SUBRASANTES Y SUBBASES PARA PAVIMENTOS DE CONCRETO*

Por: Cipriano A. Londoño N. Ingeniero Civil Departamento Técnico ICPC

1. INTRODUCCIÓN Es absolutamente necesario poner atención en el diseño y en la construcción de las subrasantes y de las subbases sí se quiere obtener la capacidad y la calidad estructural deseada en cualquier tipo de pavimento. Para los pavimentos de concreto, los requisitos pueden variar considerablemente dependiendo del suelo de la subrasante, de las condiciones ambientales y del volumen de tránsito pesado. En cualquier caso, el objetivo es el de obtener un soporte uniforme que permanezca así a través de todo el periodo de diseño. 2. SUBRASANTES La subrasante es el soporte natural, gradado y compactado, en el cual se puede construir un pavimento. La preparación de la subrasante incluye: Compactación del suelo con unos

contenidos de humedad y de densidad que aseguren un soporte uniforme y estable para el pavimento.

Donde se pueda, construir rasantes lo

más altas posibles y zanjas laterales con el fin de incrementar la distancia entre el pavimento y el nivel freático.

*Esta ponencia es una traducción y adaptación del artículo titulado "Subgrades and Subbases for Concrete Pavements", de la American Concrete Pavement Association, realizada por el ingeniero Cipriano A. Londoño N.

Transportar y mezclar los suelos hasta

alcanzar unas condiciones de uniformidad en aquellas áreas donde hay un cambio horizontalmente abrupto en el tipo de suelo.

Usar gradaciones escogidas en las

áreas de corte y lleno buscando tener el mejor material en las capas más cercanas a la superficie final de las subbases.

Tratamiento con cemento o con cal,

con el fin de mejorar la capacidad de soporte.

3. SUBBASES Bajo ciertas condiciones, que se describirán más adelante, puede que se necesite de una capa de subbase. En esta publicación se denomina subbase a la capa de material que esta subyaciendo el pavimento de concreto. Algunos ingenieros llaman a esta capa base dado que es el término usado para designar la primera capa que esta debajo de la superficie de concreto asfáltico. Sin embargo, es necesario hacer esta aclaración en cuanto a la terminología. Además los requisitos de calidad para la subbase (en pavimentos de concreto), no son tan estrictos como los de las bases para pavimentos de asfalto, dado que bajo las losas de concreto, la presión transmitida a las subbases debido a la circulación de los vehículos es mucho más baja que la que se da en los pavimentos de asfalto.

Las subbases se pueden construir con materiales granulares, materiales tratados con cemento, concreto pobre, o con bases abiertas, altamente permeables, que pueden ser estabilizadas o no. Para pavimentos de tránsito liviano tales como los de las calles residenciales, las carreteras secundarias, los parqueaderos y aeropuertos de uso liviano, no se necesita la capa de subbase y los resultados deseables se alcanzan con una preparación adecuada de la subrasante.

Especificando una subbase tratada con cemento o un concreto pobre que provea un soporte uniforme y con alta capacidad de soporte para el pavimento y sus juntas, además de que se obtiene una plataforma de trabajo para todos los climas y contribuye a dar le al pavimento una superficie más suave y le da una soporte más firme para las formaletas y para las pavimentadoras durante la construcción.

Cuando se considera que se necesita la subbase los mejores resultados se obtienen:

Especificar subbases permeables para los pavimentos que serán solicitados por altos volúmenes de camiones pesados en los cuales la experiencia indica la posibilidad de escalonamiento y bombeo en el pavimento.

Seleccionando los materiales que

tengan los requisitos mínimos para prevenir el bombeo de del suelo de la subrasante.

3.1 Soporte uniforme

Especificando los controles para la

conformación de la subrasante de manera que se pueda asegurar una granulometría, para el material de la subbase, razonablemente constante para cada proyecto.

Al considerar las propiedades del concreto se revela un principio sencillo aplicable a todos los aspectos de diseño para la subbase y subrasante. El concreto tiene un módulo de elasticidad entre 28.000 y 42.000 MPa y así tiene una rigidez alta. También, el concreto para pavimentos tiene una importante resistencia a la flexotracción como lo indica el ensayo de flexión el cual arroja resultados de 42 MPa y 55 MPa, y aun más alto como sucede en pavimentos hechos con concretos con rápida ganancia de resistencia. La rigidez y la resistencia a flexión del concreto distribuyen las cargas sobre áreas muy grandes como se muestra en la Figura 1. El resultado, es que la deflexión y la presión sobre la subrasante son muy pequeñas.

