodos numéricos (elementos finitos) se viene utilizando ampliamente, constituyéndose así como una herramienta bastante adecuada para el análisis en mención. 6.1 Esquemas de esfuerzos para pavimentos flexibles y rígidos. 6.1.1 Pavimento flexible
Carpeta asfáltica
Subrasante
Base
Sub-base
Trayectoria de
esfuerzos
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6.1.2 Pavimento rígido
Se observa en los diagramas que la losa del pavimento rígido absorbe gran cantidad de los esfuerzos, transmitiéndolo de forma mínima a la subrasante, por lo que es muy posible que estos pavimentos se construyan sobre subrasantes de poca capacidad de soporte pero con la cualidad de homogeneidad con el fin de evitar asentamientos diferenciales de la losa. En el caso de los pavimentos flexibles se evidencia que llegan esfuerzos disminuidos a la subrasante pero mayores a los de la subrasante de un pavimento rígido.
6.2 Tipología de las cargas Las cargas que se imparten a una estructura de un pavimento dependen de la destinación que este tenga, por lo tanto estas podrán ser estáticas y dinámicas-cíclicas. Las cargas en un punto cualquiera en la estructura o en la subrasante son variables en magnitud y frecuencia, lo que suele dificultar la modelación por métodos numéricos. A continuación se presentan tres esquemas que permiten entender el efecto de las cargas de los vehículos en movimiento en un punto cualquiera del suelos de subrasante
Losa de hormigón
Subrasante
Sub-base
Trayectoria de
esfuerzos
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Esfuerzos en la subrasante
(vehículo en movimiento)
t
tt
sV
sV
sh sh
sV
sV sV
sV
shsh shsh
t
Estructura pavimento
A
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6.3 Expresiones utilizadas para determinar el esfuerzo y la deformación admisible
La mayoría de expresiones están en función de la variable N, que corresponde al número de ejes equivalentes de 80 kN que harán uso de la vía durante el periodo de diseño. Algunas expresiones han involucrado otras variables y en especial parámetros relacionados con la capacidad de soporte de la subrasante. 6.3.1 Deformación unitaria vertical de compresión en la subrasante
*028.0 25.0 Nz (Shell)
21.0*0116.0 Nz (Dormon y Metcalf)
28.0*0216.0 Nz (Universidad de Nottingham)
refuerzo ,*025.0
nuevas calzadas ,*021.0
244.0
24.0
N
N
z
z
(“Laboratoire Central des Ponts et Chaussées”)
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6.3.2 Deformación unitaria de tracción en la fibra inferior de la capa asfáltica
1626.0*00389.0 Nt (Shell)
36.02.0 **)08.1856.0
mbt SNV (Shell)
1093.0*028.0 Nt (EAFIT mezcla densa Valle Aburrá)
6.3.3 Esfuerzo de compresión admisible en la subrasante
2cm
kgf ,
)log*7.01(
*07.0
N
Esrz
s (Kenhover y Dormon)
23.0
2.1*09607.0
N
CBRz s , MPa, (Bélgica)
6.4 Uso de programas de computador Existen diferentes programas de computador utilizados en la determinación de las tensiones y deformaciones que ocurren en cada capa de las estructura del pavimentos y en la subrasante. Dichos programas utilizan generalmente los siguientes datos de entrada: Módulos dinámicos y relación de Poisson de cada capa, presión de inflado, distancia entre ejes de llantas, radio de carga y estado de liga entre capas. En nuestro medio se utilizan ampliamente el INPACO, el cual tiene un módulo para el propósito expuesto y fue elaborado por la universidad del Cauca para el Ministerio de Transporte. El programa CEDEM que fue elaborado por el ingeniero Jairo A. Delgado E. de la universidad de los Andes. Otros programas elaborados en el exterior son: WINJULEA, ALIZE, EVERSERIES, entro otros. El uso del software para geotecnia “PLAXIS”, el cual está basado en el método de elementos finitos es una buena herramienta para la modelación de las estructuras de pavimentos con fines de análisis. A continuación se presenta un ejemplo ejecutado en el programa CEDEM
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Epsilon T = deformación unitaria horizontal (de corte) Sigma T = Esfuerzo de corte
Epsilon Z = deformación unitaria vertical (de compresión) Sigma Z = esfuerzo vertical
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CAPÌTULO 2: EVALUACIÓN DE SUELOS DE SUBRASANTE
MÓDULO RESILIENTE DE SUELOS FINOGRANULARES (Artículo de revista EAFIT)
Ingeniero Civil JULIÁN VIDAL VALENCIA
Ingeniero Civil RODRIGO OSORIO M
1. INTRODUCCIÓN Las estructuras de los pavimentos para calles, carreteras y autopistas están sometidas a cargas repetitivas impuestas por los vehículos. Este tipo de cargas son dinámicas de corta duración, que llevan a la fatiga la estructura del pavimento en un período de tiempo, el cual también depende de las propiedades geomecánicas y dinámicas de los materiales, además del proceso constructivo adelantado. La transmisión de las cargas está en función de la presión de inflado de las llantas de los vehículos, las cuales oscilan de 0,2 MPa a 0,7 MPa. En la figura 1 se presenta un esquema sobre dicha transferencia de las cargas. P Estructura Subrasante
Figura 1
Tradicionalmente en nuestro medio, los diseños de pavimentos se han realizado bajo la aplicación de cargas estáticas a la falla de la estructura, sometida ésta a ensayos de carga axial, como es el CBR (California Bearing Ration) o a ensayos de placa con carga repetida o estática, realizados directamente sobre la subrasante y en ocasiones sobre toda o parte de la estructura. En este último caso se tiene un modelo más próximo a lo que serían las cargas cíclicas en períodos largos.
Po
P1
Po
P1
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La reacción de un material cuando la carga es retirada, es recuperar parte de la deformación inducida; la capacidad de recuperación de dicho material es lo que comúnmente se denomina la resiliencia de los materiales. La relación entre el esfuerzo desviador y la correspondiente deformación unitaria recuperada se denomina módulo resiliente. En 1981, The Asphalt Institute presentó en su documento MS-1 un método de diseño de espesores para pavimentos asfálticos, en el que se recomienda usar el módulo resiliente para la evaluación de la subrasante. En 1986, la AASHTO publicó un nuevo método de diseño para estructuras de pavimentos en el que usó el módulo resiliente para caracterizar las propiedades dinámicas de los materiales componentes de la estructura del pavimento, tanto para materiales finos granulares como grueso granulares. Lo anterior es una evidencia de la importancia de la evaluación de las propiedades dinámicas en el diseño de los pavimentos. Los equipos que se requieren para determinar el módulo resiliente son de un alto costo, debido a la instrumentación de alta tecnología que poseen; razón por la cual en nuestro medio se realizan poco estos ensayos, además se debe tener en cuenta que muy pocas instituciones poseen estos equipos, es por esto que aún se sigue diseñando con métodos tradicionales o con correlaciones entre valores dinámicos y estáticos aplicados a los métodos de diseño que utilizan dicho valor. La universidad EAFIT, consciente de la importancia que tiene en el diseño de pavimentos el conocimiento de las propiedades dinámicas de los suelos, que conforman la estructura del mismo, adquirió a finales del año 1999, un moderno equipo triaxial dinámico y una columna resonante. Durante este tiempo se ha trabajado en el manejo y adecuación de los equipos para la implementación de diferentes ensayos. Es de entender que ésta es una labor que requiere tiempo, dedicación e investigación. 2. CONCEPTOS La subrasante está sometida a un estado de esfuerzos variables y por ende a un estado de deformaciones en el momento que los vehículos aplican las cargas sobre la estructura del pavimento. Debido a la característica de las cargas impuestas por los vehículos, parte de la deformación se recupera cuando la carga es retirada. En la figura 2 se presenta un esquema de esfuerzos en la subrasante. La resiliencia en los suelos se entiende como la capacidad que tienen éstos para recuperarse después de una solicitación de carga, cuando se trabajan bajo deformaciones en una zona elástica supuesta.
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El módulo resiliente (Mr) se define como la relación entre el esfuerzo desviador (sd) y la deformación unitaria recuperada (r), tal como se muestra en la siguiente expresión:
2l
f ,
r
d
rM
s
El esquema de esfuerzos al que son sometidas las muestras de ensayo, se puede representar según lo que se muestra en la figura 3.
x P
Figura 2
sd = s1 - s3 s3
s3
dt dr
Figura 3
sh
sv
t
t
t
t
sh
sv
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s3: Esfuerzo de confinamiento
s1: Esfuerzo axial
sd = s1 -s3: Esfuerzo desviador dt: Deformación total dr: Deformación recuperada dt - dr: Deformación remanente El esquema de la figura 3 se puede explicar de la siguiente manera: al aplicar una carga creciente se incrementa la deformación; cuando la carga se reduce la deformación también se reduce, pero no toda ella se recupera. Por lo tanto, la deformación total se compone de dos partes: una plástica o permanente y una elástica o resiliente. Únicamente la resiliente o recuperada se utiliza para calcular el módulo resiliente. En la figura 4 se presenta una secuencia de carga y descarga y los parámetros asociados.
Figura 4
3. MÉTODO DE ENSAYO Uno de los métodos más conocidos para la determinación del módulo resiliente en suelos finos granulares, es presentado por la AASHTO en la norma T 294. En Colombia, el Instituto Nacional de Vías presenta un método similar en la norma INV E 156. A continuación se hace una breve descripción del equipo necesario y de los aspectos más relevantes en la realización del ensayo.
Plástica
a
Def. total
Resiliente
Deformación
sd
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3.1 Equipo
Para la determinación del módulo resiliente se utiliza un equipo que consta de una cámara triaxial para ensayos cíclicos, una marco de carga con un actuador dinámico servo-controlado para producir una onda sinusoidal media en un período y frecuencia determinados, un panel de control y de mediciones de presiones de cámara, de poros y efectiva, y una unidad de adquisición de datos con software de procesamiento. En las fotografías 1 y 2, se puede observar el equipo de la universidad EAFIT, el cual cumple dichas condiciones. 3.2 Geometría de la muestra Esta depende de la capacidad de la cámara triaxial; generalmente se trabajan con muestras con diámetros de 38 mm, 75 mm y 100 mm, que tenga una relación de altura a diámetro o relación de esbeltez de 2 a 3.
Foto 1 Foto 2
Algunos investigadores sugieren el uso de muestras con una relación de esbeltez de 2,5 para minimizar los efectos de columna y bloque.
3.3 Estado de la muestra El ensayo debe realizarse sobre muestras inalteradas o compactadas, saturadas o parcialmente saturadas, de acuerdo con las necesidades del proyecto.
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3.4 Condición de esfuerzos las muestras a ensayar se deben someter a secuencias de esfuerzos combinados de confinamiento y desviadores. En las tablas 1, 2 y 3 se presentan algunas secuencias sugeridas por la SHRP (Strategic Highway Research Program) y la AASHTO.
Combinación
de esfuerzos
Presión de
confinamiento
(kPa)
Esfuerzo Desviador
(kPa)
Primera 41,4 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9
Segunda 27,6 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9
Tercera 13,8 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9
Tabla 1: SHRP TP46 - Suelos tipo 2
Combinación
de esfuerzos
Presión de
confinamiento
(kPa)
Esfuerzo Desviador
(kPa)
Primera 20,7 20,7 41,4 62,1
Segunda 34,5 34,5 69 103,5
Tercera 68,9 69 137,9 206,8
Cuarta 103,5 69 103,5 206,8
Quinta 137,9 103,5 137,9 275,8
Tabla 2: AASHTO T294 -Suelos tipo 1
Combinación
de esfuerzos
Presión de
confinamiento
(kPa)
Esfuerzo Desviador
(kPa)
Primera 41,4 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9
Segunda 20,7 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9
Tercera 0 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9
Tabla 3: AASHTO T294 -Suelos tipo 2
3.5 Duración y aplicación de las cargas Los métodos de ensayo sugieren que el tiempo de duración de la aplicación de la carga sea de 0,1 segundo y el período para repetir dicha aplicación sea de 1,0 segundo.
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El número de repeticiones de carga por secuencia sugerido por las anteriores instituciones es de 100. La norma INV E 156 sugiere 200 repeticiones por secuencia. Antes de someter las muestras a la secuencias de ensayo, se deben someter como mínimo a 1000 ciclos de carga con el fin de disminuir la tixotropía. 3.6 Monitoreo durante el ensayo En el transcurso del ensayo, muchos equipos esquematizan el comportamiento del esfuerzo desviador y la deformación axial. Estos generalmente tiene la forma que se presenta en la figura 5, que corresponde a una onda sinusoidal media.
Figura 5
4. RESULTADOS Para cada secuencia del ensayo, se calcula el esfuerzo desviador y la deformación recuperada, con el fin de determinar el módulo resiliente para diferentes condiciones de esfuerzos que pueden estar de acuerdo con las que se presentan en las tablas 1, 2 y 3, del numeral 3.4. Los valores se deben relacionar en gráficos con el fin de tener una mejor visión del comportamiento del suelo, los cuales se presentan a continuación. 4.1 Gráfico de esfuerzo desviador contra Mr para cada presión de cámara Los puntos que conforman una cualquiera de las curvas, representan la relación entre el esfuerzo desviador y el módulo resiliente para un mismo esfuerzo de confinamiento, a diferentes estados de esfuerzo axial cíclico. En la figura 6 se presenta una gráfica obtenida en un ensayo de Mr.
0 1 2 3 4
Tiempo (segundos)
Car
ga
o D
efo
rmac
ión
Periodo = 1 s
Aplicación = 0,1 s
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Figura 6
4.2
ecuación constitutiva del suelo Esta gráfica tipo log-log se obtiene al relacionar la sumatoria de los esfuerzos
principales ss) y el módulo resiliente para cada punto de las curvas que se presentan en la figura 7. Se determina posteriormente la ecuación, de tipo exponencial de la línea de tendencia del comportamiento del suelo bajo las condiciones del ensayo. Un gráfico similar se puede realizar al relacionar el esfuerzo desviador con el Mr, tal como se muestra en la figura 8.
450
500
550
600
650
700
750
0 20 40 60 80
Esfuerzo desviador (kPa)
Módu
lo R
esili
ente
(kP
a)
41.0 kPa
21.0 kPa
13.8 kPa
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Figura 7
Figura 8
5. CORRELACIONES DEL MÓDULO RESILIENTE CON EL ENSAYO CBR Muchos investigadores se han preocupado por establecer correlaciones del módulo resiliente con otros ensayos utilizados normalmente en el diseño de los espesores de la estructura de pavimentos. Dentro de éstas, la más utilizada ha sido la correlación con el CBR. Es importante tener en cuenta que muchas de las correlaciones son más de tipo regional, lo que debe limitar el uso indiferente para cualquier tipo de suelo. Solamente, con una gran experiencia y criterio, el ingeniero podrá seleccionar la correlación más adecuada para un proyecto específico.
Mr = kn
Mr = ksdn
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A continuación se presentan algunas correlaciones empíricas entre el CBR y el valor del módulo resiliente. En la figura 9 se esquematizan las mismas. Shell (Heukelomm y Foster 1960)
Mr (psi) = 1500 CBR
U.S. Cuerpos de Ingenieros (USACE) (Green y Hall 1975)
Mr (psi) = 5409 CBR0.711
Concilio Sur Africano de Investigaciones Científicas e Industriales (CSIR)
Mr (psi) = 3000 CBR0.65
Laboratorio de Investigación de Transporte y Carreteras (TRRL) (Lister 1987)
Mr (psi) = 2555 CBR0.64
Figura 9
Shell, CSIR y TRRL presentan una modificación a las anteriores correlaciones, teniendo en cuenta el número de ejes equivalentes (N) de 8,2 toneladas durante el periodo de diseño, tal como se muestra en la tabla 2. Es importante destacar que la representación de las ecuaciones tiene la siguiente forma:
nCBRKMr *
Correlaciones CBR - Mr
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 20 40 60 80 100CBR
Mr
(kg
f/cm
²)
ShellUSACE
CSIR
TRRL
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Donde K varía con el valor de N.
Proponente Valor recomendado de K para diferentes N
1 x 105
1 x 106
1 x 107
5 x 107
Shell
CBRKMr *
1500
1750
2300
2900
CSIR 65,0*CBRKMr
3200
3700
4700
5800
TRRL 64,0*CBRKMr
3250
3800
4800
5900
6. DETERMINACIÓN DEL VALOR Mr PARA APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE
LOS PAVIMENTOS La determinación del valor del Mr a utilizar para el diseño de la estructura de pavimento, se logra a partir de la utilización de la ecuación constitutiva del ensayo que puede estar en función del esfuerzo desviador o de la sumatoria de esfuerzos principales. Algunas instituciones recomiendan valores base de esfuerzos desviadores y otros valores medios de deformaciones unitarias. También se puede agotar el recurso de modelar la estructura del pavimento por programas de computadores, utilizando programas de elementos finitos y otros, que nos muestren la distribución de esfuerzos dentro de la estructura. Es labor del ingeniero elegir el valor de diseño que considere adecuado a las características del proyecto. 7. EJEMPLO PRÁCTICO En las figuras 10, 11, 12 y 13, se presentan los resultados gráficos de un ensayo realizado a una muestra de un limo parcialmente saturado, realizado en los equipos de la universidad EAFIT.
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Figura 10
Figura 11
Figura 12
0
500
1000
1500
2000
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
Esfuerzo desviador (MPa)
Mó
du
lo r
es
ilie
nte
(M
Pa)
Mr = 0.3067sd-1.8598
10
100
1000
10000
0.01 0.1
Esfuerzo desviador (MPa)
Mó
du
lo r
es
ilie
nte
(M
Pa)
Mr = 0.6014D-0.6603
R2 = 0.9913
0
500
1000
1500
2000
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005
Deformación unitaria (D) mm/mm
Mó
du
lo R
es
ilie
nte
(M
Pa)
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Figura 13
8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 8.1 The Asphlat Institute. Thickness Design - Asphlat Pavements for Highways
and Streets. Manual series Nº 1 (MS-1), september 1981. 8.2 Montejo Fonseca, Alfonso. Ingeniería de Pavimentos para Carreteras, 2da
edición, Universidad Católica de Colombia, 1998. 8.3 Instituto Nacional de Vías. Normas de Ensayo de Materiales para Carreteras,
Tomo I: Suelos, Norma I.N.V.E – 156 “Módulo Resiliente de Suelos de Subrasante”, 1998.
8.4 ASCE. Aplication of Geotechnical Principles in Pavement Engineering. Edited by A. T. Papagiannakis and C. W. Schwartz, 1998.
8.5 ASTM. Special Technical Publication 807. Properties of Flexible Pavement Materials. Editor by John J. Emery, Trow Ltd. 1981
8.6 Sánchez Guando, Juan y Vigo Jauregui. Características Dinámicas (Mr) de los Materiales para construcción de Pavimentos. Oficina de Controld e Calidad. Dirección General de Caminos. Perú.
8.7 Angelone, Silvia; Martínez, Fernando y Tosticarelli, Jorge. Módulo Resiliente de Suelos y Materiales no Tratados. Su aplicación al diseño estructural de pavimentos en Argentina. Argentina.
8.8 Resilient Modulus for Fine – Grained Subgrade Soils. Dingquinq Li and Ernest T. Selig. Journal of Geotechnical Engineering. June 1994, p 939 – 957.
8.9 Resilient Modulus of Cohesive Soils. Woojin Lee, N. C. Bohra, A. G. Altschaeffl and T. D. White. Journal of Geotechnical Engineering. Feb. 1997, p 131 – 136.
Mr = 220.720.1539
10
100
1000
0.01 0.1 1
Sumatoria de esfuerzos principales (MPa)
Mó
du
lo r
es
ilie
nte
(M
Pa)
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CBR
SFG SGG
Remoldeado Inalterado In Situ Remoldeado In Situ
Terraplenes Llenos
Subrasante mejorada <Diseño>
Subrasante
<Diseño>
Terraplenes Llenos
Subrasante mejorada <Control Calidad>
Subrasante <Diseño>
Pedraplenes Bases
Subbases Afirmados <Diseño>
Pedraplenes Bases
Subbases Afirmados <Control Calidad>
Subrasantes
<Diseño>
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Mr
SFG SGG
Inalterada Remoldeada Remoldeada
Humedad natural
Saturada
Humedad óptima
Saturada
Humedad óptima
Saturada
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Humedad Humedad
ExpansiónCBR
dCBR
d
H1 H2 H3
H1
H2
H3CBR diseño
H3
Baja < 2%
Media: 2 a 4
Alta > 4
d
CBR remoldeado SFGCBR remoldeado SFG
Humedad Humedad
ExpansiónCBR
dCBR
d
H1 H2 H3
H1
H2
H3CBR diseño
H3
Baja < 2%
Media: 2 a 4
Alta > 4
d
CBR remoldeado SFGCBR remoldeado SFG
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CBR remoldeado SGGCBR remoldeado SGG
Humedad
d
CBR
d
CB
R d
iseñ
o
Hum
edad
ópt
ima
CBR remoldeado SGGCBR remoldeado SGG
Humedad
d
CBR
d
CB
R d
iseñ
o
Hum
edad
ópt
ima
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ENSAYO DE PLACA
Diámetro de 30 cm Diámetro de 75 cm
CarreterasAutopistas
Pistas de Aeropuertos
Dos cargas
10 repeticiones
Tres cargas
10 repeticiones
Placa con carga repetidaPlaca con carga repetida
ENSAYO DE PLACA
Diámetro de 30 cm Diámetro de 75 cm
CarreterasAutopistas
Pistas de Aeropuertos
Dos cargas
10 repeticiones
Tres cargas
10 repeticiones
ENSAYO DE PLACA
Diámetro de 30 cm Diámetro de 75 cm
CarreterasAutopistas
Pistas de Aeropuertos
Dos cargas
10 repeticiones
Tres cargas
10 repeticiones
Placa con carga repetidaPlaca con carga repetida
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Placa Placa con carga repetidacarga repetida
Tiempo
Deformación total
Deformación permanente
Def
orm
ació
n
Def
orm
ació
n r
ecu
per
ada
Módulo de Reacción de la Subrasante
K = Presión / deformación
Placa Placa con carga repetidacarga repetida
Tiempo
Deformación total
Deformación permanente
Def
orm
ació
n
Def
orm
ació
n r
ecu
per
ada
Tiempo
Deformación total
Deformación permanente
Def
orm
ació
n
Def
orm
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n r
ecu
per
ada
Módulo de Reacción de la Subrasante
K = Presión / deformación
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Cono Cono Dinámico de Penetracide Penetracióónn
Pro
fund
idad
Golpes
Estrato 1
Estrato 2
Estrato 3
Cono Cono Dinámico de Penetracide Penetracióónn
Pro
fund
idad
Golpes
Estrato 1
Estrato 2
Estrato 3
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CBR = A * D-B
Cono Cono Dinámico de Penetracide Penetracióónn
Autor Origen A B P rof
(mm )
C B R
Harrison Austra lia 646 1,32 10 31
K leyn S udáfrica 398 1,26 10 22
Tosticarelli A rgentina 450 1,05 10 40
Ponce C hile 776 1,46 10 27
CBR = 567 * (DN)-1.40
R² = 0,95
D: Penetración
DN: Penetración media (mm/golpe)
CBR = A * D-B
Cono Cono Dinámico de Penetracide Penetracióónn
Autor Origen A B P rof
(mm )
C B R
Harrison Austra lia 646 1,32 10 31
K leyn S udáfrica 398 1,26 10 22
Tosticarelli A rgentina 450 1,05 10 40
Ponce C hile 776 1,46 10 27
CBR = 567 * (DN)-1.40
R² = 0,95
D: Penetración
DN: Penetración media (mm/golpe)
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CorrelacionesCorrelaciones
A7-5, A7-6CH, OH, OL
2 a 42 a 6A-5, A-6ML, CL, MH
Deficiente
4 a 86 a 25A2-6, A2-7SC - SMBuena
GM, GC
> 8> 25A1-a, A1-bGW, GP
Muy Buena
K
(kgf/cm3)
CBR
(%)AASHTO U.S.C.S.
Categoría Subrasante
A7-5, A7-6CH, OH, OL
2 a 42 a 6A-5, A-6ML, CL, MH
Deficiente
4 a 86 a 25A2-6, A2-7SC - SMBuena
GM, GC
> 8> 25A1-a, A1-bGW, GP
Muy Buena
K
(kgf/cm3)
CBR
(%)AASHTO U.S.C.S.
Categoría Subrasante
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CorrelacionesCorrelacionesCorrelacionesCorrelaciones
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t
t t
s V
s V
s h s h
s V
s V s V
s V
s h s h s h s h
t
Estructura pavimento
A
t
t t
s V
s V
s h s h
s V
s V s V
s V
s h s h s h s h
t
Estructura pavimento
t t
s V
s V
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s V
s V s V
s V
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t
Estructura pavimento
t
s V
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s V
s V s V
s V
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t
Estructura pavimento
s V
s V
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s V
s V s V
s V
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t
Estructura pavimento
s V
s V
s h s h
s V
s V s V
s V
s h s h s h s h
t
Estructura pavimento
A
Esfuerzos en un punto de la subrasante
Vehículo en movimiento)
A A
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Triaxial Cíclico
s1= sd + s3
s3 tiempoD
efo
rma
ció
n
+
-
+
tiempo
Ca
rga
+
-
Triaxial Cíclico
s1= sd + s3
s3 tiempoD
efo
rma
ció
n
+
-tiempo
Defo
rma
ció
n
+
-
+
tiempo
Ca
rga
+
-tiempo
Ca
rga
+
-
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O
A
BDeformación unitaria
Esf
uerz
o
OB
ABEd
)(4 OAB
curva
A
AD
Módulo Dinámico
Amortiguamiento
Triaxial Cíclico
O
A
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o
OB
ABEd
)(4 OAB
curva
A
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Módulo Dinámico
Amortiguamiento
O
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BDeformación unitaria
Esf
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OB
ABEd
)(4 OAB
curva
A
AD
Módulo Dinámico
Amortiguamiento
Triaxial Cíclico
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Columna Resonante
t
tG
Fijo Fijo
Columna Resonante
t
tG
Fijo FijoFijo
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Columna Resonante
Frecuencia
máx
Fre
cuencia
de r
esonancia
f1 f2
máx
rf
ffD
212
fr
Columna Resonante
Frecuencia
máx
Fre
cuencia
de r
esonancia
f1 f2
máx
rf
ffD
212
fr
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Módulo Resiliente de SFG
s1= sd + s3
s3
dpdt
dr
Módulo Resiliente de SFG
s1= sd + s3
s3
dpdt
dr
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COMPORTAMIENTO RESILIENTE DE SUELOS FINO GRANULARES (Artículo de revista EAFIT)
JULIÁN VIDAL VALENCIA
RODRIGO OSORIO MORA
Palabras clave: Módulo resiliente, suelos finogranulares, subrasante, triaxial cíclico Keywords: Resilient modulus, subgrade, triaxial cicly Resumen En el presente trabajo se determinó el módulo resiliente para dos tipos de suelos (CL y MH), útiles como materiales de subrasante. Se ensayaron muestras en estado natural y compactadas, a las cuales se les varió el estado de humedad con el fin de determinar la variabilidad del módulo resiliente y la deformación bajo cargas cíclicas, impartidas por un pistón servo controlado de un equipo triaxial cíclico, empleado comúnmente para este tipo de ensayos. Se aplicó la metodología de ensayo prevista en la norma del Instituto de Vías INV E 156 y en ocasiones se trabajo con esfuerzos de confinamiento de cero para conocer la respuesta del suelo en un estado crítico. Se realizaron también ensayos para determinar las propiedades físicas y mecánicas estáticas. En estas últimas se verificó lo colapsable del suelo, haciendo un ensayo de compresión simple en estado de humedad natural y otro con la muestra saturada, encontrando que en el suelo limoso en estado saturado, la resistencia a la compresión fue 10 veces menor. En cuanto al módulo resiliente, se observó que el suelo limoso presenta un alto módulo resiliente y el suelo arcillo un intervalo más amplio de dicho valor, pero en ambos casos se presenta una buena calidad del material como uso de subrasante, sea en estado natural o compactado, con humedad natural o saturado al 100%. Abstract Presently work was determined the resilient modulus for two types of floors (CL and MH) useful as subgrade materials. Samples were rehearsed in natural and compact state to which were varied states of humidity with the purpose of determining the variability the resilient modulus and the deformation under it loads recurrent very commonly imparted by a controlled servo of a equip triaxial recurrent employee for this type of rehearsals. You applies the rehearsal methodology in the norm of the Instituto de Vías INV E 156 and in occasions you work with lateral stress of zero to know the answer of the soils in a critical state. They were also carried out rehearsals to determine the physical properties and
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static mechanics. In these last ones the colapsable of the soil was verified making a rehearsal of simple compression in state of natural humidity and others with the saturated sample, finding that in the soil the resistance to the compression was 10 times minor in the saturated soil. As for the resiliente module it was observed that the soil presents a high module resiliente and the CL a wider interval of this value, but in both cases a good quality of the material is presented as subgrade use, be in natural state or compacted, with natural humidity or saturated to 100%. Introducción El diseño de pavimentos por métodos empírico mecanistas involucra parámetros que de alguna manera afectan el dimensionamiento de las capas de la estructura del pavimento, dentro de los cuales cabe destacar: el medio ambiente (temperatura, precipitación y humedad), espectros de carga y propiedades mecánicas de los materiales bajo solicitaciones dinámicas y cíclicas, tal como se trabaja en la guía de diseño AASHTO 2002 y en el CSIR de Sur África, entre otros. Relacionar las propiedades mecánicas, tales como el módulo dinámico y la relación de Poisson en un método de diseño, origina un aporte hacia la objetividad del diseño, la economía y la durabilidad. Un efecto que es claro ante este hecho es: un material con mayor módulo dinámico y menor relación de Poisson, representa un menor espesor de capa. Algunos métodos tradicionales han empleado las propiedades mecánicas sólo con fines de control de calidad, se especifica que un material debe tener un valor mayor o igual, pero dicho valor no se involucra en el algoritmo de diseño. La determinación de dichas propiedades dinámicas de los materiales, requiere de equipos que logren simular las cargas de los vehículos, lo que los hace muy costosos; más aún, podríamos pensar en realizar ensayos a escala real, para lo cual se utilizan las pistas de pruebas o vehículos simuladores, los cuales tienen un alto costo. En el presente trabajo se determina el módulo resiliente de suelos finogranulares presentes en el Valle de aburra, sobre los cuales se han previsto obras de importancia aún sin ejecutar y se hace un pequeño tratado sobre esta propiedad. Obedece entonces a la ingeniería acoger las nuevas metodologías de diseño en pro de un beneficio para las obras de infraestructura, como los pavimentos.
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1. CONCEPTUALIZACIÓN 1.1 Las cargas Las cargas que imparten los vehículos sobre las estructura de un pavimento, deben llegar a la subrasante, minimizadas de acuerdo con la capacidad estructural que esta tenga. Las cargas de los vehículos son de tipo dinámico y cíclico, además varían en intensidad, frecuencia y duración. La complejidad de éstas generan un estado de esfuerzos en un punto del suelo de subrasante de gran interés, al estar el vehículo en movimiento, tal como se representa en la Figura 1. Para el caso de la rueda en posición a la derecha, los esfuerzos cortantes son diferentes de cero y, en sentido contrario, al caso de la rueda en posición a la izquierda, los esfuerzos verticales y horizontales en ambos casos son menores en la situación en que la rueda está encima del punto A, donde los esfuerzos verticales y horizontales son máximos y los cortantes son cero.
Figura 1: Estado de esfuerzos en la subrasante originados por una carga en movimiento
Durante este proceso de carga, el suelo presenta una deformación total equivalente a la carga soportada, una deformación permanente y una recuperada;
esta última expresada unitariamente (r), se utiliza en la determinación del módulo
t
t t
s
V
s
V
s
h
s
h
s
V
s
V
s
V
s
V
s
h
s
h
s
h
s
h
t
Estructura pavimento
A
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resiliente en pruebas de laboratorio al relacionarla con el esfuerzo desviador (sd), tal como se presenta en la ecuación 1.
r
d
rM
s (1)
1.2 Modelos empleados 1.2.1 Modelo Bilineal Este modelo fue desarrollado por Thompson y Robnett en 1976, quienes proponen la siguiente relación constitutiva expresada en las ecuaciones 2 y 3.
(3) cuando ,
(2) cuando ,
43
21
dtdd
dtdd
KKMr
KKMr
sss
sss
En la Figura 2 se detalla el modelo.
Mr
K3
1
K2
1
K1 sd
Figura 2: Modelo bilineal propuesto por Thompson y Robnett
K1, K2, K3 y K4 dependen del tipo de suelo y su estado geomecánico. K1 y K2 corresponden a la abscisa y la ordenada del punto de intersección de las rectas que configuran el punto de quiebre. K3 y K4 corresponden a las pendientes de cada una de las líneas rectas que constituyen el modelo.
K4
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En el año 1979, se recomendó emplear el modelo que se expresa en las ecuaciones 4 y 5.
(5) para ),(
(4) para ),(
1142
1132
dd
dd
KKKKMr
KKKKMr
ss
ss
1.2.2 Modelo de Energía (Power Model)
Este modelo se expresa mediante la ecuación 6
(6) n
dKMR s
En donde K y n son parámetros dependientes del tipo de suelo y del estado físico (n es usualmente negativo). Moossazadeh y Witczak (1981) adoptaron este modelo y obtuvieron buenos resultados en tres suelos finogranulares de San Diego, Illinois y Maryland; con un rango de K = 0 hasta K = 200 y n = -1.0 hasta n = 0, para el módulo resiliente (ksi) y el esfuerzo desviador (psi). Pezo et al. (1991) utilizaron este modelo y obtuvieron un rango de K = 6000 hasta K = 55000 y n = -0.34 hasta n = -0.04 para suelos de Austin, para el Modulo Resiliente (psi) y el esfuerzo desviador (psi). Además, Brown et al. (1975) y Brown (1979) propusieron un modelo similar, pero
considerando el esfuerzo efectivo de confinamiento (s’3) para suelos saturados
sobreconsolidados, tal como se presenta en la ecuación 7:
(7) d
dnKMr
s
s
2. Equipo Se empleó un triaxial cíclico capaz de aplicar cargas servocontroladas de tipo sinusoidal media, con duración de carga, tiempo de relajación, número de ciclos, presión de confinamiento y esfuerzos desviadores definidos por el usuario o por medio de plantillas predefinidas. Este equipo está dotado de instrumentación eléctrica para deformación, carga y presión de confinamiento. En la foto 1 se presenta una imagen del equipo utilizado y en la tabla 1, una de las secuencias utilizadas.
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Foto 1: Equipo triaxial Cíclico GCTS
Combinación
de esfuerzos
Presión de
confinamiento
(kPa)
Esfuerzo Desviador Nominal
(kPa)
Aplicación
carga por
secuencia
Adecuación 41,4 27,6 500-1000
Primera 41,4 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9 100
Segunda 27,6 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9 100
Tercera 13,8 13,8 27,6 41,4 55,2 68,9 100
Tabla 1: Secuencia INV E 156-07
3. Muestras de ensayo Se eligieron dos puntos para el estudio del Valle de Aburra, donde hay previstas obras de importancia aún sin ejecutar. Se tomaron muestras de tipo inalterado y alterado. Las inalteradas se ensayaron en condiciones de humedad natural y algunas al 100% de saturación. Las muestras alteradas se utilizaron para elaborar curvas de compactación y cada punto útil de la curva se utilizó para realizar el ensayo de módulo resiliente. En la tablas 2 y 3 se presentan los resultados de ensayo de propiedades físicas y mecánicas de los suelos ensayados.
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Clasificación CBR Expansión qu Arena Limo Arcilla
USCS AASHTO Natural Saturado Total (%) kgf/cm² % % %
MH 21 11 0.2
MH 11 6 1.1
MH 28 2 0.5
MH A-7-5 43 31 0.4 6.7 3.4 63.2 33.4
MH A-7-5 34 20 1.6 10.5 13.5 48.5 38
CL 5 7 0.3
CL A-7-6 8 5 0.3 0.8 23.5 48 28.6
Tabla 2: Propiedades de los suelos utilizados
4. Resultados 4.1 Factores que afectan el módulo resiliente Se presentan los factores como una fase de los resultados, pues algunos de estos fueron comprobados en el laboratorio. 4.1.1 Número de repeticiones de carga En las figuras 3 y 4 se presenta el cambio de la deformación y el módulo resiliente respecto al número de ciclos de carga. 4.1.2 Esfuerzo desviador Durante el ensayo, a medida que se incrementa el esfuerzo desviador, el módulo resiliente decrece rápidamente, sin embargo la variación no es muy considerable a valores iguales o mayores a 40 kPa. Para nuestro caso, se evidencia en los ensayos realizados que dicho valor es del orden de los 25 kPa. Se presenta en la figura 5 un ensayo realizado sobre una muestra inalterada de suelo limoso.
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Muestra Descripción Localización Gs S Tipo
(%) (%) (kN/m³) Muestra
A14M5 Arcilla gris Cl30 con 73 2.66 17.7 88.7 17.07 Inalterada
A22M5 Arcilla gris Cl30 con 69 2.65 22.8 100.0 16.39 Inalterada
A28M4 Arcilla gris Cl30 con AGA 2.73 26.2 100.0 15.62 Inalterada
A30M6 Arcilla gris Cl30 con 55 2.66 24.7 88.1 14.96 Inalterada
A33M4 Arcilla gris Cl30 con 54A 2.65 27.1 97.1 14.94 Inalterada
A39M6 Arcilla gris Cl30 con 49 2.66 20.6 91.9 16.36 Inalterada
ROM6 Lodo Arcilloso Centro La Moda * * * 12.55 Inalterada
643 Mr 1 Limo Loma Bernal 2.69 25.9 97.7 19.37 Inalterada
643 Mr 2 Limo Loma Bernal 2.69 29.7 100.0 14.90 Inalterada
643 Mr 3 Limo Loma Bernal 2.69 25.1 88.5 15.30 Inalterada
1 Limo Loma Bernal 2.69 19.6 76.4 15.63 P.
Modificado
2 Limo Loma Bernal 2.69 23.8 94.6 15.72 P.
Modificado
3 Limo Loma Bernal 2.69 27.4 99.7 15.17 P.
Modificado
4 Limo Loma Bernal 2.69 19.6 73.4 15.37 P.
Modificado
5 Limo Loma Bernal 2.69 26.0 80.0 15.22 P.
Modificado
6 Arcilla gris Centro La Moda 2.56 17.1 75.2 15.86 P.
Modificado
7 Arcilla gris Centro La Moda 2.56 20.2 85.8 15.67 P.
Modificado
8 Arcilla gris Centro La Moda 2.56 24.0 96.0 15.30 P.
Modificado
9 Arcilla gris Centro La Moda 2.56 29.5 100.0 14.38 P.
Modificado
10 Limo Loma Bernal 2.69 18.3 62.7 1.51 Inalterada
11 Limo Loma Bernal 2.69 16.9 60.4 1.53 Inalterada
12 Limo Loma Bernal 2.69 27.7 0.0 19.16 Inalterada
13 Limo Loma Bernal 2.69 27.7 0.0 19.36 Inalterada
14 Limo Loma Bernal 2.69 27.7 100.0 15.74 Inalterada
15 Limo Loma Bernal 2.69 27.7 99.9 15.11 Inalterada
16 Limo Loma Bernal 2.69 23.4 91.5 15.63 Inalterada
17 Limo Loma Bernal 2.69 24.6 85.1 14.84 Inalterada Tabla 3: Propiedades de los suelos utilizados
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Suelo: Limo Arenoso
Muestra inalterada
Peso unitario húmedo = 20.2 kN/m3
Peso unitario seco = 17.9 kN/m3
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035
0.004
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Número de ciclos
De
form
ació
n u
nit
ari
a (
mm
/mm
)
Def unit resiliente
Def unit permanente
Def unit total
Figura 3
Figura 4
L im o d e l S to ck d e las E stan c ias
E sfu erzo d esv iad o r = 27 kP a P res ió n d e cám ara = 41 ,4 kP a
H u m ed ad = 35% P eso u n ita rio seco = 13 kN /m 3
G rad o d e sa tu ració n = 91 ,4 %
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
0 5000 10000 15000 20000
C ic lo s
MR
(M
Pa
)
PAVIMENTOS BÁSICO Notas de Clase Docente: Julián Vidal Valencia Julio de 2007 Uso Exclusivo para estudiantes de Ing. Civil EAFIT
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80000
90000
100000
110000
120000
130000
140000
150000
160000
170000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
Esfuerzo Desviador (kPa)
Mó
du
lo R
es
ilie
nte
(kP
a)
41,4 kPa
27,6 kPa
13,8 kPa
Figura 5
4.1.3 Grado de saturación
En la mecánica de suelos se ha demostrado ampliamente que ensayos realizados
sobre muestras de suelos inalteradas y compactadas en estado de humedad
natural y sometidas a saturación, el valor de la resistencia al corte es mucho
menor en las muestras saturadas. En la Figura 6 se presenta la variación del
módulo resiliente al aumentar el grado de saturación.
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Efecto de la Saturación en el Mr
Mr = 4000000sd-0.9058
Mr = 2000000sd-0.9194
10000
100000
1000000
10 100
Esfuerzo Desviador (kPa)
Mó
du
lo R
es
ilie
nte
(k
Pa
)
S = 76.4% S = 99.7%
Figura 6
4.1.4 Peso unitario
En la medida que crece el peso unitario de los suelos, el módulo resiliente aumenta, debido a que la compresibilidad disminuye con el crecimiento del peso unitario, y la rigidez aumenta. Lo anterior hace evidente que suelos más rígidos tengan Mr altos, pues en estos la deformación permanente es baja y por ende la deformación resiliente también. Cuando se estudia el efecto del peso unitario seco, se debe tener presente el comportamiento por efecto de la humedad. En la Figura 7 se presentan el resultado sobre una muestra compactada con la energía Proctor Modificado, sobre un limo.
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Suerlo: Arcilla (CL)
10000
100000
1000000
10 100
Esfuerzo desviador (kPa)
Mó
du
lo R
es
ilie
nte
(kP
a)
15.49 kN/m³ 15.81 kN/m³ 15.70 kN/m³ 14.47 kN/m³
Figura 7
4.1.5 Presión de confinamiento
Es de esperarse que presiones de confinamiento altas arrojen valores de módulo
resiliente altos. En los ensayos de laboratorio ese fenómeno no se presenta de
forma evidente para los esfuerzos de confinamiento sugeridos por las normas, más
aún en el caso de esfuerzos desviadores altos, donde el Mr tiende a dar muy
parecido para los diferentes esfuerzos de confinamiento. En la Figura 8 se presenta
un ensayo realizado a un suelo limoso.
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Figura 8
Figura 8
6.2 Módulo resiliente y algunas propiedades importantes 6.2.1 Módulo resiliente de muestras inalteradas, compactadas y modelos aplicados En la tabla 4 se presentan los resultados obtenidos en el modelo bilineal y el de Power Model, al igual que en las tablas 4 y 5 para muestras compactadas. Se incluyó además en estas tablas una relación tipo Power Model para el caso de la deformación. Para poder comparar los resultados con el modelo original se cambió la notación como se presentan en las ecuaciones 8 y 9.