Especificando una subbase con un

espesor mínimo de 10 cm. Especificando una densidad para

subbases no tratadas de 105% de la densidad AASHTO T99 (Próctor estándar) para vías de tránsito pesado.

De lo anterior se deduce que los pavimentos de concreto no necesitan fundaciones con alta capacidad de soporte. Es mucho más importante que el apoyo sea razonablemente uniforme, sin cambios bruscos en el grado de soporte. Esto contrasta con el principio de diseño

de los pavimentos flexibles donde se necesitan capas de subbase y base sucesivamente más fuertes con el fin de distribuir las presiones altas transmitidas por las ruedas de los vehículos a través de la superficie de asfalto. El principio de la uniformidad del soporte explica el funcionamiento del pavimento que de otra manera seria muy difícil de entender. El comportamiento observado en muchos kilómetros de pavimentos viejos construidos sin control de la compactación de la subrasante y sin subbases, indica que los que los que están en excelente condición se debe a que la subrasante es naturalmente uniforme. Y los deterioros se observan en aquellos sitios en los cuales se presentan cambios bruscos en las condiciones de la subrasante y de la humedad, como también en las transiciones entre las secciones de corte y de lleno. Muchos pavimentos para autopistas que tienen subbases y que fueron construidas controlando en algún grado, la compactación muestra mejores resultados en suelos de baja capacidad, cuando durante la construcción se obtienen soportes uniformes, que en suelos de alta capacidad pero heterogéneos. Los ensayos realizados por la Portland Cement Association1 indican que las cargas pesadas se distribuyen en áreas muy grandes y las presiones son bajas. La Figura 2 muestra las condiciones del ensayo para una carga de 5 448 kg. (12 000 lbs), la presión aplicada de 7,42 kg/cm2 (106 psi) se redujo a valores que oscilaron de 0,21 a 0,49 kg/cm2 (3 a 7 Psi) y la distribución de la carga llega hasta los 6 m (20 pies). Otros estudios 2-4 también muestran que las presiones son muy bajas, considerablemente menores que la resistencia que tienen las subrasantes. 3.1.1 Diseño para un soporte uniforme

Para diseñar una subrasante y una subbase que dé un soporte razonablemente uniforme se deben controlar las tres causas mayores que generan heterogeneidades como son: los suelos expansivos, el bombero de finos y el congelamiento. En esta ponencia no se tratará el último punto debido a nuestras condiciones tropicales. La manera más económica de controlar la expansividad de los suelos es mediante técnicas apropiadas para preparar la subrasante y el bombeo, donde existan posibilidades de que se presente, se controla con la construcción de una capa de subbase delgada. El uso de capas gruesas para controlar la expansividad de los suelos ha demostrado poca efectividad, además de que los costos normalmente son más altos que los de cualquier alternativa. 4. SUBRASANTES Cuando las condiciones de la subrasante no son uniformemente razonables, las correcciones más económicas y efectivas se logran con una preparación adecuada del suelo de la subrasante, como puede ser escoger una granulometría adecuada, acarreando materiales de préstamo, mezclando el suelo de transiciones bruscas y controlando el grado de humedad y de densidad de la subrasante. Se debe poner especial atención para controlar la expansión de los suelos. 4.1 Suelos expansivos Las diferencias que se presentan entre la contracción y la expansión en un mismo suelo generan soportes heterogéneos, que traen como consecuencia, que el concreto comienza a distorsionarse hasta dañar su calidad. Varias condiciones pueden llevar a la distorsión y al alabeo del pavimento:

Si los suelos expansivos son compactados cuando están demasiado secos o si existe posibilidad de que se sequen antes de que se construya la losa, puede que se dé la expansión y generar apertura de las juntas y pérdida de la sección transversal.

Cuando los pavimentos de concreto se

construyen en suelos expansivos con contenidos de humedad muy variables, las subsecuentes expansiones y contracciones pueden ocasionar depresiones, elevaciones o ondulaciones en el pavimento.

También se pueden presentar

ondulaciones en el pavimento cuando se dan cambios bruscos de volumen.