(9) cuando ,
(8) cuando ,
34
12
dtdd
dtdd
KKMr
KKMr
sss
sss
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 20 40 60 80
Esfuerzo desviador (kgf/cm²)
Mó
du
lo R
es
ilie
nte
(k
gf/
cm
²)
41.4 kPa 27.6 kPa 13.8 kPa 100 kPa
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Muestra Mr (kPa) Mr (kPa) s3 K1 (kPa) K2 (kPa) K3 K4 (kPa)
643MR1 30000000*sd-1.4444 975.58*D-0.6066 224785 23.55 49619 3120
41.4 257082 23.50 58569 4029
27.6 209827 23.66 81874 2766
13.8 207446 23.50 8413 2564
643MR2 100000000*sd-1.8752 517.91*D-0.6867 285149 30.89 58145 4310
0.0 194030 30.59 50115 2724
13.8 259297 31.55 56665 3834
27.6 331955 31.04 92151 5217
41.4 355314 30.39 33647 5464
643MR3 20000000*sd-1.0156 3415.2*D-0.5190 495123 30.89 42054 5522
0.0 451055 30.59 55675 4781
13.8 473115 31.55 31825 5110
27.6 527382 31.04 34271 6294
41.4 528938 30.39 46444 5905
1 4000000*sd-0.9058 1413*D-0.5623 200901 20.68 42431 2389
13.8 175250 20.43 20180 1498
27.6 193713 21.04 63456 2384
41.4 233739 20.57 43656 3284
11 1000000*sd-0.5740 6459.6*D-0.3947 187029 24.99 17642 799
13.8 176296 24.96 14659 599
27.6 190212 25.17 20799 874
41.4 194578 24.83 17468 923
11(1) 1000000*sd-0.5346 7150.6*D-0.3825 183410 25.50 15730 663
13.8 163710 26.57 9941 189
27.6 190556 25.22 22870 949
41.4 195965 24.72 14378 850
11(3) 4000000*sd-0.5346 1787.9*D-0.5482 194697 24.75 37423 1064
13.8 183751 24.95 66936 1094
27.6 202224 24.22 29602 1106
41.4 198115 25.07 15732 991
2 3000000*sd-0.8063 2785.2*D-0.4851 198859 25.47 20448 2136
13.8 193975 22.84 17270 1577
27.6 170175 32.15 4003 1677
41.4 232428 21.40 40070 3155
2(1) 877424*sd-0.3104 8910.9*D-0.3935 276970 30.32 21432 724
13.8 286833 30.99 10543 1026
27.6 283010 30.49 7050 822
41.4 261066 29.49 46702 325
2(2) 354737*sd-0.1309 76857*D-0.1216 218756 29.78 2631 256
13.8 215078 30.46 1533 178
27.6 212710 29.39 2842 181
41.4 228480 29.49 3517 407
Tabla 4
PAVIMENTOS BÁSICO Notas de Clase Docente: Julián Vidal Valencia Julio de 2007 Uso Exclusivo para estudiantes de Ing. Civil EAFIT
Página 58 de 173
Muestra Mr (kPa) Mr (kPa) s3 K1 (kPa) K2 (kPa) K3 K4
(kPa)
3 2000000*sd-0.6743
1438.5*D-0.5642
188454 25.16 17351 1508
13.8 206917 21.98 34090 1954
27.6 195336 21.40 13702 1581
41.4 163109 32.09 4262 991
3(1) 514612*sd-0.3020
22427*D-0.2417
178621 24.88 6305 662
13.8 174321 24.57 5795 526
27.6 166830 24.97 5944 550
41.4 194713 25.10 7176 910
5(4) 286137*sd-0.2588
15333*D-0.2345
110260 19.46 4193 631
13.8 108484 19.20 3906 547
27.6 102854 20.12 4369 492
41.4 119441 19.06 4304 854
7 327629*sd-0.3009
10047*D-0.2962
93875 17.90 15303 472
13.8 81771 17.87 3629 614
27.6 90451 18.42 13881 545
41.4 109404 17.39 28399 259
8 73244*sd-0.0585
102014*D-0.0173
81732 19.53 584 358
13.8 75766 19.12 597 458
27.6 76723 18.49 103 369
41.4 92707 20.98 2245 247
9 96682*sd-0.3454
4970.4*D-0.2594
41756 11.10 2299 586
13.8 45845 11.55 1535 708
27.6 40743 10.40 2564 545
41.4 38679 11.36 2797 505
4(1) 208016*sd-0.0623
96274*D-0.0649
164903 31.34 812 87
13.8 159223 39.59 421 79
27.6 161181 26.92 474 54
41.4 174306 27.51 1543 128
4 273489*sd-0.1459
51209*D-0.1370
161637 26.20 2574 238
13.8 155767 25.56 1648 202
27.6 156504 26.49 2710 200
41.4 172641 26.55 3366 313
5(5) 248889*sd-0.2144
0.2918*D-1.0960
123463 21.29 3013 429
13.8 118064 20.82 3301 328
27.6 126775 20.88 3705 511
41.4 125549 22.16 2033 447
5(6) 162847*sd-0.0956
55928*D-0.0899
119885 23.48 805 236
13.8 114683 24.01 643 115
27.6 119231 23.64 1026 265
41.4 125742 22.79 745 328
Continuación tabla 4
PAVIMENTOS BÁSICO Notas de Clase Docente: Julián Vidal Valencia Julio de 2007 Uso Exclusivo para estudiantes de Ing. Civil EAFIT
Página 59 de 173
Muestra Mr (kPa) Mr (kPa) s3 K1 (kPa) K2 (kPa) K3 K4 (kPa)
5(7) 354880*sd-0.3013
17201*D-0.2397
128255 21.66 5318 441 13.8 120407 21.61 5504 175
27.6 131658 21.82 4497 550
41.4 132700 21.56 5954 597
7(1) 377407*sd-0.3111
8288.5*D-0.3285
92343 18.80 20478 754 13.8 88575 18.79 10081 799
27.6 90124 18.75 6976 763
41.4 98330 18.87 44378 701
8(1) 172619*sd-0.0800
57175*D-0.0995
110931 23.47 3605 529
13.8 103862 22.39 3690 604
27.6 101430 22.31 4840 637
41.4 127502 25.71 2284 346 8(2) 146110*sd
-0.0518 68018*D
-0.0710 102967 23.91 3028 588
0.0 102967 23.91 3028 588
8(3) 7000000*sd-0.9988
2172*D-0.5262
200429 23.39 59281 1100
0.0 200429 23.39 59281 1100 9(1) 104589*sd
-0.3465 4943.7*D
-0.2677 42726 12.80 2660 502
13.8 43045 13.94 2516 431
27.6 42795 11.23 4354 466
41.4 42338 13.22 1111 609 9(2) 506246*sd
-0.5047 6045.4*D
-0.3381 110412 19.42 5500 1422
13.8 117971 19.82 4894 1120
27.6 107589 19.29 7399 1315
41.4 105677 19.15 4208 1829 9(3) 196524*sd
-0.6707 1176.1*D
-0.4302 35617 9.42 10525 612
13.8 37053 9.28 4912 699
27.6 37967 8.93 22614 698
41.4 31830 10.04 4049 438
9(4) 193370*sd-0.5091
2804.2*D-0.3534
51862 11.41 6191 762
13.8 50820 12.27 2198 696
27.6 58900 11.14 5797 1069
41.4 45867 10.81 10578 519 A22M5 430772*sd
-0.2675 25788*D
-0.2201 168766 27.26 3823 496
13.8 160959 34.34 453
27.6 173636 23.27 7150 576
41.4 171702 24.18 4368 458 A28M4 297991*sd
-0.4308 6328.1*D
-0.3083 79552 19.25 3907 769
13.8 80795 19.47 2020 911
27.6 77311 19.18 5632 711
41.4 80550 19.11 4069 685
ROM6-2 26156*sd-0.1540
9214.6*D-0.0826
15091 30.50 168 25
13.8 15128 30.45 145 29 27.6 15235 30.39 162 27 41.4 14909 30.66 197 18
Continuación tabla 4
PAVIMENTOS BÁSICO Notas de Clase Docente: Julián Vidal Valencia Julio de 2007 Uso Exclusivo para estudiantes de Ing. Civil EAFIT
Página 60 de 173
K1 (kPa) K2 (kPa) K3 K4
Mínimos 14909 8.9 103 18
Máximos 528938 39.6 92151 6294
Promedio 271924 24 46127 3156 Fin tabla 4
s3
Limo (kPa)
1 4000000*sd-0.9058 1413*D
-0.5623200901 20,68 42431 2389
13,8 175250 20,43 20180 1498
27,6 193713 21,04 63456 2384
41,4 233739 20,57 43656 3284
2 3000000*sd-0.8063 2785.2*D
-0.4851198859 25,47 20448 2136
13,8 193975 22,84 17270 1577
27,6 170175 32,15 4003 1677
41,4 232428 21,40 40070 3155
3 2000000*sd-0.6743 1438.5*D
-0.5642188454 25,16 17351 1508
13,8 206917 21,98 34090 1954
27,6 195336 21,40 13702 1581
41,4 163109 32,09 4262 991
4 273489*sd-0.1459 51209*D
-0.1370161637 26,20 2574 238
13,8 155767 25,56 1648 202
27,6 156504 26,49 2710 200
41,4 172641 26,55 3366 313
5(4) 286137*sd-0.2588 15333*D
-0.2345110260 19,46 4193 631
13,8 108484 19,20 3906 547
27,6 102854 20,12 4369 492
41,4 119441 19,06 4304 854
Mínimos 102854 19,1 1648 200
Máximos 233739 32,2 63456 3284
Promedio 168297 25,6 32552 1742
MUESTRAS COMPACTADAS
K4K2K1 K3
Tabla 5
PAVIMENTOS BÁSICO Notas de Clase Docente: Julián Vidal Valencia Julio de 2007 Uso Exclusivo para estudiantes de Ing. Civil EAFIT
Página 61 de 173
s3
Arcilla (kPa)
7 327629*sd-0.3009 10047*D
-0.296293875 17.90 15303 -472
13.8 81771 17.87 3629 -614
27.6 90451 18.42 13881 -545
41.4 109404 17.39 28399 -259
8 73244*sd-0.0585 102014*D
-0.017381732 19.53 584 -358
13.8 75766 19.12 597 -458
27.6 76723 18.49 103 -369
41.4 92707 20.98 2245 -247
9 96682*sd-0.3454 4970.4*D
-0.259441756 11.10 2299 586
13.8 45845 11.55 1535 708
27.6 40743 10.40 2564 545
41.4 38679 11.36 2797 505
Mínimos 38679 10 103 -614
Máximos 233739 32 63456 3284
Promedio 136209 21.3 31780 1335
K4
MUESTRAS COMPACTADAS
K2K1 K3
Tabla 6
7. Observaciones
7.1 Se evaluó la repetibilidad del ensayo para los dos tipos de suelos en estudio, desde el punto de vista que la prueba no es destructiva. En la tabla 7 se presentan los resultados obtenidos. Se concluye que no es un ensayo fácil de realizar y que muchos parámetros pueden afectar el resultado.
Prueba
Módulo Resiliente (kPa)
Arcilla Limo-1 Limo-2
1 63576 103348 -
2 73297 118435 62697
3 78633 118585 69704
4 - 130598 50312
Promedio 71835 117742 60904
Desviación Estándar 7634 11160 9820
Coeficiente de variación 10,6 9,5 16,1
Tabla 7
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7.2 Se evaluó la repetibilidad del equipo utilizando una muestra sintética de caucho natural y se encontraron los siguientes resultados, los cuales se presentan en la tabla 8
Prueba Mr (promedio) S CV Dispositivo Onda Observaciones
kPa kPa % Medición Deform empleada
NEO1-1 22526 619 2.75 Interno Senosoidal
NEO1-2 22289 235 1.06 Externo Senosoidal
NEO1R1 22690 566 2.49 Interno Senosoidal Repetición
NEO1R2 22256 326 1.46 Externo Senosoidal Repetición
NEO2-1 22059 201 0.91 Interno Triangular
NEO2-2 21953 424 1.93 Externo Triangular
NEO3-1 18152 547 3.01 Interno Senosoidal Periodo largo
NEO3-2 18325 233 1.27 Externo Senosoidal Periodo largo
NEOP1-1 22188 110 0.50 Interno Senosoidal
NEOP1-2 22231 99 0.45 Externo Senosoidal
NEOP1R1 22197 178 0.80 Interno Senosoidal Repetición
NEOP1R2 22358 137 0.61 Externo Senosoidal Repetición
NEOP2-1 21935 160 0.73 Interno Triangular
NEOP2-2 22271 100 0.45 Externo Triangular
NEOP3-1 18068 163 0.90 Interno Senosoidal Periodo largo
NEOP3-2 18472 108 0.58 Externo Senosoidal Periodo largo Tabla 8
8. Conclusiones 8.1 No se recomienda el uso de correlaciones con otras pruebas que midan la capacidad de soporte se los suelos de subrasante, debido a la gran dispersión que generan. Lo más adecuado es que estás sean generadas en una región para el uso en la misma y sin embargo así se encuentran valores alejados de la realidad. 8.2 Para el caso de las muestras compactadas se evidencia el siguiente comportamiento: 8.2.1 Al comparar los resultados de la rama seca y húmeda de la curva de compactación, se evidencia que el módulo resiliente es mayor en la rama seca. 8.2.2 El suelo en la rama húmeda presenta una mayor deformación permanente 8.2.3 Los módulos obtenidos en los suelos ensayados caracterizan a estos como de buena calidad, pues son bastante altos. Al compararlos con los resultados obtenidos por Thompson y Elliot (ver tabla 9), estos estarían en el grupo de los suelos de consistencia muy rígida.
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Consistencia
K1
(kPa)
K2
(kPa)
K3 K4 Mrmáximo
(kPa)
Mrmínimo
(kPa)
Muy Blanda 6900 43 1110 0 39000 6900
Blanda 21000 43 1110 178 53000 12600
Media 53000 43 1110 178 85000 32500
Rígida 85000 43 1110 178 117000 52500
Tabla 9: Resultado obtenidos por Thompson y Elliot
8.2.4 En algunos casos se recomienda colocar una capa de mayor rigidez sobre las superficies de carga axial, pues la irregularidad y la falta de axialidad, pueden afectar desfavorablemente el resultado del módulo resiliente 8.3 El comportamiento del módulo resiliente para suelos fino granulares y gruesos granulares en función del esfuerzo desviador es típico. Es de esperarse que el Mr disminuya en los suelos fino granulares a medida que aumentamos el esfuerzo desviador y en el caso de los gruesos granulares se presenta un mejoramiento del suelo. En el caso de suelos mixtos, como el caso de la arcilla (CL) la cual tienen un gran contenido de arena, encontramos que se comporta como un híbrido, pues en un principio el módulo disminuye y posterior aumenta. La ecuación constitutiva de este suelo se debate entre un comportamiento fino granular y uno gruesos granular 8.4 La caracterización dinámica de los materiales empleados en la construcción de carreteras, genera su importancia en la reducción de costos, estructuras durables, y acordes a las solicitaciones reales de los proyectos. 9. Bibliografía
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CAPÍTULO 3: FACTORES QUE AFECTAN LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES GRANULARES DE SUBBASE Y BASE
1. Introducción Las capas de la estructura de los pavimentos deben mantener sus propiedades a través del tiempo y bajo las solicitaciones para las que fueron diseñadas. La estabilidad se puede ver afectadas por varios factores, desde los materiales hasta el proceso constructivo, y porque no decirlo las condiciones de trabajo de la estructura. La estabilidad entonces se ha previsto desde el momento que se crean las especificaciones de los materiales y procesos constructivos, pero hay condiciones que no permiten tener condiciones ideales, pero si cercanas o en los límites permitidos, por lo que es importante estudiar o conocer algunos de los parámetros asociados a la estabilidad de las capas de base y subbase granulares no tratadas. 2. Transmisión de cargas La transmisión de la cargas dentro de una material grueso granular, depende del grado fricción entre partículas, la superficie específica de contacto, el acomodamiento, la densidad y otros. La resistencia al corte en las capas de suelos gruesos granulares depende en gran parte del coeficiente de fricción entre partículas y este a su vez del área superficial involucrada en respuesta a una fuerza normal, tal como se muestra en la figura 1. F = N* f(A), donde: F: Fuerza de corte N: Fuerza normal f: Fricción A: Área superficial de contacto
Figura 1
N
f(A)
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Con el fin de explicar la transferencia de cargas podemos hacer un arreglo tal como el que se muestra en la figura 2, que aunque no representan el acomodo natural de las partículas, si permiten explicar el fenómeno. Podemos aplicar una carga a una partícula, que al estar en contacto con otros, transmite la carga dependiendo del área de apoyo, dicha área es difícil de medir, por lo que la omitiremos y deduciremos que la carga aplicada se distribuye en dos partes; sucesivamente ocurrirá de la misma manera, dividiéndose la carga en el número final de partículas.
Figura 2
3. Factores que afectan la estabilidad de loa materiales gruesogranulares 3.1 Contenido de finos El contenido de finos en los materiales de afirmados, subbase y base deben ser controlados, pues estos pueden afectar considerablemente la compactación en cuanto a densidad alcanzada y facilidad del proceso. Los materiales que carecen de finos, son difíciles de compactar aunque logran tener una buena resistencia al corte (ver figura 3). Los materiales con algo de finos, generalmente pocos finos, mejoran la resistencia al corte y facilitan la compactación, aunque en términos generales los rendimientos no son buenos (ver figura 4). Los materiales con contenido óptimo de finos, permiten una adecuada compactación y una buena resistencia al corte (ver figura 5). En los materiales con excesos de finos, la resistencia al corte disminuye, pues los agregados tienden a flotar en una matriz arenosa; la compactación de estos es fácil (ver figura 6).
P
P
P
P/2 P/2
P
P/n P/n P/n
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Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6
3.2 Fracturación Es importante que para el trabajo que desarrollan las capas de subbase y base, exista una trabazón entre las partículas que colaboren en incrementar la resistencia al corte del material. Los materiales utilizados para subbases y bases y en algunas ocasiones los de afirmados, son una mezcla de materiales de depósitos aluviales y materiales triturados, por lo que se acostumbra determinar en porcentaje de la cantidad de partículas con caras fracturadas (una o más) presente en dichos materiales 3.3 Presencia de suelos cohesivos Los suelos cohesivos presentes en materiales para subbases y bases, pueden ser denominados como finos nocivos o finos no deseables, que pueden desestabilizar las capas por la disminución de la resistencia al corte (expansión, flotación, lubricación), esto siempre y cuando la cantidad no sea controlada. Algunas investigaciones en las que realizaron ensayos triaxiales, demostraron que el aumento de la plasticidad puede llevar al aumento de la resistencia al corte, por lo que es importante la presencia de estos en los materiales de dichas capas; eso si, estudiando los efectos posibles. Las especificaciones limitan el contenido por porcentaje en peso de la cantidad del material con tamaño menor a 0.075 mm y los valores de los límites de consistencia. 3.4 Resistencia a la disgregación La disgregación de los materiales pétreos se mide en función del desgaste que estos sufran por la acción de fenómenos físicos (abrasión y trituración) y químicos (desgaste por ataque del sulfatos y otros). Los fenómenos antes mencionados conllevan a la generación de finos dentro del material. Los materiales blandos son los más propensos a la generación de dichos materiales, por lo que las normas y especificaciones limitan los porcentajes de desgaste físico en un orden del 40% y en el caso de desgaste por acciones químicas del orden de un 15%.
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La generación de finos disminuye considerablemente en el tiempo la disminución de la resistencia al corte y puede acarrear otros problemas en las capas de subbase y base.
3.5 Capacidad drenante Generalmente las capas de base y subbase se construyen con características impermeables. El uso de granulometría con distribuciones uniformes o gradaciones abiertas, puede llevar a la migración de material fino de la subrasante; los finos pueden producir una disminución en la fricción y trabazón de las partículas, haciendo que la resistencia al corte disminuya. Lo anterior se puede manejar colocando una capa de material de transición, que puede ser una capa de arena de 10 cm o el uso de un geotextil. 3.6 Material particulado El material particulado o polvo presente o adherido a la superficie de las partículas, puede ser de origen arcilloso, el cual disminuye la fricción entre las partículas.
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PROPIEDADES ADICIONALES DE LAS SUBBASE PARA PAVIMENTOS DE
LOSAS DE CONCRETO
Tamaños (mm)
% p
asa
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Aumento de K por la presencia de subbase granular
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Aumento de K por la presencia de subbase granular estabilizada con cemento
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Aumento de K por la presencia de subbase de suelos-cemento
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Aumento de K por la presencia de subbase de concreto triturado
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Tipo de Estabilización
Requisitos Espesores cm
Suelos-cemento 1. Resistencia a la compresión mínima a 7 días, entre 1,4 MPa a 2,1 MPa
2. Consumo mínimo de cemento en peso igual al 5%
10 – 20
Triturado tratado
con cemento
1. Resistencia a la compresión mínima a 7 días, entre 3,5
MPa a 5,0 MPa
2. Consumo mínimo de cemento en peso igual al 3%
10 – 20
Concreto pobre o rolado
1. Resistencia a la compresión mínima a 7 días, entre 3,0 MPa a 7,0 MPa
2. Relación cemento-agregado entre 1:15 a 1:22
7,5 - 15
Suelos mejorado
con cemento
1. CBR > 3%
2. Consumo mínimo de cemento en peso igual al 3%
10 - 20
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CAPÍTULO 04: CAPAS DE RODADURA – MEZCLAS ASFÁLTICAS
Las mezclas asfálticas se utilizan para la construcción de capas de rodadura las cuales constituyen la parte superior de la estructura de los pavimentos flexibles. Dichas capas siempre están expuestas a la acción directa de la acción del tráfico vehicular y de las acciones del intemperismo, por lo que la calidad de esta es predominante en el comportamiento del pavimento y en la preservación del mismo. 1. Materiales utilizados en la fabricación de las mezclas asfálticas: Una mezcla asfáltica está constituida por materiales pétreos seleccionados y materiales asfálticos adecuados a las necesidades de diseño y del proyecto. Las mezclas asfálticas se pueden fabricar con cementos asfálticos, asfaltos líquidos o emulsiones. Los materiales asfálticos tienen la función de cubrir completamente las partículas de los agregados pétreos y servir como material ligante de las mismas. Se dice que los materiales asfálticos son impermeables, ligantes y cohesivos, que son capaces de resistir esfuerzos instantáneos, pero que fluyen por la acción de cargas permanentes y que disminuyen su consistencia al incrementar la temperatura. Funciones de los materiales asfálticos en la construcción de las estructuras de los pavimentos: Impermeabilizar la superficie de la estructura, evitando la penetración de
la lluvia con el fin de mantener el equilibrio de la estructura en cuanto a humedad se refiere. Actualmente en el mundo se trabaja en el desarrollo y uso de capas de rodadura drenantes y de textura abierta.