4.1.1 Identificación de los suelos expansivos El conocimiento del potencial de los suelos de cambiar de volumen y el efecto que puedan tener en el comportamiento de los pavimentos se ha ido generando a través de la experiencia y de las investigaciones. Ensayos sencillos suministran indicios que sirven como ayuda para identificar aproximadamente el potencial de los cambios de volumen 6,7. En la Tabla 1 se observa una de esas relaciones. En la Tabla 1, el porcentaje de expansión está dado para un suelo que pasa de estar seco hasta estar saturado. En realidad, se puede dar mucha menos

expansión debido a que las condiciones extremas de la variación en la humedad puede que no se presenten. La experiencia muestra que los cambios de volumen en las arcillas con grado de expansión bajo o medio generalmente no le causan problemas a los pavimentos de concreto, especialmente si los cambios bruscos en las condiciones del suelo se minimizan durante la conformación de la subrasante. Ciertos ensayos de expansión tales como el AASHTO T 116 (ASTM D 1883) y ASTM D 4546, D 4829, ensayo CAL TRANS No 3548 y los ensayos de succión de suelos (ASTM D 3152 y las referencias 9 a la 11) son especialmente adecuados para evaluar el cambio de volumen de los suelos de la subrasante. Algunos de los factores más importantes determinados por estos ensayos, los cuales no se pueden obtener únicamente con base en los índices simples son: El efecto de la humedad de

compactación y de la densidad del suelo en las características de expansión.

El efecto de las sobrecargas.

La relación entre las expansiones de la

muestra total de suelos con la de la fracción fina solamente.

Los suelos suficientemente expansivos que pueden generar distorsiones en los pavimentos de concreto son los que se clasifican como A-6 ó A-7 según la clasificación AASHTO o los clasificados como CH, MH y OH según la unificada.

4.1.2 Control de suelos expansivos profundidades de 4,5 m o más. Así, la

expansividad excesiva se puede controlar poniendo los suelos más expansivos en la parte inferior de los terraplenes y trayendo

La magnitud del cambio de volumen que puede ocurrir en suelo expansivo depende de varios factores: el material de préstamo menos expansivo

para la parte superior tanto en los cortes como en los terraplenes.

Del clima: Los cambios de humedad

que pueden ocurrir en la subrasante a través del año y de año en año. Es cierto que la construcción del pavimento puede reducir el grado de las variaciones de humedad en las capas inferiores.

Unos suelos con la gradación apropiada y debidamente mezclados pueden dar unas condiciones de uniformidad razonables en la parte alta de la subrasante además de generar una transición gradual entre los suelos con diferentes propiedades de cambio de volumen.

Condiciones de carga. El efecto de

sobrecarga que el peso del concreto, de la subbase y del suelo pueden tener sobre los suelos expansivos.

En las secciones en corte de suelos altamente expansivos, se puede presentar una expansión considerable debido a la remoción de la sobrecarga natural y a la consecuente absorción de humedad adicional. Dado que la expansión ocurre lentamente, es esencial excavar los cortes simultáneamente con los otros trabajos de adecuación de la subrasante.

La densidad y las condiciones de

humedad de las subrasantes expansivas durante el momento de la pavimentación.

El conocimiento de las interrelaciones de esos factores ayuda en la selección del método más económico para el control.

4.1.2.2 Control de humedad y compactación

4.1.2.1 Conformación de la subrasante Los cambios de volumen de los suelos se pueden reducir fuertemente con un adecuado control de la humedad y densidad durante el proceso de la compactación. Con el fin de reducir los cambios de volumen en subrasantes de suelos muy expansivos es importante que la compactación se realice con un contenido de humedad entre 1 y 3 % por

Los ensayos12 indican que la expansión de los suelos se puede reducir con una sobrecarga. Las mediciones hechas en el campo indican que la expansión de los suelos que es muy grande a profundidades entre 0,3 y 0,6 m decrece hasta ser prácticamente despreciable a

encima de la óptima del ensayo Próctor Normal (AASHTO T 99).

Es una práctica muy común, utilizar el ensayo Próctor Modificado AASHTO T 180, el cual tiene una alta energía de compactación que permite alcanzar altas densidades pero bajas humedades óptimas comparadas con el ensayo Próctor Normal. La Figura 4 compara las relaciones entre la humedad y la densidad que para un suelo expansivo A-6 tienen los dos ensayos Próctor.

Cuando los terraplenes tienen una altura considerable el contenido de humedad del suelo puede incrementarse desde ligeramente inferior al óptimo, en la parte baja del terraplén, hasta estar por encima del óptimo en los últimos 0,30 a 0,50m.

Muchas investigaciones13-16 han verificado que la expansión se reduce notablemente cuando la compactación del suelo se hace con humedades por encima de la que corresponde a la óptima del Próctor modificado.

Hay que tener presente que el ensayo Próctor Modificado fue desarrollado para representar las altas energías de compactación necesarias para densificar las capas de base y subbase granulares. Y ese ensayo es adecuado para usarse en subrasantes de baja plasticidad. Aunque excelente para esos propósitos, las altas energías de compactación generan contenidos de humedad que también son bajos para los suelos expansivos.