Impermeabilizar la masa de determinadas capas de la estructura del pavimento, haciéndolas poco sensibles a la acción del agua, tal es el caso de las capas de bases tratadas con asfalto, las cuales también tienen la función de rigidizar un poco la estructura por debajo de la carpeta asfáltica y permitir emplear un menor espesor de la estructura, encontrando menores deformaciones (pavimento semirígido) y economía
Proveer de cohesión a los materiales pétreos o granulares empleados, dotando la capa de una gran resistencia al desgaste y mecánica, mejorando de forma considerable la capacidad de soporte de la estructura, permitiendo disminuir los espesores.
2. Método para dosificación de mezclas asfálticas Uno de los métodos más utilizados es el método Marshall, el cual se usa para la fabricación de mezclas en caliente.
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Uno de los parámetros más importante en la dosificación es la determinación de las temperaturas de calentamiento de los materiales. Algunos fabricantes del producto asfáltico proveen a sus clientes el valor recomendado de calentamiento del asfalto. La temperatura de calentamiento del asfalto se determina mediante una curva de calibración de temperatura contra viscosidad (ver figura 1), de la cual se determina el intervalo de temperaturas con las cuales se logran viscosidades Saybolt Furol de 75 s a 155 s. La temperatura del agregado debe ser superior a la del asfalto en un orden de 10 ºC a 20 ºC. 3. Proceso del método de diseño: 3.1 Ensayos los materiales pétreos:
Granulometría Límites de consistencia al material que pasa el tamiz Nº 200 Resistencia al desgaste por el ataque de sulfatos Resistencia físico (máquina de los Ángeles) Caras fracturadas Densidad y absorción Índice de alargamiento y aplanamiento
3.2 Ensayos al cemento asfáltico:
Penetración Ductilidad Punto de ablandamiento Pérdida por calentamiento Prueba de la Mancha Prueba de Xileno Punto de Ignición Solubilidad en tricloro etileno o tetracolruo de carbono Peso específico
Figura 1
10
100
1000
100 110 120 130 140 150 160 170 180
Temperatura (0C)
Vis
co
sid
ad
Sa
yb
olt
Fu
rol
(se
gu
nd
os
)
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4. Dosificar lo materiales pétreos: Consiste en la determinación de la distribución granulométrica adecuado a los requerimientos de alguna institución regional, estatal o internacional (Instituto del Asfalto). Cuando se está estudiando la fuente, ya sea para su compra o explotación, este paso es de gran importancia, porque nos permite determinar el verdadero comportamiento que tienen los materiales en el proceso de trituración y la clasificación, además de la verdadera necesidad de la fabricación de otros materiales para obtener la granulometría adecuada.
5. Preparación de las probetas de ensayo Se trabajan con diferentes porcentajes de asfalto, los cuales inician generalmente del 4.5%, hasta el 7.5% en incrementos del 0.5%. Para cada incremento, se deben elaborar 3 probetas estandarizadas de 2.5 pulgadas de altura y diámetro de 4 pulgadas con 1200 g cada una; como las tres probetas corresponden a un mismo porcentaje de asfalto, es costumbre realiza una mezcla de 3600 g más un porcentaje de pérdida del 3% al 5%. En el momento de colocar la mezcla en el molde, realmente, se deben utilizar 1200 g, pues dicho peso garantiza que las probetas tengan una altura muy cercana a 2.5 pulgadas, que es una medida estándar y un parámetro de control inicial de la distribución granulométrica del material pétreo. Si esta altura es considerablemente mayor, quiere decir que se tiene mucho material grueso o que no se ha logrado buen acomodamiento del material, si por el contrario la altura es apreciablemente menor, da un indicativo de mucho finos o pocos grueso, lo que nos lleva a una nueva dosificación de dichos materiales. 6. Compactación de la mezcla Los 1200 g de mezcla asfáltica en caliente se deben compactar dentro del molde a una energía de compactación adecuada al tipo de tráfico vehicular de acuerdo a lo que especifica en la tabla 1:
Tráfico Vehicular Número de golpes por cara
Liviano 35
Mediano 50
Pesado 75
Tabla 1 Nota: Durante el proceso de compactación es importante mantener todos los implementos a la temperatura de compactación. Después de compactadas las probetas, estas se deben extraer pasados 20 minutos con el fin de evitar daños. Luego se deben dejar en reposo 24 horas en un lugar protegido de corrientes de aire, acumulación de polvo y cambios bruscos de temperatura.
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7. Mediciones y ensayos a las probetas 7.1 Medición de la altura de la probeta La altura de la probeta se mide con el fin de realizar correcciones en la dosificación de los materiales pétreos, pero se recomienda sólo hacer un porcentaje de asfalto para este fin. La otra finalidad es la de realizar la corrección al resultado del ensayo de estabilidad por efecto del área superficial lateral involucrada en el ensayo. 7.2 Peso unitario Para la determinación del peso unitario de las probetas, se aplica el principio de Arquímedes, para lo cual se hace necesario parafinar las probetas. Generalmente el peso unitario es del orden de 2.2 g/cm3 a 2.43 g/cm3
7.3 Ensayo de estabilidad La estabilidad de la probeta se define como la carga máxima que resiste la probeta cuando esta se encuentra a una temperatura de 60 ºC.. 7.4 Ensayo de flujo o deformación El flujo define como el valor de la deformación en el momento que sucede la carga máxima a una temperatura de 60 ºC. 8. Cálculos Para los ensayos de peso unitario, estabilidad y flujo, se deben obtener promedios adecuados, razón por la cual se realizan 3 probetas debido a las altas variaciones que ocurren durante le ensayo. Los resultados se pueden registrar en un formato tal como se muestra en la tabla 2
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Tabla 2
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En cuanto a otros parámetros se tienen las siguientes expresiones:
Peso específico promedio de los agregados
n
n
G
P
G
P
G
P
G
PGagr
...
100
3
3
2
2
1
1
Peso específico máximo teórico
Gasf
Asfalto
Gagr
agregGmt
%%
100
Absorción de asfalto
agregGmtGmm
GmtGmmAa
%**
Volumen de los agregados respecto al volumen total de la probeta
unitario peso el es Gb, :Donde
arg
*%
G
GbagregVagr
Volumen de vacíos con aire
100*)1(Gmm
GbVv
Volumen de asfalto efectivo
)(100 VvVagrVae
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Porcentaje de vacíos en los agregados minerales
VagrVam 100
Asfalto efectivo
100
%* agregadosAaAe
9. Resultados
Los resultados del ensayo generalmente se determinan a partir de los
gráficos de comportamiento de los resultados individuales, los cuales deben
ser complementados con toda la información obtenida de los materiales y de
la mezcla como tal. Se debe expresar un resultado final en términos de una
fórmula de trabajo que le permita al fabricante aplicarla en la planta.
Se deben realizar los siguientes gráficos:
9.1 Gráficos % de asfalto vs Densidad o peso unitario
2.300
2.320
2.340
2.360
2.380
2.400
2.420
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
% Asfalto
De
nsid
ad
(g/c
m3)
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% de asfalto vs Estabilidad
% de asfalto vs flujo
600
700
800
900
1000
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
% Asfalto
Es
tab
ilid
ad
(K
gf)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
% Asfalto
% V
ac
ios
de
Mezcla
To
tal
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% de asfalto vs Vacíos en los agregados
% de asfalto vs porcentaje de vacío lleno con asfalto
17.0
17.5
18.0
18.5
19.0
19.5
20.0
20.5
21.0
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
% Asfalto
% V
ac
ios
en
el A
gre
ga
do
40
45
50
55
60
65
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4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
% Asfalto
% V
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Lle
no
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9.3 Determinación del porcentaje óptimo de asfalto Para determinar el porcentaje óptimo de asfalto para la fabricación de la mezcla, se debe hacer uso de las especificaciones nacionales o internacionales. El instituto del asfalto recomienda los siguientes valores:
Criterios
Transito Liviano
Transito Mediano Transito Pesado
35 golpes 50 golpes 75 golpes
Min Max Min Max Min Max
Estabilidad (N) 3336 5338 8006
Estabilidad (lb) 750 1200 1800
Flujo (mm) 2 4.5 2 4 2 3.5
Flujo (0.01 pulg) 8 18 8 16 8 14
Porcentaje de vacíos 3 5 3 5 3 5
%vacíos llenos de asfalto 70 80 65 78 65 75
%vacíos en agregados Ver la siguiente tabla
Porcentaje de vacíos en los agregados minerales
Tamaño máximo VMA mínimo
Vacíos de diseño
mm ASTM 3.0 4.0 5.0
1.18 # 16 21.5 22.5 23.5
2.36 # 8 19.0 20.0 21.0
4.75 # 4 16.0 17.0 18.0
9.5 3/8" 14.0 15.0 16.0
12.5 1/2" 13.0 14.0 15.0
19.0 3/4" 12.0 13.0 14.0
25 1" 11.0 12.0 13.0
37.5 1.5" 10.0 11.0 12.0
50 2" 9.5 10.5 11.5
63 2.5" 9.0 10.0 11.0
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La forma de utilización de los valores de las especificaciones se puede realizar
de dos maneras:
Se trazan sobre las gráficas los valores especificados y se encuentra el
intervalo de porcentaje de cemento asfáltico que satisface dicho
requerimiento. De igual manera se hace para todas las gráficas. Se toma
ahora los valores de la izquierda de todos los intervalos y se selecciona el
mayor, luego se toman todos los valores de la derecha del intervalo y se
selecciona el menor. Con lo anterior se conforma un intervalo en el cual
cualquier valor contenido en este debe satisfacer los requerimientos.
Se toma el valor máximo o promedio de cada gráfica, según la
característica de la misma y luego se promedian los valores. Con el
promedio se ingresa nuevamente a las gráficas y se determina el valor de
la propiedad y se compara con la especificación.
10. Causas y efectos en las mezclas asfálticas 10.1 Baja estabilidad
CAUSA EFECTO
Exceso asfalto Exudación
Ahuellamiento
Exceso de arena
Consistencia blanda durante la
compactación y por algún tiempo
de servicio.
Dificultad durante la compactación
Agregado de partículas redondeadas,
escasa o ninguna cara fracturada
Ahuellamiento
Canalización
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10.2 Baja resistencia a la fatiga
CAUSA EFECTO
Bajo contenido de asfalto Agrietamiento por fatiga
Alto contenido de vacíos durante el
diseño de la mezcla
Envejecimiento prematuro del
asfalto
Posterior agrietamiento por fatiga
Agregado de partículas redondeadas,
escasa o ninguna cara fracturada
Envejecimiento del asfalto seguido
por el agrietamiento por fatiga
10.3 Baja resistencia al deslizamiento
CAUSA EFECTO
Agregado con tendencia a
pulimentarse Baja resistencia al deslizamiento
Exceso de asfalto Exudación
Baja resistencia al deslizamiento
Agregado de textura lisa, o mal
gradado
Pavimento pulimentable
Ocurrencia potencial de
hidroplaneo
10.4 Mezclas muy permeables
CAUSA EFECTO
Bajo contenido de ligante
La película delgada del ligante será la
causa de envejecimiento prematuro y
disgregación
Alto contenido de vacíos durante el
diseño de la mezcla
El agua y el oxigeno penetran en el
pavimento y causan oxidación y
desintegración
Deficiencia en la compactación
Alto contenido de vacíos, permitiendo
la infiltración del agua y disminución
de la estabilidad
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10.5 Mala trabajabilidad
CAUSA EFECTO
Sobre tamaños Superficie rugosa
Mezcla difícil de colocar
Baja temperatura de mezclado
Mal recubrimiento de las partículas
Poca durabilidad
Superficie rugosa
Dificultad en la compactación
Alto contenido de arena
Desplazamiento de la mezcla
durante la compactación
Mezcla blanda después de
compactada
Exceso de agregado grueso Mezcal difícil de compactar
Bajo contenido de llenante mineral o
filler
Mezcla blanda
Baja permeabilidad
Alto contenido de filler Mezcla seca y de difícil manejo
Baja durabilidad
10.6 Baja durabilidad
CAUSA EFECTO
Bajo contenido de ligante Disgregación o resequedad
Altos contenidos de vacíos por un mal
diseño o por falta de compactación in
situ
Envejecimiento prematuro de la
película de ligante, seguido por
agrietamiento y/o disgregación
Agregados de alta susceptibilidad al
agua
Descubrimiento del agregado
Tendencia a la disgregación
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11. Ensayos a los materiales
La determinación de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales son
el primer parámetro importante en la selección, aceptación, adecuación y uso
de los mismos.
11. Ensayos a los agregados minerales
11.1 Granulometría
Consisten en separar por tamices estandarizados los diferentes tamaños de
los granos presentes en una masa de suelos grueso granular y representarlos
gráficamente en función del porcentaje que pasa cada uno de los tamices.
Mediante el uso de la gráfica se puede determinar si el material es bien
gradado o uniforme, al aplicar las siguientes relaciones:
Coeficiente de uniformidad: Determina la forma de la curva y debe ser mayor
de 4 para materiales tipo grava y mayor de 6 para arenas
10
60
D
DCu
Coeficiente de curvatura: Determina la extensión de la curva y su valor debe estar entre 1 y 3 para arenas y gravas
6010
2
30
* DD
DCc
Si un material cumple con lo especificado para Cu y Cc, se dice que es bien gradado, de lo contrario es uniforme.
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11.2 Límites de consistencia para la porción de suelos fino granular
Mediante este ensayo se determina el tipo de suelo fino granular que se tiene
y la plasticidad existente en el mismo.
Los límites de consistencia corresponden al límite líquido (LL) y al límite
plástico (LP), de cuya diferencia se determina el índice de plasticidad (IP) del
suelo.
LPLLIP
Los materiales fino granulares que se utilizan deben ser de tipo no-plásticos
(NP).
11.3 Resistencia al desgaste por el ataque de sulfatos
Los sulfatos solubles en agua o algo solubles, atacan a los agregados cuando
cubren parte de la superficie o están en los poros, en el momento que
forman cristales que generan esfuerzos que pueden llegar a dividir una
partícula en dos o más fracciones o simplemente disgregar la superficie del
agregado.
Generalmente dichos sulfatos pueden estar contenidos en los agregados
minerales y en el agua lluvia o de escorrentía.
El máximo valor permitido por el desgaste sufrido por el ataque de un sulfato
de sodio es de 12% y el de u sulfato de magnesio es de 15%.
11.4 Resistencia físico (máquina de los Ángeles)
Este ensayo se hace con el fin de conocer la pérdida de material y la
alteración del mismo por la acción mecánica de los procesos constructivos de
la mezcal y de la carpeta asfáltica.
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Dicho ensayo se realiza en la máquina de los Ángeles, la cual consiste en un
tambor metálico que contiene varias esferas de acero y que rota con el
material, logrando desgastar el material por impacto, fricción y choque.
El valor máximo permitido es del orden de 40%
11.5 Caras fracturadas
Los agregados que componen el material para la mezcla asfáltica debes
corresponder a una mezcla de materiales triturados y materiales aluviales, de
ahí que los materiales provenientes de la trituración de depósitos aluviales
tengan un buen desarrollo en las mezclas asfálticas.
El hecho de tener caras fracturadas, genera mayor adherencia entre el asfalto
y el agregado y se mejora la resistencia mecánica por la ocurrencia de la
fricción.
Algunas normas manifiestan que le porcentaje de caras fracturas debe ser
mayor al 70%
11.6 Densidad y absorción
Los valores de densidad y absorción son útiles para los cálculos del diseño
Marshall.
Agregados con altos porcentajes de absorción generan mayor porcentaje de
asfalto en el diseño.
11.7 Índice de alargamiento y aplanamiento
Estos índices también se denominan índices de forma.
Las partículas alargadas y alargadas tienen incidencia en el acomodamiento
de los materiales, la permeabilidad, la resistencia mecánica y la estabilidad
(referida a mantener las condiciones iniciales) de la capa.
El máximo valor permitido de estás partículas es de 30%
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12. Ensayos al cemento asfáltico:
12.1 Penetración
Este ensayo consiste en penetrar una muestra de cemento asfáltico que se
encuentra en un recipiente normalizado de 5 cm de diámetro y 3.5 cm de
altura, a una temperatura de 25 ºC, con una aguja de un diámetro de 1 mm,
un peso de 100 g durante un periodo de 5 segundos.
La penetración es una medida indirecta de la consistencia del material, por lo
que decimos: a mayor penetración menor consistencia del material.
Este ensayo se utiliza con el fin de clasificar los cementos asfálticos y con el
propósito de aceptar o rechazar un material por no cumplir con la
especificación del pedido de la planta de mezclas.
Según este ensayo los cementos asfálticos (Asphalt Cement -AC) se clasifica
en:
AC 40 - 50
AC 60 - 70
AC 85 - 100
AC 120 - 150
AC 200 - 300
El número que acompaña a la sigla AC, corresponde al intervalo de
penetración en décimas de milímetro para las condiciones especificadas
anteriormente.
12.2 Ductilidad
El ensayo de ductilidad consiste en someter una muestra en forma de ocho,
la cual tiene un estrechamiento de 1 cm, a una elongación de 5 cm por
minuto en un medio continuo (agua) controlado a una temperatura de 25 ºC
hasta que el cemento asfáltico rompa. El valor de la ductilidad corresponde a
la longitud a la cual ocurrió el rompimiento.
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Las especificaciones colocan una valor mínimo de 100 cm de elongación para
aceptar el material.
El valor de la ductilidad es un indicativo de la disposición del cemento
asfáltico en cuanto a la afinidad con el agregado, en otros términos: a mayor
ductilidad mayor afinidad con el agregado o mayor adherencia. De todas
maneras esta definición es una generalidad, pues los asfaltos presentan un
comportamiento no Newtoniano, por lo que la variación de sus propiedades al
incrementar la temperatura o por acción de la misma son algo impredecibles.
12.3 Punto de ablandamiento
Mediante este ensayo se determina la temperatura a la cual un cemento
asfáltico se reblandece o ablanda. Se dice que, a menor temperatura de
ablandamiento existe la posibilidad de que el asfalto sea más susceptible a
los cambios de temperatura, lo que podría indicar que a pequeños cambios
de temperatura o mejor incrementos, las propiedades del cemento asfáltico
cambian apreciablemente.
El uso del resultado de este ensayo y del ensayo de penetración, nos permite
conocer el índice de penetración IP, con el cual podemos determinar que tan
susceptible es un cemento asfáltico a los cambios de temperatura. Dicho
índice se puede determinar de acuerdo a la siguiente expresión:
125
)/800log(*50
25
)/800log(*50*1020
25
25
pa
pa
T
P
T
P
IP
Donde:
P25: Penetración en décimas de milímetro a una temperatura de 25 ºC.
Tpa: Temperatura del ensayo de punto de ablandamiento
En Colombia el índice de penetración especificado es del orden de menos uno
a uno (-1 a 1), en otros países de menos dos a dos (-2 a 2). Los valores
negativos indican susceptibilidad térmica.
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12.4 Pérdida por calentamiento
Este ensayo consiste en someter una muestra de cemento asfáltico a una
temperatura de 163 ºC durante un periodo de 5 horas en un horno con el fin
de conocer la pérdida de solventes. La pérdida debe ser menor del 1.0%.
Cementos asfálticos con pérdida mayores ganan consistencia y pueden
perjudicar la durabilidad de la mezcla.
12.5 Prueba de la Mancha
Este ensayo se realiza con el fin de determinar si un cemento asfáltico ha
sufrido el proceso de cracking (altas temperaturas y altas presiones).
El ensayo consiste en lograr disolver 2 gramos del cemento asfáltico en 10.3
cm3 de Heptano normal, luego colocar una gota de dicha solución en un
papel filtro cualitativo. Cuando la gota presenta un núcleo intenso de color
negro, se dice que el resultado es positivo (el cemento asfáltico sufrió el
proceso de cracking) o si la gota es totalmente homogénea y de color café,
se dice que el resultado es negativo (el cemento asfáltico no sufrió el proceso
de cracking).
Generalmente todos los asfaltos sufren dicho proceso, pero en algunos casos
es más severo, lo que llega a perjudicar el comportamiento y durabilidad de
la mezcla asfáltica
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12.6 Prueba de Xileno
Este ensayo es complementario al de la prueba de la mancha, pues es la
manera cuantitativa de determinar que tanto sufrió el proceso de Cracking el
asfalto.
El ensayo consiste en agregar porciones de xileno y heptano normal al
cemento asfáltico, pero conservando el volumen de 10.3 cm3. Se logra la
nueva disolución y se coloca una gota de esta en el papel filtro y se evalúa de
acuerdo a los parámetros del ensayo de la mancha.
Al agregar xileno el núcleo negro de la gota va desapareciendo, por lo que se
debe adicionar cuanto porcentaje de xileno sean necesarios hasta lograr que
el núcleo desaparezca. Una adición total mayor de 30% respecto al volumen
de 10.3 cm3, hace que se rechace el asfalto.
12.7 Punto de Ignición
En este ensayo se determinan dos valores de temperatura:
Temperatura de punto de inflamación: Es la temperatura por encima de la
cual el cemento asfáltico presenta peligro de quemarse.
Temperatura de ignición: Es la temperatura a la cual o por encima de la
cual el asfalto se quema
Este ensayo se hace por razones de seguridad, generalmente en el caso del
suministro, pues algunos proveedores utilizan los mismo vehículos para
distribuir solventes y luego el asfalto, por lo que este se puede contaminar y
dichos solventes libres pueden ocasionar un accidente en el cual la planta
puede quemarse.
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13. Control de calidad a la carpeta asfáltica
13.1 Control de calidad en la planta de mezclas
Durante el proceso de fabricación de la carpeta asfáltica en caliente, se debe
tener un control adecuado de las temperaturas de calentamiento de los
agregados pétreos, del asfalto y la del proceso de mezclado.
Cuando la muestra sale del proceso de mezclado, se debe tomar una muestra
para el laboratorio para realizar los siguientes ensayos en el laboratorio de la
planta de mezclas.
Contenido de asfalto
Granulometría de material pétreo
Estabilidad y flujo
Peso unitario
Los resultados de estos ensayos se deben comparar con los valores
especificados en la fórmula de trabajo para realizar los ajustes necesarios.
13.2 Control de calidad en la obra
13.2.1 Antes de la colocación y compactación
En el momento del arribo de la mezcla, se debe verificar la temperatura, pues
esta no debe ser menor de 120 ºC o mayor de 185 ºC. También es
importante verificar dicho valor con el recomendado para la compactación,
pues si la temperatura es menor la mezcla no se puede aceptar.
Las mezclas con temperaturas mayores a 185 ºC, son mezclas quemadas, en
las cuales el asfalto puede haber sufrido un proceso de cracking, lo que hace
menos durable la mezcla asfáltica.
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Después de verificar las temperaturas y haber aceptado la mezcla, se debe
tomar una muestra representativa para enviar al laboratorio para realizar los
siguientes ensayos, los cuales se deben comparar con la fórmula de trabajo
que empleo el fabricante de la mezcla.
Algunos parámetros a tener en cuenta al recibir la mezcla El momento del recibo de la mezcla en la obra es primordial en los buenos resultados del proceso constructivo (colocación y compactación) y la evolución que tendrá la mezcla a las solicitaciones del tráfico y los agentes del intemperismo. Algunos aspectos a tener en cuenta son:
Presencia de humo azul Este puede ser un indicativo que la mezcla ha sido sobre calentada, por lo que se debe medir la temperatura de inmediato y registrarla. Temperaturas mayores a 185 ºC no son aceptables en las mezclas (algunas especificaciones dicen que este valor debe ser 163 ºC). Cuando estas se aproximan a ese valor, también nos da un indicativo del sobre calentamiento.
Apariencia dura La apariencia dura de la mezcla puede ser que esta se encuentra por debajo de las temperaturas mínimas especificadas de recibo (110 ºC a 120 ºC). Si esta mezcla se encuentra dentro de los rangos de colocación se deben realizar las labores necesarias para corregir el valor de temperatura y no rechazar la mezcla.
Asentamiento La forma como se deposita la mezcal en el camión o en un lugar de acopio, es de forma de cono invertido. Si la mezcla se ve plana, esto puede ser un indicativo de exceso de asfalto o humedad en la mezcla debido a mala protección de la misma en su almacenamiento o transporte. La protección de las mezclas se puede hacer colocando una lona impermeable, la cual contrarresta la acción del viento, agua y polvo.
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Apariencia opaca y magra (seca) Las mezclas con poco contenido de asfalto o alta presencia de agregado grueso, tienen una apariencia opaca y seca. En el caso de falta de asfalto es indeseable pues evidencia la falta de recubrimiento de los agregados, lo cual conllevará a la mezcla a un envejecimiento temprano. Si el estado es seco, el proceso de compactación será dificultoso. Otro causal de mezclas seca o con presencia de poco asfalto, es el exceso del llenante mineral. Vapor El vapor puede ser el resultado del exceso de humedad de la mezcla, que por las temperaturas elevadas de la misma, el agua se evapora. Las mezclas muy húmedas dan la impresión de tener exceso de asfalto.
Segregación Este fenómeno se identifica por la presencia de material grueso en cantidad apreciable en pie del acopio. Se puede dar por dos razones, exceso de agregado grueso o mala homogeneización. Cuando se refiere a esta última, el proceso es reversible, lo que indica que esta se puede remezclar y evitar que llegue en ese estado al distribuidor de la carpeta. Si fuese por alto contenido de agregado grueso y esto se detecta a tiempo, la mezcla se debe rechazar, si no es posible detectarla a tiempo, el proceso de compactación es difícil y los resultados serían no deseados.
Contaminación Las mezclas asfáltica en cualquier lugar del proceso de construcción, se pueden contaminar con elementos extraños (papel, trapos, solventes y otros). Si dicha contaminación no es extensa, existe la posibilidad de corregirla, en caso contrario, la mezcla se debe rechazar.
Exudación La exudación generalmente es ocasionada por la dilución del asfalto, la cual a su vez se da por la contaminación del mismo de solventes que se utilizan en el lavado del tanque que transporta el asfalto o cuando este se ha utilizado
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en el transporte de materiales diferentes al asfalto. Este tipo de mezclas deben ser rechazadas de inmediato.
13.2.2 Después de la compactación
Después de compactada la muestra, se debe realiza un control sobre le
proceso constructivo, para lo cual se acostumbra a realizar ensayo de
densidad de campo (peso unitario de campo) mediante la extracción de
núcleos o equipos densímetros nucleares.
El valor obtenido de peso unitario se debe comparar con el de la fórmula de
trabajo o el suministrado por el fabricante, con el fin de establecer el grado
de compactación logrado. Dicho valor del grado de compactación no debe ser
menor del 96%.
Cuando el valor del grado de compactación es menor, se puede realizar una
recompactación dentro de las 24 horas siguientes, siempre y cuando se
tengan las condiciones climáticas adecuadas, un día soleado sería ideal. Si lo
anterior no es posible se debe pensar en el reforzamiento de la carpeta
asfáltica.
Algunos parámetros a tener en cuenta en el proceso de compactación
El control de la temperatura de la mezcla generalmente se revisa en cada camión, cuando esta llega a la obra. Es de gran importancia continuar este control durante el proceso de colocación de la mezcla detrás de la “Finisher” o pavimentador, con el fin de comprobar las temperaturas adecuadas de la colocación.
La temperatura para la compactación debe ser del orden de 85 ºC a 163 ºC (especificado por Instituto del Asfalto de USA).
Las mezclas a temperaturas de 85 ºC permiten aun densificación. Las capas gruesas permiten obtener mejor densificación, esto debido a
que permiten conservar por más tiempo el calor de la mezcla.
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CAPÍTUO 05: DAÑOS Y DETERIORO EN LOS PAVIMENTOS 1. Introducción Los pavimentos flexibles se construyen con varias finalidades, tales como: vía de comunicación, resistencia a las solicitaciones de cargas, durable, cómodo, seguro y otras más. Se espera que éstas tengan al menos una duración cercana al período de diseño del pavimento o al período de análisis del mismo. Inmediatamente después de terminada la construcción del pavimento y con la seguridad de haber empleado materiales adecuados y un proceso constructivo controlado, tenemos la certeza que el nivel de servicio del pavimento es máximo. Debemos ser consientes que a medida que transcurre el tiempo se podrá presentar deterioro de la estructura, el cual generalmente se manifiesta en superficie, es decir en la carpeta asfáltica. Cabe preguntarse entonces ¿qué pudo haber fallado?, la respuesta aparentemente es fácil de responder, pues los diseños de pavimentos durante mucho tiempo se han venido realizando a partir de análisis estático y no cíclico, como es el verdadero funcionamiento de la estructura. Al fin y al cabo todos sabemos que los pavimentos fallan por fatiga de los materiales. Bueno, aún así aplicando métodos de análisis basados en el comportamiento dinámico de los materiales se presentará un deterioro y daño del pavimento, que ya es atribuible a la calidad de los materiales o un método constructivo dudoso. A la final esto debemos vivirlo día a día, lo que nos lleva a desarrollar, mejorar o hacer uso de métodos de análisis. El presente capítulo se refiere a la identificación de los daños superficiales de los pavimentos flexibles y a la atribución de una posible causa del mismo. El estudio más a fondo corresponde a lo que llamamos PATOLOGÍA DE PAVIMENTOS. 2. PAVIMENTOS FLEXIBLES 2.1 Clasificación de daños Para un correcto inventario de análisis de fallas y deterioro de los pavimentos o una patología, se hace necesario tener un inventario y una identificación clara de las ocurrencias sobre la superficie del pavimento. A continuación se da una clasificación de daños sobre los pavimentos. Se presentan generalmente cuatro grupos: 2.2 Deformaciones
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Son los cambios de forma sin que se presenten discontinuidades. Dentro de esos encontramos 2.2.1 Asentamientos, los cuales son de los siguientes tipos
Longitudinal Transversal Local De borde
2.2.2 Abultamientos, los cuales son del siguiente tipo
Ondulaciones longitudinales Ondulaciones transversales Corrimientos de borde
2.3 Fisuras y grietas Se manifiestan con la pérdida de continuidad en la superficie, pero sin desprendimiento de material, se presentan los siguientes tipos
Grietas rectilíneas longitudinales Grietas rectilíneas transversales Grietas curvilíneas longitudinales Grietas curvilíneas transversales Ramificaciones Grietas en bloque Piel de cocodrilo
2.4 Desintegraciones Baches: Estos daños son asociados a un deterioro muy avanzado del pavimento y se presenta como un desprendimiento y disgregación de la carpeta asfáltica hasta desaparecer, dejando al descubierto la superficie de la base o de una carpeta asfáltica al anterior. Éstos se pueden presentar de cualquier tamaño. En ocasiones es originado después de una falla de piel de cocodrilo conformada por escamas de un tamaño inferior a 5 cm o por un fenómeno local. 2.5 Desprendimientos En estos casos se presenta desprendimiento de los materiales que constituyen la carpeta asfáltica. Se identifican los siguientes:
Desprendimiento del asfalto Desprendimiento del mortero asfáltico Desprendimiento del agregado Descascaramiento
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2.6 Afloramientos En estos casos se evidencia la presencia sobre la superficie de la carpeta asfáltica, algunos de los materiales que la constituyen. Se identifican los siguientes:
Afloramiento de ligante asfáltico Afloramiento de agua Afloramiento del suelo de la subrasante Afloramiento de los finos de las capas de subbase o base
2.7 Causa de las fallas en los pavimentos flexibles En las tablas 1, 2 y 3 se presentan los tipos de daños comunes, sus posibles causas y tratamiento. 2.8 En las fotos 1 al 8, se presentan algunas imágenes de daños severos y
sus causas evidentes en pavimentos flexibles
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Tabla 1: Causa y daños asociados directamente a la carpeta asfáltica
Capa lig
ante
insuficie
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Capa lig
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áquin
a term
inadora
Tipo de imperfecciones del pavimento que
pueden ocurrir al colocar mezclas de planta
X X X X Exudación
X X X Apariencia parda y muerta
X X X X X Puntos ricos o grasos
X X X X X X X X X X X Mala textura superficial
X X X X X X X X X X X X Superficie aspera desigual
X X X X X X X X X X Desmoronamiento o carcomido
X X X X X X X Juntas desiguales
X X X X X Marcas de la cilindradora
X X X X X X X X X X Ondulaciones o desplazamiento
X X X X Agrietamiento (muchas grietas finas)
X Agrietamiento (gritas largas y grandes
X X X X X Rocas fracturadas por la cilindradora
X X X X X X X X X Abatimiento supeficie durante la colocación
X X X X X X X X X deslizamiento de la superficie sobre la base
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Tabla 2: Causas probables y daños en los pavimentos flexibles
Causas y fallas
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Agregados no adecuados X
Base y subbase plásticas X X X X X
Capacidad estructural deficiente X X X X X X
Cargas altas X X X X X X
Cargas canalizadas X X X X X X X
Cargas excesivamente repetidas X X X X X X
Compactación deficiente en alguna capa X X X X X X X
Confinamiento lateral defieciente X X X X X X X
Defecto de asfalto X X X X X
Derrame de aceites y combustibles X X X X
Escorrentía superficial X
Exceso de asfalto X X X X X
Falta de adherencia entre capas X X
Falta de afinidad entre el agregado y el asfalto X X X
Frenado intenso de vehículos X X X
Inestabilidad de alguna capa X X X X X X X X
Inestabilidad de la banca X X X X X X X X
Infiltración de agua
Mezcla muy plástica X X
mezcla muy rígida X X X X
Subdrenaje deficiente X X X X X X X
Subrasante débil X X X X X X
Subrasante expansiva X X X X X X X X X X X X
Subrasante heterogénea X X X X X X X X
Subrasante resiliente X X X
Temperaturas muy altas o muy bajas X X X X X X
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Deterioro Descripción y causas Tratamiento
Superficie envejecida Superficie excesivamente seca, sin o poca presencia de disgregación
Riego en negro
Superficie con indicios de disgregación
Pérdida de material superficial, debida al desgaste producida por el tráfico o utilización de una mezcla excesivamente pobre
Tratamiento superficial
Grietas largas, con ancho mayor a 3 mm
Contracción o asentamiento.
Retirar material extraño
Eliminar borde de material suelto
Llenar las grietas
Grietas piel de cocodrilo
Falla en la base Terreno muy flexible
Bacheo profundo Parche superficial Tratamiento
superficial
Baches Roturas de la superficie hasta la base o por debajo de ella
Aplicación mezcla asfáltica
Por penetración
Exudación e inestabilidad
Exceso de asfalto Eliminar exceso de asfalto de la superficie
Aplicar una superficie nueva
Depresiones Asentamientos del terreno Aplicación de mezcla asfáltica
Agrietamientos longitudinales en los bordes
Falta de confinamiento
Variaciones excesivas de humedad
Sellado con arena o gravilla
Rellenar grietas
Parcheo superficial Tabla 3: Tratamiento para algunos daños en pavimentos flexibles
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Foto 1: Deterioro avanzado del pavimento Foto 2: Deterioro avanzado localizado a un
extremo de la vía
Foto 3: Domiciliaria incompleta Foto 4: Reparación incompleta
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Foto 5: Baches, reparaciones y piel de
cocodrilo Foto 6: Bloques, piel de cocodrilo, grietas
longitudinales
Foto 7: Tratamiento de cajas de inspección Foto 8: Hundimientos y grietas diagonales
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3. PAVIMENTOS RÍGIDOS 3.1 Clasificación de los daños 3.1.1 Grietas
Longitudinales Transversales Diagonales
3.1.2 Escalonamiento
En juntas En grietas
3.1.3 Desintegración
Piel de cocodrilo Astilladuras: en juntas, en bordes y en grietas Escamaduras Baches
3.2 Causa de las fallas en los pavimentos rígidos La tabla 4, presenta algunas de las fallas más comunes en los pavimentos rígidos
Tabla 4: Causas y daños en pavimentos rígidos
Causas y fallas
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Apoyo deficiente X X
Bombeo X X X X X X X
Deficiente mecanismo de carga X X X
Esfuerzos mayores a los de diseño X X
Falta de junta longitudinal o defectuosa X
Juntas transversales muy espaciadas X
Mal curado del concreto X X X X
Mal sello en las juntas o grietas X X
Mala calidad del concreto X X X X X X X X
Subbase de mala calidad X X
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3.3 Tratamiento de deterioros 3.3.1 Descascaramiento Los descascaramientos generalmente se presentan en las juntas de las losas. En ocasiones se puede encontrar en la superficie de la losa, lo cual es debido a la presencia del refuerzo muy cerca de la superficie, defectos en el vaciado o presencia de algún material extraño. La reparación que se realiza a este deterioro, se cataloga como profundidad parcial. En la foto 1, se presenta un tipo de descascaramiento en una junta
Foto 1
La reparación se puede hacer de acuerdo a los siguientes pasos:
Investigación de campo con el fin de identificar las posibles causas y definir los límites de reparación. En la foto 2 se muestra la zona demarcada para la reparación, ésta se debe alejar al menos 10 cm de la zona afectada. Cuando las zonas deterioradas se encuentran a una distancia menor de 60 cm, se deben integrar en una sola reparación.
Remoción del deterioro: Dicha remoción se puede hacer utilizando un martillo neumático con cincel, una cortadora con disco de diamante o una fresadora. En las fotos 3, 4 y 5 se presentan los detalles de remoción con las máquinas mencionadas
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Foto 2: Delimitación zona de daño Foto 3: Corte
Foto 4: Cincelado Foto 5: Fresado
Limpieza: Se debe limpiar el lugar a reparar con chorro de aire, con el fin de retirar el material suelto y polvo adherido en las paredes. En ocasiones se limpiará con ácido muriático.
Colocación del concreto: se debe asegurar la adherencia entre el concreto nuevo y el viejo, para lo cual se utilizará un aditivo apropiado. El concreto se debe vibrar y dar un acabado texturizado que provea fricción. En la foto 6 se presenta un detalle de una reparación terminada.
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Al realizar la reparación de profundidad parcial, es importante la buena restitución de las juntas longitudinales y transversales, pues se debe evitar que el concreto de reparación se adhiera al elemento adyacente, ya que los asentamientos diferenciales y los esfuerzos actuantes dañarían la reparación. En las fotos 7, 8 y 9 se muestran algunos detalles al respecto
Foto 6: Reparación terminada Foto 7: Reparación con fresado
Foto 8: Bache en junta listo para
reparación Foto 9: Reparación donde el concreto reposa
sobre la losa adyacente
“ERROR”
3.3.2 Escamamiento Los escamamientos se presentan en la superficie de la losa y generalmente se deben a la utilización de una mezcla que exudó. Cuando la losa sufre este
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daño el agregado queda descubierto y posteriormente éste se pulirá por la acción del tráfico y la intemperie. La reparación de este deterioro realmente es sencilla, pues la colocación de una capa de protección bien adherida a la superficie de la losa es suficiente. 3.3.3 Deterioros avanzados Los deterioros avanzados en las losas de concreto se refieren a la presencia de una o varias grietas profundas. La reparación puede ir desde la remoción parcial en todo el espesor de la losa, hasta la remoción total de ésta. En las fotos 10, 11, 12, 13, 14 y 15 se presentan algunos detalles sobre reparación profunda.
Foto 10: Separación por corte de la zona a reparar
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Foto 11: Corte hecho con equipo de doble cuchilla
Foto 12: Patrón de corte cuando se usa demolición hidráulica
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Foto 13: Perforación para colocación de
dovelas
Foto 14: Área lista para el vaciado del
concreto
3.4 En las foto 1 a 4 se presentan algunas imágenes de deterioros avanzados en pavimentos rígidos
Foto 1: Daño generalizado Foto 2: Deterioro completo de la losa
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Foto 3: Domiciliaria Foto 4: Grietas en esquina
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CAPÍTULO 8: CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
1. Introducción La metodología de la aplicación de los procesos constructivos de las capas de la estructuras de pavimentos, son de gran importancia para garantizar el buen comportamiento del mismo cuando esté en servicio bajo solicitaciones del tráficos y el clima. Se tratarán en este capítulo los siguientes temas Terraplenes Subbase granular Base granular Imprimación Concreto asfáltico Se presentarán entonces algunas metodologías que se consideran adecuadas en la construcción de los pavimentos flexibles 2. Construcción de terraplenes 2.1 Descripción El terraplén es una estructura cuya parte superior es más alta que la superficie adyacente. Se construye generalmente sobre un material insitu que no satisface las propiedades de capacidad de soporte o que topográficamente no permite una geometría adecuada de la vía. Se presentan a continuación las partes del mismo. 2.1.1 Cimiento: Parte del terraplén que está por debajo de la superficie
original del terreno y que corresponde al retiro del material inadecuado 2.1.2 Núcleo: Es la parte comprendida entre el cimiento y la corona del
terraplén 2.1.3 Corona (capa subrasante): generalmente corresponde a los primeros
30 cm medidos desde la superficie del terraplén hacia el cuerpo. En la figura 1 se muestra un esquema del terraplén
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Figura 1: Partes de un terraplén
2.2 Materiales utilizados Los materiales para la construcción de terraplenes podrán ser los obtenidos en procesos de excavación, extraídos de explanaciones, zonas de préstamo o fuentes de materiales, que tengan propiedades físico-mecánicas adecuadas al tipo de proyecto. La presencia de raíces, materia orgánica y otros elementos que puedan ser perjudiciales se deberán evitar. Los requisitos de los materiales para ser usados en la construcción de terraplenes se presentan en la tabla 1.
Suelo Seleccionado Adecuado Tolerable
Aplicación Corona, núcleo y
cimiento Corona, núcleo
y cimiento Núcleo y cimiento
Tamaño máximo (mm) 75 100 150
Pasa tamiz Nº 200 (%) < 25 < 35 < 35
CBR de laboratorio > 10 > 5 > 3
Expansión en prueba CBR (%) 0 < 2 < 2
Materia orgánica 0 < 1 < 2
Límite líquido (%) < 30 < 40 < 40
Límite plástico (%) < 10 < 15 -
Tabla 1: Requisitos de los materiales para terraplenes Nota: Esta tabla fue tomada de las especificaciones del INVIAS - Colombia
2.3 Construcción 2.3.1 Adecuación del terreno 2.3.1.1 Sobre terreno natural: se debe realizar el desmonte, limpieza y
excavación (zona de cimiento). Es importante que los trabajos de
Cimiento
Corona
Núcleo
Cuerpo
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drenaje y otros necesarios para dar estabilidad al terraplén o que sean parte del diseño del proyecto estén terminados. El terreno natural sobre el que va el terraplén debe ser escarificado al menos en 15 cm.
2.3.1.2 Sobre una vía existente: La vía se debe limpiar y posteriormente escarificar hasta una profundidad no menor de 10 cm con el fin de lograr una buena adherencia entre el terraplén y la superficie existente.
2.3.1.3 Ensanchamiento de un terraplén: El talud del terraplén deberá cortarse en forma escalonada, entrándose en el cuerpo del talud, longitud de por lo menos 50 cm y con una pendiente adecuada a la estabilidad que provea el material utilizado. En la figura 2, se muestra un esquema de corte en el talud del terraplén.
Figura 2: Esquema de corte del talud de un terraplén
2.3.2 Preparación del material Antes de la puesta del material debemos conocer el contenido de humedad, con el fin de determinar si se requiere humedecimiento de este o esta supera el valor adecuado para obtener el peso unitario compacto esperado para el proyecto y tipo de material. Se deberán aplicar métodos adecuados para reducir la humedad en los materiales que tengan agua excesiva. El material se deja orear hasta que obtenga una humedad uniforme. En este proceso se puede hacer la labor de retirar los sobretamaños que presente el material o alguna contaminación posterior a la aceptación del material.
50 cm
50 cm
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2.3.3 Compactación Se colocaran capas de un espesor tal que al realizar la compactación estas queden del orden de 20 cm. Entre capa y capa debe existir una escarificación que permita una adherencia adecuada. Se debe tener en cuenta dejar la pendiente para evacuación de aguas superficiales. Es importante resaltar que el espesor real de la capa antes de compactar y después de compactar, además el número de pasadas del equipo de compactación son determinados por medio de un tramo de prueba. El equipo utilizado dependerá del tipo de material utilizado y del peso unitario compacto esperado para el proyecto y el tipo de material utilizado El control de compactación se mide de acuerdo a los siguientes parámetros: Cada 250 m2 se realizarán 6 determinaciones de peso unitario compacto
elegidas al azar El peso unitario compacto promedio para el cimiento y el núcleo, deberá
ser al menos el 90% del peso unitario compacto máximo obtenido en el laboratorio en el ensayo de Proctor modificado.
El peso unitario compacto promedio para la, deberá ser al menos el 95% del peso unitario compacto máximo obtenido en el laboratorio en el ensayo de Proctor modificado.
2.3.4 Generalidades 2.3.4.1 Los trabajos de construcción del terraplén no podrá realizarse
durante la lluvia o cercanía de esta o a temperaturas menores de 2 ºC.
2.3.4.2 La corona del terraplén no deberá dejarse expuesta a las condiciones del ambiente, por lo tanto deberá protegerse o construir de forma inmediata la capa superior.
3. Construcción de subbases granulares 3.1 Descripción Las subbases granulares son capas que en un principio son pensadas desde un punto de vista económico, pero por razón de hacer parte de la estructura
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del pavimento deberá poseer propiedades físico-mecánicas adecuadas a las especificaciones del proyecto. Se considera que dentro de la estructura del pavimento, esta capa es la de menores especificaciones y porque no decirlo la de menor calidad, pues en gran parte es una transición entre la subrasante y la base. No por eso debemos descuidar esta capa, pues al igual que las otras son las que proveen la vida útil de la estructura del pavimento. 3.2 Materiales utilizados Los materiales utilizados para la construcción de las subbases podrán ser procedentes de la explotación de fuentes naturales, la trituración de rocas o gravas o una mezcla de materiales de procedencia natural y trituración. En todo caso estos materiales deben ser clasificados de tal forma que cumplan con una especificación granulométrica y las propiedades físico-mecánicas requeridas para el proyecto. Las partículas del material deberán ser duras, durables, pesadas, libres de finos nocivos y materia orgánica. En las tablas 2 y 3 se presentan algunos requisitos que deben cumplir los materiales de súbase.
Propiedad Valor
Desgaste de la máquina de los Ángeles Menor de 50%
Desgaste por ataque de sulfatos Sulfato de Sódio Sulfato de Magnésio
Menor de 12% Menor de 18%
CBR Mayor de 20 % Mayor de 40 %*
Índice de plasticidad Menor o igual a 6
Equivalente de arena Mayor de 25% * Cuando está referido al 95% del porcentaje de compactación basado en el ensayo Proctor modificado
tabla 2: Requisitos para el material de súbase
3.3 Construcción 3.3.1 Adecuación del terreno La superficie de la subrasante se debe proteger de tal forma que no se generen asentamientos, irregularidades, contaminación de materiales
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extraños o daños. Si lo anterior hubiese ocurrido, el constructor debe realizar la reparación de la manera más adecuada y de acuerdo con la interventoría. En el caso de que la superficie sobre la cual se coloca la subbase fuera un afirmado, este se escarificará en una profundidad mínima de 10 cm 3.3.2 Preparación del material Si el material presenta una humedad menor que a la sugerida, este se humedecerá y posteriormente se orea. Si el material está muy húmedo, se empleará cualquier método aceptable para retirar el agua de exceso. Este es el momento adecuado para hacer una supervisión al material para localizar sobre tamaños y presencia de materiales indeseables, los cuales deben ser retirados inmediatamente. 3.3.3 Compactación 3.3.3.1 Equipo: El equipo necesario para la construcción de la subbase es el siguiente:
Equipo de producción y clasificación del material: Excepto cuando este provenga de una fuente aceptada, en la cual se realiza la explotación, producción y clasificación del material de acuerdo a las especificaciones sugeridas para el proyecto.
Equipo de transporte Motoniveladora equipada con cuchilla y escarificadores Carro tanque con agua, el cual debe estar acondicionado para
permitir un riego uniforme sobre la superficie Equipo de compactación de acuerdo al tipo de material y tipo de
proyecto 3.3.3.2 Colocación y compactación La definición del espesor a colocar y el número de pasadas para lograr el porcentaje deseado del peso unitario compacto del laboratorio, se deben determinar por medio de tramos de prueba, tal como se sugiere en el numeral de terraplenes y como será necesario para todas las capas compactadas. El uso de los tramos de prueba disminuye a partir de la experiencia del constructor, el cual ha empleado en otras situaciones materiales y equipos similares.
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Tamiz Porcentaje pasa
acumulado (mm)
Designación ASTM
50 2” 100
37,5 1 ½” 70 – 100
25 1” 60 – 100
12,5 ½” 50 – 90
9,5 3/8” 40 – 80
4,75 Nº 4 30 – 70
2,0 Nº 10 20 – 55
0,425 Nº 40 10 – 40
0,075 Nº 200 4 – 20 Tabla 2: Especificación granulométrica del INV – Colombia
El material se colocará en capas de un espesor antes de compactado no mayor a 25 cm y en una longitud máxima de 1500 metros El porcentaje de compactación mínimo sugerido es el 95% del peso unitario seco máximo obtenido en el laboratorio mediante le ensayo Proctor modificado. La compactación de las zonas adyacentes tales como andes, zanjas, cámaras u otras estructuras, se debe ejecutar con equipo manual. Si se desea emplear equipo mecánico, se deben tomar todas las precauciones para que estas no sufran daños. 3.4 Generalidades Los trabajos de construcción del terraplén no podrá realizarse durante la lluvia o cercanía de esta o a temperaturas menores de 2 ºC. 4. Construcción de bases granulares 4.1 Descripción Las bases granulares son capas que cumplen una función estructural importante dentro de la estructura del pavimento. En secuencia es la capa después de la carpeta asfáltica de muy buena calidad.
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Esta se fabrica con materiales seleccionados dentro de un proceso bastante controlado. Consta de materiales durables y resistentes a las solicitaciones mecánicas, intemperismo y otros. 4.2 Materiales utilizados Los materiales utilizados para la construcción de las bases granulares, serán resistentes a los ataques de sulfatos, al desgaste mecánico, controlados en la forma de las partículas (aplanadas y alargadas) y otros. Estos podrán provenir de fuentes naturales, zonas de explotación, materiales triturados y otros. Deberán estar libres de cualquier material contaminante que pueda perjudicar la calidad del material y poner en peligro la estabilidad de la capa. Es conveniente que estos materiales sean una mezcla entre materiales de procedencia natural y triturados. La tabla 3 y 4 muestran algunas especificaciones que pueden utilizadas para el control de calidad del material de base. 4.3 Construcción 4.3.1 Adecuación del terreno La capa de la base podrá colocarse sobre la subrasante o la subbase de acuerdo a las características de la subrasante. La superficie fuere con fuese, sobre la cual se colocará la base, deberá cumplir con el valor de peso unitario compacto especificado, deberá estar libre de irregularidades y de materiales contaminantes, y conservar las cotas del proyecto. Deberá tener todas las obras de drenaje adecuadas. Si alguna anomalía se presenta, el constructor deberá solucionarla para garantizar una buena plataforma de trabajo y la garantía de un buen proceso constructivo y el buen desempeño del pavimento en servicio. En el caso de que la superficie sobre la cual se coloca la base fuera un material grueso granular, se recomienda escarificar en una profundidad mínima de 10 cm.
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Tamiz Porcentaje pasa acumulado
(mm) Designación
ASTM BG-1 BG-2
37,5 1 ½” 100 100
25 1” 70 – 100 100
19 ¾” 60 – 90 70 – 100
9,5 3/8” 45 – 75 50 – 80
4,75 Nº 4 30 – 60 35 – 65
2,0 Nº 10 20 – 45 20 – 45
0,425 Nº 40 10 – 30 10 – 30
0,075 Nº 200 5 - 15 5 -15
Tabla 3: Especificación granulométrica del INV – Colombia
Propiedad Valor
Partículas fracturadas (%) Mayor de 50
Desgaste en la máquina de los Ángeles (%) Menor de 40
Desgaste químico (%)
Sulfato de Sodio
Sulfato de Magnesio
Menor de 12
Menor de 18
Índices de aplanamiento y alargamiento (%) Menor de 35
CBR Mayor de 80
Índice de plasticidad Menor o igual a 3
Equivalente de arena Mayor de 30
Tabla 4: Especificación de ensayos del INV – Colombia
4.3.2 Preparación del material Si el material presenta una humedad menor que a la sugerida, este se humedecerá y posteriormente se orea. Si el material está muy húmedo, se empleará cualquier método aceptable para retirar el agua de exceso. Se sugiere trabajar con humedades lo más cercano a la humedad óptima obtenida en el ensayo Proctor modificado. Este es el momento adecuado para hacer una supervisión al material para localizar sobre tamaños y presencia de materiales indeseables, los cuales deben ser retirados inmediatamente. 4.3.3 Compactación
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4.3.3.1 Equipo: El equipo necesario para la construcción de la base es el siguiente:
Equipo de producción y clasificación del material: Excepto cuando este provenga de una fuente aceptada, en la cual se realiza la explotación, producción y clasificación del material de acuerdo a las especificaciones sugeridas para el proyecto.
Equipo de transporte Motoniveladora equipada con cuchilla y escarificadores Carro tanque con agua, el cual debe estar acondicionado para
permitir un riego uniforme sobre la superficie Equipo de compactación de acuerdo al tipo de material y tipo de
proyecto 4.3.3.2 Colocación y compactación Se recuerda que para la definición del espesor de la capa a colocar y el número de pasadas so obtienen de los resultados del tramo de prueba o en algunos casos de la experiencia de materiales y equipos similares. El material se colocará en capas de un espesor antes de compactado no mayor a 25 cm y en una longitud máxima de 1500 metros El porcentaje promedio de compactación mínimo sugerido es del 100% del peso unitario seco máximo obtenido en el laboratorio mediante le ensayo Proctor modificado. Ningún valor del promedio del peso unitario deberá ser inferior al 98%. La compactación de las zonas adyacentes tales como andes, zanjas, cámaras u otras estructuras, se debe ejecutar con equipo manual. Si se desea emplear equipo mecánico, se deben tomar todas las precauciones para que estas no sufran daños. El control de compactación de la base se realizará una (1) vez por cada 250 m² y los tramos a aprobar se definirán sobre un promedio de un mínimo de 6 valores. 4.4 Generalidades 4.4.1 Los trabajos de construcción del terraplén no podrá realizarse durante
la lluvia o cercanía de esta o a temperaturas menores de 2 ºC.
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4.4.2 Cuando se construyan bermas, antes de la construcción de la base, estas deberán compactarse en capas iguales y con un espesor igual al de cada una de las capas de base
4.4.3 Si durante la compactación se dan pérdidas de humedad, esta se debe restablecer
5. Construcción del riego de imprimación 5.1 Descripción El riego de imprimación es la extensión de un asfalto líquido o de una emulsión sobre la superficie de la base o la superficie sobre la cual irá la carpeta asfáltica. La finalidad de este riego de imprimación, es estabilizar la parte superior de la base, impermeabilizarla y proveer una liga entre dicha capa y la carpeta asfáltica. La penetración de los materiales bituminosos deberá ser al menos de 3 mm 5.2 Materiales utilizados Asfaltos líquidos MC-70: Este tipo de materiales en algunas regiones del
mundo ya no se utiliza. Emulsiones asfálticas catiónicas de rompimiento lento tipo CRL-0 Emulsiones asfálticas catiónicas de rompimiento lento tipo CRL-1, la cual
debe diluirse en agua hasta que tenga una concentración del orden de 40%
En la tabla 5 se presentan algunas especificaciones para las emulsiones recomendadas para ser utilizadas en el riego de imprimación.
5.3 Construcción 5.3.1 Equipo
Barredora mecánica de tipo rotatorio operada mediante empuje o arrastre
Sopladora mecánica operada mediante empuje o arrastre Carro tanque irrigador de materiales bituminosos con bomba de
impulsión, accionada por motor y provista de un indicador de presión
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Propiedad CRL-0 CRL-1
Viscosidad Saybolt Furol a 25 ºC (s) Menor de 50 Menor de 200
Contenido de agua en volumen (%) Menor de 50 Menor de 43
Estabilidad al almacenamiento por
sedimentación a 7 días (%)
Menor de 10
Menor de 5
Destilación
Contenido de asfalto residual
Contenido de disolventes
Mayor de 40
10 a 20
Mayor de 57
---
Tamizado, retenido en tamiz Nº 20 Menor de 0,1 Menor de 0,1
PH Menor de 6 Menor de 6
Tabla 5: Especificaciones para emulsiones CRL-0 y CRL-1
5.3.2 Adecuación del terreno La superficie de la capa sobre la cual se va a aplicar debe estar libre de polvo y material extraño que pueda perjudicar la buena aplicación del riego. Las irregularidades que presente la superficie deberán estar dentro de lo especificado al respecto. Por ningún motivo podrá haber exceso de humedad. 5.3.3 Preparación del material El asfalto líquido MC-70 se deberá calentar a una temperatura de 40 ºC a
70 ºC Las emulsiones no se podrán aplicar a temperaturas menores de 5 ºC (10
ºC recomiendan otras entidades) o mejor a temperaturas que produzcan una viscosidad Saybolt Furol entre 20 s y 100 s.
5.3.4 Aplicación 5.3.4.1 Emulsiones
Humedecer la superficie sin llegar a la saturación Aplicación del ligante: Se deberá hacer de manera uniforme tanto
longitudinal como transversalmente. Se debe evitar duplicar las juntas transversales
Se aplicará en una dosificación de 1,2 litros a 1,5 litros por metro cuadrado
En los lugares que se presente exceso de emulsión se adicionará arena limpia
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En los lugares donde se presente defecto de emulsión, se restituirá agregando un poco de esta
Terminada la jornada se debe realizar la limpieza de las boquillas del carro irrigador
5.3.4.2 Asfaltos líquidos Se aplicaran en una dosificación de 1 litro a 2 litros por metro cuadrado 5.4 Generalidades 5.4.1 Después de la imprimación se debe cerrar el paso de vehículos durante un periodo de 24 horas a 48 horas 5.4.2 No podrá imprimarse cuando se presente lluvias o se espere que estas ocurran, tampoco inmediatamente después de que estas ocurran, deberá dejarse un tiempo prudente para que esta haya drenado y no perjudique la calidad del proceso constructivo. 5.4.3 En sitios de difícil acceso el retiro de polvo y material perjudicial, se podrá realizar un barrido manual 6. Construcción de carpetas asfálticas en caliente 6.1 Descripción La carpeta asfáltica está constituida por una mezcla controlada de materiales pétreos seleccionados y un material bituminoso (generalmente un cemento asfáltico) debidamente especificado, los cuales se calientan para posteriormente ser mezclados y lograr un concreto asfáltico que permita ser fácilmente trabajo y colocado. La carpeta asfáltica es la capa de mejor calidad dentro de la estructura del pavimentos y es la más expuesta a los agentes del intemperismo y las solicitaciones de los vehículo, por lo que esta debe ser altamente resistente al desgaste físico y químico, y resistente. 6.2 Materiales utilizados 6.2.1 Agregados pétreos Generalmente estos están constituidos por un material grueso, uno intermedio, arena y un llenante mineral u otras variaciones que dependen de las características de los materiales en el lugar de la fuente de explotación
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Preferiblemente deben ser materiales provenientes de depósitos aluviales que posteriormente serán triturados para adecuarlos a la especificación granulométrica requerida. Estos materiales deben ser resistentes y durables, no deben tener presencia de materiales extraños o finos nocivos que puedan afectar la afinidad con el asfalto. En las tablas 6 y 7 se presentan algunas especificaciones para los materiales pétreos. 6.2.2 Cemento asfáltico (AC) Se emplea generalmente cementos asfálticos con penetraciones 60 – 70 décimas de milímetro y 80 – 100 décimas de milímetro. Estos se deben usar de acuerdo a las condiciones climáticas de la región, partiendo de lo siguiente: asfaltos de mayor consistencia deben ser utilizados en condiciones de temperaturas altas. En la tabla 8 se presenta una guía de utilización de dichos asfalto de acuerdo a las temperaturas del lugar y el tránsito de diseño. En la tabla 9 se presentan las especificaciones que deben cumplir los AC anteriormente mencionado. 6.3 Construcción 6.3.1 Preparación de la mezcla asfáltica en caliente La preparación de las mezclas asfálticas se realiza en plantas que tienen el proceso controlado desde la explotación de la fuente o de la adquisición del material pétreo y el asfalto especificado. Con el fin de determinar el porcentaje óptimo de agregados y asfalto involucrados en la fabricación de la mezcla asfáltica en caliente, un laboratorio acreditado en capacidad técnica, realizará un diseño de la mezcla, teniendo en cuenta la temperatura adecuada de calentamiento tanto del asfalto como del agregado mineral, los tamaños y distribución de las partículas de los agregados minerales, propiedades físico-mecánicas de los mismos y las propiedades del asfalto. Para esto podrá emplear cualquier método reconocido, como lo es el método Marshall para la dosificación de mezclas asfálticas en caliente, realizando varias probetas con diferentes porcentajes de asfalto y agregado, a las cuales debe determinar sus propiedades de estabilidad, flujo, vacíos y peso unitario, de las cuales determinará el porcentaje de asfalto más adecuado al compararlo con las especificaciones del proyecto, sean estas regionales, nacionales o internacionales, según sea el caso.
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En la figura 3 se muestra la manera de presentar los resultados en el diseño Marshall de mezclas asfálticas en caliente y en las tablas 10 y 11 las especificaciones para determinar el porcentaje óptimo de asfalto.
Propiedad Valor
Mezcla abierta Mezcla densa
Partículas fracturadas (%) > 75 > 75
Desgaste en la máquina de los Ángeles (%) < 35 < 30
Desgaste químico (%)
Sulfato de Sodio
Sulfato de Magnesio
< 12
< 18
< 12
< 18
Adhesividad (Stripping) (%) > 95 --
Índices de forma (%) < 35 < 35
Índice de plasticidad NP NP
Equivalente de arena (%) -- > 50
Tabla 6: Especificaciones de ensayos INV - Colombia
Tamiz Porcentaje pasa acumulado
(mm) Designación
ASTM G1 G2 G3
25 1” 100 100 100
19 ¾” 80 – 100 100 100
12,5 ½” 67 – 85 80 – 100 100
9,5 3/8” 60 – 77 70 – 88 100
4,75 Nº 4 43 – 54 51 – 68 65 – 87
2,0 Nº 10 29 - 45 38 – 52 43 – 61
0,425 Nº 40 14 – 25 17 – 28 16 –29
0.180 Nº 80 8 –17 8 – 17 9 – 19
0,075 Nº 200 4 -8 4 - 8 5 - 10
Tabla 7: Especificaciones granulométricas INV – Colombia
Tránsito de diseño en
millones de ejes de 80 kN
Temperatura media anual
> 24 ºC 15 ºC – 24 ºC < 15 ºC
> 5,0 60 – 70 60 – 70 80 - 100
0,5 – 5,0 60 – 70 Ambos 80 - 100
< 0,5 60 – 70 Ambos 80 - 100 Tabla 8: Tipo de AC a emplear dependiendo de las condiciones climáticas de la región y el tráfico proyectado. Tomado de INV – Colombia
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Propiedad AC 60 – 70 AC 80 - 100
Mín Máx Mín Máx
Penetración (25 ºC, 100 g, 5 s) (0,1 mm) 60 70 80 100
Índice de penetración -1 +1 -1 +1
Pérdida por calentamiento película delgada (163 ºC,
5h)
-
1,0
-
1,0
Ductilidad (25 ºC, 5 cm/min) 100 100
Penetración luego del ensayo de película delgada (%),
referida a la penetración original
52
-
48
-
Solubilidad en tricloroetileno 99 - 99 -
Contenido de agua - 0,2 - 0,2
Tabla 9: Especificaciones del AC, INV – Colombia
Criterios
Transito Liviano
Transito Mediano Transito Pesado
35 golpes 50 golpes 75 golpes
Min Max Min Max Min Max
Estabilidad (N) 3336 5338 8006
Estabilidad (lb) 750 1200 1800
Flujo (mm) 2 4.5 2 4 2 3.5
Flujo (0.01 pulg) 8 18 8 16 8 14
Porcentaje de vacíos 3 5 3 5 3 5
%vacíos llenos de asfalto 70 80 65 78 65 75
%vacíos en agregados Ver la siguiente tabla Tabla 10: Especificaciones del Instituto del asfalto para obtener el % óptimo de asfalto
Tamaño máximo VMA mínimo
Vacíos de diseño
mm ASTM 3.0 4.0 5.0
1.18 # 16 21.5 22.5 23.5
2.36 # 8 19.0 20.0 21.0
4.75 # 4 16.0 17.0 18.0
9.5 3/8" 14.0 15.0 16.0
12.5 1/2" 13.0 14.0 15.0
19.0 3/4" 12.0 13.0 14.0
25 1" 11.0 12.0 13.0
37.5 1.5" 10.0 11.0 12.0
50 2" 9.5 10.5 11.5
63 2.5" 9.0 10.0 11.0 Tabla 11: Especificaciones del Instituto del asfalto para obtener el % óptimo de asfalto
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6.3.2 Adecuación del terreno La superficie sobre la cual se colocará la carpeta asfáltica, debe estar completamente imprimada y seca. Si por alguna razón se presentan irregularidades, zonas descubiertas o con algún exceso del material asfáltico, se debe reparar inmediatamente. Si por alguna razón el aporte ligante que da la imprimación se pierde, este se debe restituir aplicando un método validado. Si la carpeta se va a extender sobre una carpeta de rodadura existente, se deben reparar todos lo daños, con el fin de que estos no se reflejen en la nueva carpeta. Se colocara un riego de liga para garantizar la adherencia entre la capa antigua y la nueva 6.3.3 Colocación y compactación 6.3.3.1 Equipo
Sopladora mecánica o manual Equipo para el transporte de la mezcla Pavimentadora o Terminadora, conocida más comúnmente como
Finisher Compactador vibratorio de tambor metálico Compactador de neumáticos
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Figura 3: Gráficos del método de diseño Marshall
2 .3 5 0
2 .3 5 5
2 .3 6 0
2 .3 6 5
2 .3 7 0
2 .3 7 5
2 .3 8 0
4 .0 4 .5 5 .0 5 .5 6 .0 6 .5 7 .0 7 .5
% A s falto
De
ns
ida
d (
g/c
m3)
1 1 0 0
1 2 0 0
1 3 0 0
1 4 0 0
1 5 0 0
1 6 0 0
1 7 0 0
1 8 0 0
4 .0 4 .5 5 .0 5 .5 6 .0 6 .5 7 .0 7 .5
% A s falto
Es
ta
bil
ida
d
(k
g)
2 .5
3 .0
3 .5
4 .0
4 .5
5 .0
5 .5
4 .0 4 .5 5 .0 5 .5 6 .0 6 .5 7 .0 7 .5
% A s falto
Flu
jo (
mm
)
2
3
4
5
6
7
8
4 .0 4 .5 5 .0 5 .5 6 .0 6 .5 7 .0 7 .5
% A s falto
%
Va
cio
s d
e
Me
zc
la T
ota
l
1 5 .0
1 5 .5
1 6 .0
1 6 .5
1 7 .0
1 7 .5
1 8 .0
1 8 .5
1 9 .0
4 .0 4 .5 5 .0 5 .5 6 .0 6 .5 7 .0 7 .5
% A s falto
%
Va
cio
s e
n e
l A
gre
ga
do
6 0
6 5
7 0
7 5
8 0
8 5
9 0
9 5
1 0 0
4 .0 4 .5 5 .0 5 .5 6 .0 6 .5 7 .0 7 .5
% A s falto
%
Va
cio
s L
len
os
d
e A
sfa
lto
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6.3.3.2 Colocación La mezcla asfáltica se extenderá mediante la pavimentadora, la cual conformará la geometría de la mezcla de acuerdo a los lineamientos y cotas especificadas para el proyecto. La temperatura mínima de colocación de la mezcla debe ser como mínimo 115 ºC. Inmediatamente después de haber extendido la carpeta, se debe realizar un chequeo del espesor colocado, con el fin de corregir alguna anomalía. 6.3.3.3 Compactación La primera fase de la compactación se realizará con el compactador de tambor metálico, empezando por el borde de la calzada y hacia el centro, logrando siempre un traslape entre pasada y pasada. La primera pasada se dará a una temperatura del orden de 115 ºC. Es importante resaltar que a 85 ºC la mezcla permite aún ser densificada. El número de pasadas corresponderá a las necesarias para obtener el 96% del peso unitario obtenido en el diseño de la mezcla. La compactación final de acabado se realizará con el compactador de neumáticos, los que tendrán una presión de inflado de 7 kgf/cm² Las determinaciones de peso unitario de la mezcla asfáltica, se realizaran de acuerdo a la proporción de una (1) por cada 250 m² y los tramos a aprobar se hará sobre la base de un mínimo de 6 determinaciones. Cuando se realizan menos de 4 determinaciones de peso unitario de la mezcla, ningún valor podrá ser inferior a 96% del peso unitario de diseño, si se realizan más de 4, ninguno de los valores podrá ser menor del 94%. Entramos cuya pendiente es mayor del 7%, se podrá aceptar las determinaciones en dos puntos por debajo. Algunas instituciones exigen que le valor promedio mínimo de las determinaciones de del 98% del peso unitario de la formula de trabajo y los valores individuales no podrán ser menores al 97% de las determinaciones medias
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6.4 Generalidades 6.4.1 Las juntas de construcción deberán ser verticales y antes de reinicar el proceso de la colocación y compactación de la nueva carpeta, se debe hacer un riego de liga sobre la superficie involucrada de la junta. 6.4.2 La temperatura de compactación puede ser también la que permita soportar la carga del equipo compactador sin que se produzcan agrietamientos o desplazamientos. 6.4.3 En el caso de las curvas con peralte, el equipo compactador ira del borde interior al exterior.
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CAPÍTULO 07: DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
1. Introducción Existen diferentes métodos para el diseño del dimensionamiento de las estructuras de los pavimentos para carreteras, de los cuales su buen uso depende del criterio del proyectista y del tipo de proyecto. Por lo que es posible en el diseño de la estructura combinar métodos y refinarlos según la experiencia. En la tabla 1 se presenta un resumen de los múltiples métodos de diseño. En general los métodos de diseño se deben considerar como una guía práctica en la determinación de los espesores de las capas que componen la estructura del pavimento. Métodos de diseño de pavimentos más comunes
Asshto 1986 y 1993 Instituto del Asfalto Shell
Método de Sur África 2. Método de diseño AASHTO-93 Este método de diseño se basa en los modelos del método de 1972 y las experiencias recopiladas son el uso del mismo. En el método de 1986, se incluyen además las siguientes consideraciones relevantes en el diseño de las dimensiones de la estructura del pavimento:
Grado de confiabilidad del diseño Módulo elástico de la subrasante Módulo elástico de las capas de base y subbase
Módulo elástico de la carpeta asfáltica Drenaje 2.1 Principios básicos del método de diseño El método se basa en la siguiente ecuación
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MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Autor/Organización Representación
del Pavimento Análisis del Deterioro Efectos
Ambientales Análisis de Esfuerzo
Brown, Brunton, Pell Univ. de Nottingham Gran Bretaña
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Ahuellamiento
Temperatura N-capas, elástica
Shook, et al. Asphalt Institute, USA
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Ahuellamiento
Temperatura Hielo-Deshielo
Elástico
Verstraeten, et al.. Centro Investigaciones Viales, Bélgica
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Ahuellamiento
Temperatura Elástico
Battiato, et al. ASSORENI, Italia
Capa Viscoelástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Ahuellamiento
Temperatura Viscoelástico Lineal
Hsia, et al. ,U.S. Servicio Forestal , USA
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Ahuellamiento
Temperatura Situación del camino
Elástico
Lister, et al. TRRL, Gran Bretaña
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Temperatura Elástico
Roberts, et al. ARE, USA
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Ahuellamiento, Rugosidad. Agrietamiento térmico
Temperatura Heladas
Elástico
Gscwendt y Poliacek ,Lab. Investigac. Viales, Bratislava
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Temperatura Heladas
Elástico
Lytton, et al. , Texas University, USA
Placa(s) elástica(s) en sólido elástico
Indice de serviciabilidad
Bissada, et al. Ministerio Obras Públicas , Kuwait
Multicapa elástica sólida
Ahuellamiento Temperatura Elástico
Freeme, et al., NITRR, Sudáfrica
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas. Ahuellamiento (falla por corte).
Temperatura Elástico
Autret, et al, LCPC, Francia
Multicapa elástica sólida
Fatiga en capas tratadas Temperatura Elástico
Kennis, et al., FHWA,USA
Multicapa elástica o viscoelástica sólida
Fatiga en capas tratadas Ahuellamiento. Rugosidad
Temperatura Viscoelástico lineal y/o elástico
Bolk Rijkswaterstaat Netherlandas
Multicapa elástica sólida
Ahuellamiento Temperatura Elástico
Wolff Elementos finitos,
elástico no lineal
Brown Y Papin U. of Nottingham, Gran Bretaña
Elementos finitos,
elástico no lineal
Tabla 1
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07,832,2
)1(
10944,0
5,12,42,0)1(.36,9*
19,5
LogMr
SN
PSILog
SNLogSoZrLogN (1)
Donde: a. N es el número de ejes equivalente de 8,2 toneladas que utilizarán el
carril de diseño durante el período útil del pavimento. Este se puede determinar por diferentes métodos, ya sea por tendencia de curvas al analizar datos históricos de vías similares, por conteos directos, otros.
Nota: La carga del eje equivalente de 8,2 toneladas se está revaluando, probablemente se cambiara a 13 toneladas. b. Zr es la desviación estándar normal, la cual depende de los diferentes
niveles de confianza, tal como se muestra en la tabla 1.
R (%) Zr R (%) Zr
50 0 93 -1,476
60 -0,253 94 -1,555
70 -0,524 95 -1,645
75 -0,674 96 -1,751
80 -0,841 97 -1,881
85 -1,037 98 -2,054
90 -1,282 99 -2,327
91 -1,340 99.9 -3,090
92 -1,405 99.99 ,-3,750 Tabla 1: Desviaciones estándar para diferentes niveles de confianza R
c. So representa el error estándar combinado de la predicción del tránsito y
la predicción del comportamiento de la estructura del pavimento. Dicho valor varía entre 0,4 y 0,5, la AASHTO recomienda un valor de 0,44 si no se tiene en cuenta variaciones en la evaluación del tráfico y 0,49 si se presentan dichas variaciones.
d. PSI representa la diferencia entre el índice de servicialidad inicial (Pi) y el
final (Pf). Estos valores varían de una escala de 0 a 5 y son determinados por el ingeniero diseñador de la estructura. La AASHTO recomienda un valor mayor a 4 como índice inicial y el índice final entre 2 y 3.
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e. Mr: módulo resiliente o elástico dinámico de los materiales en análisis (subrasante, subbase y base).
f. SN equivale al número estructural indicativo del espesor total requerido de
pavimento, el cual se representa mediante las siguientes ecuaciones:
i capa la de drenaje de eCoeficient
i capa la deEspesor
i capa la de lestructura eCoeficient
:donde
333
2
222
111
1
i
i
i
subbase
subbase
base
subbasebase
m
e
a
meaSN
SNSNSN
meaSN
eaSN
SNSNSNSN
(2)
2.2 Variables de diseño 2.2.1 Comportamiento El comportamiento en el tiempo de la estructura del pavimento puede variar dependiendo de variantes tales como que el pavimento dure todo el período de análisis o de diseño o se construirán capas a partir de una estructura inicial cuando éstas sean necesarias. 2.2.1.1 Período de diseño: Tiempo de duración del pavimento nuevo o rehabilitado hasta que requiere algún trabajo para su rehabilitación, 2.2.1.2 Período de análisis: Tiempo de duración de la estrategia elegida, se recomienda incluir en este tiempo al menos una rehabilitación del pavimento. En la tabla 2 se presenta períodos recomendados de análisis
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Tipo de Carretera Período de Análisis (años)
Urbana de alto tránsito 30 - 50
Rural de alto tránsito 20 – 50
Bajo volumen (Concreto asfáltico) 15 – 25
Bajo volumen (tratamiento superficial) 10 - 20
Tabla 3: Período de análisis para diferentes tipos de carreteras
2.2.2 Confiabilidad El método provee un parámetro para la dar garantía del diseño, la cual se denomina como CONFIABILIDAD y la que se define como la probabilidad de que el diseño resista las solicitaciones y repeticiones del tráfico proyectado. El valor de la confiabilidad, el cual se expresa en porcentaje, depende del tipo de carretera. Podemos decir entonces que a mayor importancia de la carretera, el porcentaje de confiabilidad deberá ser mayor. El método AASHTO recomienda valores, los cuales se presentan en la tabla 3.
CLASIFICACIÓN FACTOR DE CONFIABILIDAD
Urbano Rural
Autopistas 85 – 99,9 80 – 99,9
Otras carreteras 80 – 99 75 - 95
Colectoras 80 - 95 75 – 95
Locales 50 - 80 50 - 80
Tabla 3: Niveles de confianza sugeridos
2.2.3 Variabilidad La variabilidad se representa mediante un coeficiente, el cual tiene en cuenta las desviaciones involucradas en el proceso de diseño, originadas por variaciones en: las propiedades físico-mecánicas de los materiales, variaciones en la explanada, estimaciones de tráfico, condiciones climáticas y calidad de la construcción. Dicho valor varía entre 0,4 y 0,5, la AASHTO recomienda un valor de 0,44 si no se tiene en cuenta variaciones en la evaluación del tráfico y 0,49 si se presentan dichas variaciones. 2.2.4 Efectos ambientales
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Para este fenómeno se presentan dos situaciones, una que tienen que ver con la presencia de materiales arcillosos de alta actividad y la influencia de las heladas. Este último no es importante en países tropicales y costeros. Lo anterior tiene efecto directo sobre el índice de servicialidad PSI, el cual realmente se ve afectado por el tránsito y la expansión de los suelos. La siguiente ecuación representa del cambio del índice de servicialidad.
)(exp(tránsito) ansiónPSIPSIPSI (3)
La pérdida de la servicialidad de la carretera por efecto de la expansión se puede determinar mediante la siguiente expresión:
añosen Tiempo,
0,2) a (0,04expansión de constante Tasa
porcentajeen expansión de adProbabilid
pulgadasen verticalpotencialElevación
:donde
)1(***00335,0)(exp
t
Ps
Vr
ePsVrPSI t
ansión
(4)
En la figura 1, se muestra la pérdida de servicialidad con el tiempo debido a la expansión y en las figuras 2, 3 y 4 representan el comportamiento de la ecuación anterior.
Figura 1: Pérdida de servicialidad por expansión de los suelos
0
0.1
0.2
0.3
0 5 10 15 20
Tiempo en años
Pér
dida
de
serv
icia
lidad
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Figura 2: Pérdida debida a la acción del tráfico
Figura 3: Pérdida debida a la expansión y/o heladas
PSI
Pi
Pf
Período de análisis
Tiempo
PSI
Pi
Pf
Período de análisis
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Figura 4: Pérdida total
2.2.5 Criterio de comportamiento Este parámetro se mide a partir de la diferencia entre el índice de servicialidad inicial y el final mediante la siguiente ecuación:
fi PPPSI (5)
por la AASHTO es de 4,2 y el final de 2,0 para carreteras y 2,5 para autopistas. Este nivel se servicio se puede medir también a partir del IRI mediante, por lo que la AASHTO recomienda los valores que ese encuentran el la tabla 4. 2.2.6 Propiedades de los suelos El método de diseño genera la tendencia a utilizar las propiedades dinámicas de los materiales utilizados en la construcción e incluso las de la subrasante. La obtención de los valores de dichas propiedades se consigue con la
PSI
Pi
Pf
Período de análisis
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utilización de equipos para ensayos cíclicos, que en parte son escasos en nuestro país. 2.2.6.1 Suelos fino granulares de subrasante La propiedad dinámica para este suelo se conoce como el Módulo Resiliente (MR) y se mide a partir de ensayos triaxiales cíclicos y con metodologías propuestas de cargas cíclicas. El módulo resiliente (MR) se define como la relación entre un esfuerzo desviador y la deformación recuperada cuando dicho esfuerzo desviador cíclico ha cesado, tal como se muestra en la siguiente expresión.
recuperada
s dMR (6)
Muchos investigadores han propuesto la obtención de dicho valor a partir de correlaciones entre ensayos estáticos tales como la compresión inconfinada y el ensayo CBR. Para este caso es de suma importancia conocer la confiabilidad de dicha ecuación, la cual generalmente se expresa mediante el coeficiente de correlación R2. Se presentan en la figura 5 algunas correlaciones, pero se aclara que el uso de ellas es responsabilidad del lector, pues la única forma de conocer el valor real, es por determinación directa en un ensayo.
2.2.6.2 Suelos gruesos granulares Para este tipo de materiales, generalmente constituyentes de las capas de subbase y base se requiere realizar ensayos cíclicos para determinar el módulo de elasticidad dinámico de los mismos. Se hace uso de correlaciones entre el CBR y el módulo elástico dinámico de estos materiales. Se aclara que las propuestas en el numeral anterior corresponden a suelos fino granulares que tengan valores de CBR menores del 10%. Para este tipo de suelos e incluso tratados, el método AASTHO presenta un ábaco con valores de CBR y el módulo elástico dinámico. Dichos ábacos no se presentan en este documento, pero se presentan las ecuaciones 7 y 8 correspondientes a los mismos que permiten determinar el coeficiente
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estructural para cada material, el cual depende del módulo dinámico obtenido. Para bases granulares:
psien base la de dinámico Módulo
977.0log*249.0
2
12
22
2
E
KE
Ea
K (7)
Estado K1 K2
Seco 6000 - 10000 0.5 – 0.7
Húmedo 4000 - 6000 0.5 – 0.7
Saturado 2000 - 4000 0.5 – 0.7
Para subbases granulares:
psien subbase la de dinámico Módulo
839.0log*227.0
3
13
33
2
E
KE
Ea
K (8)
Estado K1 K2
Seco 6000 - 8000 0.4 – 0.6
Húmedo 4000 - 6000 0.4 – 0.6
Saturado 1500 - 4000 0.4 – 0.6
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Figura 5: Correlaciones del CBR – MR propuestas por varias instituciones
2.2.6.3 Carpeta asfáltica Para la carpeta asfáltica se debe determinar el módulo elástico dinámico mediante la utilización de un equipo que pueda colocar cargas cíclicas. La norma ASTM presenta el método para dicha determinación. Cabe recordar que las propiedades de la carpeta asfáltica varían con el cambio de la temperatura y de la frecuencia de aplicación de las cargas, porque el método de la ASTM contempla dichos parámetros. En la ecuación 9 se presenta el comportamiento del coeficiente estructural a1
para una carpeta ensayada a 15 ºC
psien carpeta la de dinámico Módulo 1
668.1ln*1618.0
3
11
E
Ea (9)
2.2.7 Drenaje El método de diseño considera el drenaje desde el punto de vista de los efectos del agua en el potencial expansivo y la capacidad de soporte de la subrasante.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 20 40 60 80 100
CBR
Mr
(kg
f/c
m²)
Shell
USACE
CSIR
TRRL
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La medición del drenaje se hace mediante el tiempo de permanencia del agua en la estructura del pavimento, para lo cual el método suministra valores, los cuales se presentan en la tabla 4.
Tiempo de evacuación Calidad del drenaje
2 horas Excelente
1 día Bueno
1 semana Aceptable
1 mes Pobre
No drena Muy pobre
Tabla 4: Calidad del drenaje según tiempo de exposición
Para la determinación del SN, se emplean unos factores mi, estos valores
están en función de la calidad de drenaje y tiempo durante un año en el cual
se espera que la estructura del pavimento esté normalmente expuesta a
niveles cercanos a la humedad de saturación.
En la tabla 5, se presentan valores de mi
Calidad
drenaje
% de tiempo en que la estructura estará expuesta a niveles de
humedad cercanos a la humedad de saturación
< 1% 1% - 5 % 5% - 25% > 25 %
Excelente 1.4 – 1.35 1.35 – 1.30 1.30 – 1.20 1.20
Bueno 1.35 – 1.25 1.25 – 1.15 1.15 – 1.00 1.00
Aceptable 1.25 – 1.15 1.15 – 1.05 1.00 – 0.80 0.80
Pobre 1.15 – 1.05 1.05 – 0.80 0.80 – 0.60 0.60
Muy pobre 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 –0.40 0.40
Tabla 5: Valores de mi
Al mencionar el drenaje, se hace de suma importancia conocer las
propiedades granulométricas de la base que pueda proveer un drenaje
adecuado. En la tabla 6 se presentan los 3 tipos de gradación recomendados
por la AASHTO.
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Tamiz Tamaño % pasa acumulado
ASTM (mm) Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
2” 50 100
1 ½” 40 70 – 100 100
1” 25 55 – 85 70 – 100 100
¾” 20 45 – 75 60 – 90 70 – 100
3/8“ 10 35 – 65 40 – 75 50 – 80
Nº 4 5 25 – 55 30 – 60 35 – 65
2 15 – 40 20 – 45 25 – 50
0.5 5 –25 10 – 30 10 – 30
0.08 0 -10 0 -15 0 – 15
Tabla 6: Gradaciones para materiales de base
2.2.8 Tráfico La vida útil de la estructura del pavimento se basa también en el número de repeticiones durante el período de diseño del mismo de ejes de 80 kN.
2.3 Dimensionamiento de la estructura del pavimento Se presenta a continuación el procedimiento a seguir para determinar los espesores de las capas de la estructura del pavimento. 2.3.1 Determinación del número estructural SN Para determinar SN se requiere conocer los siguientes parámetros: Módulo resiliente de la subrasante (MR) Número de repeticiones de ejes equivalentes de 80 kN durante el período
de diseño (N) Nivel de confianza o confiabilidad (R) Desviación estándar (So)
La pérdida del índice o nivel de servicialidad (PSI) Los anteriores valores se reemplazan en la ecuación (1) y se determina SN. Existe también un ábaco para dicho proceso, el cual se presenta en la figura 6.
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2.3.2 Determinación de los espesores de las capas En esta etapa, se seleccionarán los espesores de las capas que satisfagan la capacidad de soporte suministrada por el valor de SN determinado en el numeral anterior. Se utiliza la ecuación (2). Esta expresión no lleva a una solución única, sino a varias alternativas técnicamente válidas, las cuales deben ser evaluadas económicamente. El método de la AASTHO determinó espesores mínimos para las capas de base granular y la carpeta asfáltica en función del valor N. Éstas se presentan en la tabla 7. El proceso para determinar el espesor de las capas obedece a una logística, la cual se presenta a continuación. Tomaremos la figura 9 como base a esta explicación.
N (millones) Base granular
(cm) Carpeta asfáltica
(cm)
< 0.05 10 2.5 ó TSD
0.05 – 0.15 10 5.0
0.15 – 0.50 10 6.3
0.50 – 2.0 15 7.5
2.0 – 7.0 15 8.8
> 7.0 15 10
Tabla 7: Espesores mínimos
e1
Carpeta asfáltica
SN1
e2
Base
SN2
e3
Subbase
SN
Subrasante
Figura 9: Esquema del método para determinar el espesor de las capas
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Determinación del espesor de la carpeta asfáltica
- Determinar SN1 de la ecuación (1) en función del módulo dinámico de la capa de base
- Determinar a1 de la ecuación (9) - Determinar el espesor de la carpetas asfáltica en pulgadas,
e1 = (SN1/a1) - Redondear el valor a un valor factible en el proceso
constructivo. Por ejemplo de 0,1 en 0,1 - Corregir SN1 el cual se denominará SN1c. La corrección se
hace en función del espesor redondeado
Determinación del espesor de la capa de base
- Determinar SN2 de la ecuación (1) en función del módulo dinámico de la capa de subbase
- Determinar a2 de la ecuación (7)
- Determinar m2 de las tablas 4 y 5 - Determinar SNbase = SN2 - SN1c - Determinar el espesor de la capa de base en pulgadas,
e2= (SNBase/(a2*m2))
- Redondear el valor a un valor factible en el proceso constructivo. Por ejemplo de 0,1 en 0,1
- Corregir SNBase el cual se denominará SNBasec. La corrección se hace en función del espesor redondeado
- Corregir SN2 el cual se denominará SN2c Determinación del espesor de la capa de subbase
- Determinar SN de la ecuación (1) en función del módulo dinámico de la subrasante
- Determinar a3 de la ecuación (8) - Determinar m3 de las tablas 4 y 5 - Determinar SNsubbase= SN - SN2c
- Determinar el espesor de la capa de subbase en pulgadas, e3= (SNsubBase/(a3*m3))
- Redondear el valor a un valor factible en el proceso constructivo. Por ejemplo de 0,1 en 0,1
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Tránsito Medio ambiente Subrasante
Características de
los materiales del
pavimento
Espesor tentativo
pavimentoGrado de riesgo
Análisis de
deterioro
FatigaDeformaciones
permanentes
Agrietamiento
térmicoEfecto de heladas
Efectos de cambio
de volumen
Reflexión de
cargas
Evaluación del
deterioro
Adecuado
Selección de
espesor y
requisitos de los
materiales
Uso de catálogo
de diseños
No
Si
DISEÑO DE PAVIMENTOS
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DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
Método del TRL para países tropicales y subtropicales
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TRÁNSITO
Clases 106 ejes equivalentes 8.2 t
T1 < 0.3
T2 0.3 – 0.7
T3 0.7 – 1.5
T4 1.5 – 3.0
T5 3.0 – 6.0
T6 6.0 – 10.0
T7 10.0 – 17.0
T8 17.0 – 30.0
SUBRASANTE
Clases CBR
S1 2
S2 3 – 4
S3 5 – 7
S4 8 – 14
S5 15 – 29
S6 > 30
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MÉTODO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA PAÍSES TROPICALES Y SUBTROPICALES
Convenciones para el uso de las cartas de diseño
Tratamiento superficial doble (TSD) Arena – asfalto (AA) Concreto asfáltico (Rodadura WC y base asfáltica) (CA)
Base asfáltica, RB (BA)
Base granular, GB – GB3 (BG) Subbase granular, GS (SBG) Relleno seleccionado, GC (RS)
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Base estabilizada con cemento o Cal 1, CB1 (BEC1) Base estabilizada con cemento o Cal 2, CB1 (BEC2) Base estabilizada con cemento o Cal, CS (BEC3)
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Base granular/tratamiento superficial.
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
TSS BG (150 mm) SBG (175 mm) RS
(300 mm)
TSS BG (200 mm)
SBG
(225*mm)
RS (300 mm)
TSS BG (200 mm) SBG (200 mm) RS
(300 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(250* m) RS
(300 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(300*mm) RS
(300 mm)
TSS BG
(225 mm) SBG
(325*mm) RS
(300 mm)
S2
TSS BG (150 mm) SBG (150 mm) RS
(200 mm)
TSS BG (150 mm) SBG (200 mm) RS
(200 mm)
TSS BG (200 mm) SBG (175 mm) RS
(200 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(225*mm) RS
(200 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(275*mm) RS
(200 mm)
TSS BG
(225 mm) SBG
(300*mm) RS
(200 mm)
S3
TSS BG (150 mm) SBG (200 mm)
TSS BG (150 mm) SBG (250 mm)
TSS BG (200 mm) SBG (225 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(275*mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(325*mm)
TSS BG
(225 mm) SBG
(350*mm)
S4
TSS BG (150 mm) SBG (125 mm)
TSS BG (150 mm) SBG (175 mm)
TSS BG (175 mm) SBG (100 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(125 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(250 mm)
TSS BG
(225 mm) SBG
(275 mm)
S5
TSS BG (150 mm) SBG (100 mm)
TSS BG (150 mm) SBG (100 mm)
TSS BG (175 mm) SBG (100 mm)
TSS BG
(200 mm) SBG
(125 mm)
TSS BG
(225 mm) SBG
(150 mm)
TSS BG
(250 mm) SBG
(175 mm)
S6
TSS BG (150 mm)
TSS BG (150 mm)
TSS BG (175 mm)
TSS BG
(200 mm)
TSS BG
(225 mm)
TSS BG
(250 mm)
Notas:
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1. *Se pueden sustituir hasta 100 mm se de subbase por material seleccionado siempre y cuando el espesor de la subbase no resulte inferior al de la base ni menor de 200 mm, debiendo tomarse de los 2. La relación de sustitución subbase : material seleccionado es 25 mm : 32 mm.
2. Se permite el uso de subbases estabilizadas con cal o con cemento.
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Base compuesta (granular y estabilizada)/tratamiento superficial.
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
TSD BG
(150 mm) BEC2
(150 mm) RS
(300 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(175 mm) RS
(300 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(200 mm) RS
(300 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(225 mm) RS
(300 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(275 mm) RS
(300 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(150 mm) RS
(300 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(175 mm) RS
(300 mm)
S2
TSD BG
(125 mm) BEC2
(150 mm) RS
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(150 mm) RS
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(175 mm) RS
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(200 mm) RS
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(250 mm) RS
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(125 mm) RS
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(175 mm) RS
(200 mm)
S3
TSD BG
(125 mm) BEC2
(150 mm) RS
(100 mm)
TSD BG
(125 mm) BEC2
(150 mm) RS
(125 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(150 mm) RS
(125 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(175 mm) RS
(150 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(225 mm) RS
(150 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(125 mm) RS
(150 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(150 mm) RS
(150 mm)
S4
TSD BG
(125 mm) BEC2
(150 mm)
TSD BG
(125 mm) BEC2
(175 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(175 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(250 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(125 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC1
(125 mm) BEC2
(175 mm)
S5
TSD BG
(125 mm) BEC2
(125 mm)
TSD BG
(125 mm) BEC2
(125 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(125 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(150 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(175 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(200 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(250 mm)
S6 TSD BG
(150 mm)
TSD BG
(150 mm)
TSD BG
(175 mm)
TSD BG
(200 mm)
TSD BG
(225 mm)
TSD BG
(125 mm) BEC2
(150 mm)
TSD BG
(150 mm) BEC2
(175 mm)
Notas: 1. No se permite sustitución de subbase por material seleccionado.
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Base granular/rodadura semiestructural.
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (200 mm)
RS (300 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (250*mm)
RS (300 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (300*mm)
RS (300 mm)
AA (50 mm)
BG (200 mm)
SBG (325*mm)
RS (300 mm)
S2
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (175 mm)
RS (200 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (225*mm)
RS (200 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (275*mm)
RS (200 mm)
AA (50 mm)
BG (200 mm)
SBG (300*mm)
RS (200 mm)
S3
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (225 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (275*mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (325*mm)
AA (50 mm)
BG (200 mm)
SBG (350*mm)
S4
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (150 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (200 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (250 mm)
AA (50 mm)
BG (200 mm)
SBG (275*mm)
S5
AA (50 mm)
BG (150 mm)
SBG (100 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (125 mm)
AA (50 mm)
BG (175 mm)
SBG (150 mm)
AA (50 mm)
BG (200 mm)
SBG (175 mm)
S6 AA BG
(150 mm)
AA BG
(175 mm)
AA BG
(200 mm)
AA BG
(225 mm)
Notas: 1. *Se pueden sustituir hasta 100 mm de subbase por material seleccionado
siempre y cuando el espesor de la subbase no resulte inferior al de la base ni menor de 200 mm, debiendo tomarse el mayor de los 2.
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La relación de sustitución subbase : material es 25 mm : 32 mm. 2. Se permite el uso de subbases estabilizadas con cal o con cemento.
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Base compuesta/rodadura semiestructural.
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (175
mm) RS (300
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (200
mm) RS (300
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (250
mm) RS (300
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (125 mm) BEC2 (125 mm)
RS (300 mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (125 mm) BEC2 (150 mm)
RS (300 mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (150 mm) BEC2 (150 mm)
RS (300 mm)
S2
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (175
mm) RS (200
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (200
mm) RS (200
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (225
mm) RS (200
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (125 mm) BEC2 (125 mm)
RS (200 mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (125 mm) BEC2 (150 mm)
RS (200 mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (150 mm) BEC2 (150 mm)
RS (200 mm)
S3
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (150
mm) RS (125
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (150
mm) RS (150
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (200
mm) RS (150
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (250
mm) RS (150
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (125 mm) BEC2 (125 mm)
RS (200 mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (150 mm) BEC2 (125 mm)
RS (200 mm)
S4
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (150
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (175
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (225
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (250
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (125 mm) BEC2 (150 mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1
(15O mm) BEC2 (150
mm)
S5
AA (50 mm) BG
(125 mm) BEC2 (125
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (125
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (150
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (175
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC2 (225
mm)
AA (50 mm) BG
(150 mm) BEC1 (125 mm) BEC2 (125 mm)
S6 AA BG
(150 mm)
AA BG
(175 mm)
AA BG
(200 mm)
AA BG
(100 mm) BEC2 (150
mm)
AA BG
(150 mm) BEC2 (150
mm)
AA BG
(150 mm) BEC1 (150
mm)
Notas: 1. No se permite sustitución de subbase por material seleccionado.
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Base granular/rodadura estructural.
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
CA (100 mm) BG (200
mm) SBG
(225*mm) RS (350
mm)
CA (125 mm) BG (225
mm) SBG
(225*mm) RS (350
mm)
CA (150 mm) BG (250
mm) SBG (250 mm) RS
(350 mm)
S2
CA (100 mm) BG (200
mm) SBG
(225*mm) RS (200
mm)
CA (125 mm) BG (225
mm) SBG (225 mm) RS
(200 mm)
CA (150 mm) BG (250
mm) SBG (250 mm) RS
(200 mm)
S3
CA (100 mm) BG (200
mm) SBG (250
mm)
CA (125 mm) BG (225
mm) SBG (250
mm)
CA (150 mm) BG (250
mm) SBG (275
mm)
S4
CA (100 mm) BG (200
mm) SBG (175
mm)
CA (125 mm) BG (225
mm) SBG (175
mm)
CA (150 mm) BG (250
mm) SBG (175
mm)
S5
CA (100 mm) BG (200
mm) SBG (100
mm)
CA (125 mm) BG (225
mm) SBG (100
mm)
CA (150 mm) BG (250
mm) SBG (100
mm)
S6
CA (100 mm) BG (200
mm)
CA (125 mm) BG (225
mm)
CA (150 mm) BG (250
mm)
Notas: 1. *Se pueden sustituir hasta 100 mm se de subbase por material
seleccionado siempre y cuando el espesor de la subbase no resulte inferior al de la base ni menor de 200 mm, debiendo tomarse de los 2. La relación de sustitución subbase : material seleccionado es 25 mm : 32 mm.
2. Se permite el uso de subbases estabilizadas con cal o con cemento.
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Base compuesta/rodadura estructural
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
CA (100 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (200 mm)
RS (350 mm)
CA (125 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (250 mm)
RS (350 mm)
CA (150 mm)
BG (250 mm)
BEC1 (125 mm)
BEC2 (125 mm)
RS (350 mm)
S2
CA (100 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (200 mm)
RS (200 mm)
CA (125 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (250 mm)
RS (200 mm)
CA (150 mm)
BG (150 mm)
BEC1 (125 mm)
BEC2 (125 mm)
RS (200 mm)
S3
CA (100 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (175 mm)
RS (125 mm)
CA (125 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (200 mm)
RS (125 mm)
CA (150 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (225 mm)
RS (125 mm)
S4
CA (100 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (175 mm)
CA (125 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (200 mm)
CA (150 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (225 mm)
S5
CA (100 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (175 mm)
CA (125 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (150 mm)
CA (150 mm)
BG (150 mm)
BEC2 (150 mm)
S6
CA (100 mm)
BG (200 mm)
BEC2 (150 mm)
CA (125 mm)
BG (100 mm)
BEC2 (150 mm)
CA (150 mm)
BG (100 mm)
BEC2 (150 mm)
Notas: 1. No se permite sustitución de subbase por material seleccionado.
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Base asfáltica/rodadura semiestructural.
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
TSD BA
(150 mm) SBG
(200 mm) RS
(350 mm)
CA (50 mm)
BA (125 mm)
SBG (225*mm)
RS (350 mm)
CA (50 mm)
BA (150 mm)
SBG (225*mm)
RS (350 mm)
CA (50 mm)
BA (175 mm)
SBG (225*mm)
RS (350 mm)
CA (50 mm)
BA (200 mm)
SBG (250*mm)
RS (350 mm)
S2
TSD BA
(150 mm) SBG
(200 mm) RS
(200 mm)
CA (50 mm)
BA (125 mm)
SBG (225*mm)
RS (200 mm)
CA (50 mm)
BA (150 mm)
SBG (225*mm)
RS (200 mm)
CA (50 mm)
BA (175 mm)
SBG (225*mm)
RS (200 mm)
CA (50 mm)
BA (200 mm)
SBG (250*mm)
RS (200 mm)
S3
TSD BA
(150 mm) SBG
(250 mm)
CA (50 mm)
BA (125 mm)
SBG (250 mm)
CA (50 mm)
BA (150 mm)
SBG (275*mm)
CA (50 mm)
BA (175 mm)
SBG (275*mm)
CA (50 mm)
BA (200 mm)
SBG (275*mm)
S4
TSD BA
(150 mm) SBG
(175 mm)
CA (50 mm)
BA (125 mm)
SBG (200 mm)
CA (50 mm)
BA (150 mm)
SBG (200 mm)
CA (50 mm)
BA (175 mm)
SBG (200 mm)
CA (50 mm)
BA (200 mm)
SBG (200 mm)
S5
TSD BA
(150 mm) SBG
(125 mm)
CA (50 mm)
BA (125 mm)
SBG (125 mm)
CA (50 mm)
BA (150 mm)
SBG (125 mm)
CA (50 mm)
BA (175 mm)
SBG (125 mm)
CA (50 mm)
BA (200 mm)
SBG (125 mm)
S6 TSD BA
(150 mm)
CA (50 mm)
BA (125 mm)
CA (50 mm)
BA (150 mm)
CA (50 mm)
BA (175 mm)
CA (50 mm)
BA (200 mm)
Notas: 1. *Se pueden sustituir hasta 100 mm se de subbase por material
seleccionado siempre y cuando el espesor de la subbase no resulte inferior al de la base ni menor de 200 mm, debiendo tomarse de los 2. La relación de sustitución subbase : material seleccionado es 25 mm : 32 mm.
2. Se permite el uso de subbases estabilizadas con cal o con cemento.
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Base estabilizada/tratamiento superficial
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
S1
TSD BEC2
(150 mm) BA
(150 mm) RS
(350 mm)
TSD BEC2
(150 mm) BA
(175 mm) RS
(350 mm)
TSD BEC2
(175 mm) BA
(175 mm) RS
(350 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(200 mm) RS
(350 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(225 mm) RS
(350 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(250 mm) RS
(350 mm)
S2
TSD BEC2
(150 mm) BA
(150 mm) RS
(225 mm)
TSD BEC2
(150 mm) BA
(175 mm) RS
(225 mm)
TSD BEC2
(175 mm) BA
(175 mm) RS
(225 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(175 mm) RS
(225 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(225 mm) RS
(225 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(275 mm) RS
(225 mm)
S3
TSD BEC2
(150 mm) BA
(150 mm) RS
(125 mm)
TSD BEC2
(150 mm) BA
(150 mm) RS
(125 mm)
TSD BEC2
(175 mm) BA
(150 mm) RS
(125 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(175 mm) RS
(125 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(200 mm) RS
(125 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(225 mm) RS
(125 mm)
S4
TSD BEC2
(150 mm) BA
(100 mm)
TSD BEC2
(150 mm) BA
(150 mm)
TSD BEC2
(175 mm) BA
(150 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(100 mm) RS
(100 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(150 mm) RS
(100 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(200 mm) RS
(100 mm)
S5
TSD BEC2
(150 mm) BA
(100 mm)
TSD BEC2
(150 mm) BA
(100 mm)
TSD BEC2
(175 mm) BA
(100 mm)
TSD BEC2
(175 mm) BA
(150 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(175 mm)
TSD BEC2
(200 mm) BA
(200 mm)
S6 TSD
BEC2 (150 mm)
TSD BEC2
(150 mm)
TSD BEC2
(175 mm)
TSD BEC2
(200 mm)
TSD BEC2
(225 mm)
TSD BEC2
(250 mm)
Notas: 1. También puede emplearse una subbase granular.
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Tipo de Vehículo MOPT-Ingeroute Universidad del Cauca (1996)
Buseta 0,05
Bus P-600 0,40
0,2 (promedio)
Bus P-900 1,0
C2 pequeño 1,14
1,4 (promedio)
C2 Grande 3,44
C3 2,4 3,76
C2 – S1 3,37
C4 3,67 6,73
C3 – S1 2,22
C2 – S2 3,42
C3 – S2 4,67 4,40
C3 – S3 5,0 4,72
Factores de Equivalencia de Carga
Tipo de Vehículo Vacío Cargado Ponderado
Buseta 0,05 0,05
Bus P-600 0,40 0,40
Bus P-900 1,0 1,0
C2 pequeño 0,01 0,1 0,1
C2 Grande 0,1 2,80 2,20
C3 0,20 4,60 3,90
C2 – S1 0,10 1,40 1,20
C2 – S2 0,20 6,70 4,0
C3 – S2 0,20 5,30 3,70
C3 – S3 0,20 5,90 4,30
Factores de Equivalencia de Carga
obtenidos en la primera fase de la investigación Nacional de Pavimentos
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Número de Carriles Porcentaje de Vehículos Comerciales en el Carril de Diseño
2 50
4 45 (35 – 48)
> 6 40 (25 – 48) Nota: Los valores entre paréntesis son probables
Porcentaje de Vehículos Comerciales en el Carril de Diseño según el Instituto de Asfalto
Modelo Ecuación
Lineal Y = a + bX
Exponencial Y = acbx
Logarítmico Y = a + b (ln X)
Potencial Y = aXb
Geométrico Y = a(1+b)X Nota: La ecuación ideal corresponde a la de mayor coeficiente de correlación
X: corresponde al año para el cual se hace el estimativo Y: corresponde al valor estimado correspondiente al año X
a, b, c: constantes de la ecuaciones
Ecuaciones de Estimación del Tránsito a partir de datos Históricos
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Diseño de Pavimentos Flexibles
Método MOPT – 1975
N Base granular Capa de rodadura
< 500.000 15 cm TSD
500.000 – 2.500.000 15 cm CA = 5 cm
20 cm TSD
2.500.000 – 5.000.000 15 cm CA = 7.5 cm
20 cm CA = 5.0 cm