En la Figura 3 se muestra la gran influencia que tienen la humedad y la densidad en los cambios de volumen. Las bajas energías de compactación generan considerablemente menores expansiones, pero esto no se recomienda debido a que en la práctica es difícil obtener un grado razonable de uniformidad. Los mejores resultados se obtienen cuando se incrementa el contenido de humedad con una energía de compactación similares a los que da AASHTO T 99.

La compactación de los suelos expansivos con bajos contenidos óptimos de humedad genera expansiones excesivas que a su vez producen su-perficies ásperas en los pavimentos. La muestra como un la expansión de un suelo A-6 se reduce notablemente, cuando se compacta con la humedad óptima del ensayo Próctor Normal, en comparación con la que presenta cuando se compacta con humedades menores que la óptima del Próctor Modificado. También se puede observar en la Figura las altas resistencias y las bajas

Las investigaciones de laboratorio 13-17 han mostrado que los suelos compactados con una humedad ligeramente más alta que la óptima se expanden menos y absorben menos agua, pero tienen alta resistencia después de que se humedecen.

absorciones que permanecen en el suelo, compactado con la humedad del Próctor Normal, después de que éste se satura.

Las experiencias de campo17-18 también permiten establecer cuales son los mejores contenidos de humedad para usar en los suelos expansivos. No se presentan alteraciones objetables en los pavimentos que se han construido en suelos plásticos uniformes cuando el contenido de humedad del suelo está cerca del limite plástico (que es ligeramente superior al óptimo del ensayo Próctor Normal). De otro lado, se ha presentado alabeo en las losas del pavimento cuando se ha construido sobre subrasantes expansivas compactadas con baja humedad. Las experiencias también demuestran que las subrasantes compactadas ligeramente húmedas presentan gran resistencia a ganar humedad por absorción o a perderla por evaporación si se comparan con suelos compactados con cualquier otra condición. Después de que los pavimentos están en servicios, las subrasantes alcanzan humedades cercanas a las del limite plástico, que como ya se dijo son ligeramente superiores a las óptimas del ensayo Próctor Normal, pero si estas humedades se obtienen durante la construcción, los posteriores cambios de humedad pueden ser mucho menores, y

la subrasante puede mantener la estabilidad razonablemente uniforme que se necesita para que el pavimento funcione bien. También es esencial evitar que la subrasante se seque antes de que se construya la subbase o el pavimento mismo. Si el suelo expansivo se seca, debe recompactarse con el contenido de humedad necesario y con una profundidad acorde con lo que indique el perfil vertical de humedades de campo. En resumen, las experiencias e investigaciones confirman que la compactación de suelos plásticos con contenidos de humedad por encima de los óptimos correspondientes al Próctor Normal reducen la expansión potencial, permiten obtener una subrasante más estable y hace mínimos los cambios de humedad durante la construcción y el funcionamiento del pavimento. El resultado es que se obtienen soportes uniformes y los cambios de volumen se mantienen mínimos durante las condiciones de servicio. 4.1.2.3 Cubierta no expansiva En áreas sujetas a periodos largos de secado, las subrasantes muy expansivas pueden necesitar que se ponga sobre ellas una capa de material no expansivo sobre todo su ancho. Esta capa puede hacer mínimos los cambios en el contenido de humedad del suelo expansivo que la subyace y también tiene un efecto de sobrecarga. Además, una capa de material con baja permeabilidad, no sólo es más eficiente que una de material granular, sino que es más económica. Los materiales permeables no se deben poner directamente sobre un suelo expansivo dado que ellos permiten cambios grandes en el contenido de humedad.

Cuando las condiciones pueden generar el fenómeno del bombeo de finos, es necesario que se interponga, entre las losas de concreto y el material bombeable, una capa de material no expansivo para prevenirlo. Si el espesor de la capa de material no expansivo tiene más de 0,15 m de espesor, solo los 0,10 a 0,15 m superiores de la capa deben cumplir con los criterios de material no bombeable para subbases, y el resto puede ser material con poca expansividad proveniente de las excavaciones regulares o de zanjas de préstamo.

4.1.2.5 Métodos especiales Donde se presenten suelos con potencial de severos cambios de volumen, varios tratamientos se pueden utilizar, ellos incluyen: La precarga22-25, el encapsulamiento con membranas26, geomembranas horizontales27-28, y barreras verticales de humedad 29-31. La estabilización por electro-osmósis química y la inyección a presión de químicos ha sido utilizada con resultados variables32-33, pero la información de esos tratamientos está fuera del alcance de esta ponencia.

4.1.2.4 Subrasantes modificadas con cemento o con cal Si el suministro de material adecuado de suelos no expansivos, para ser utilizados como cubierta de protección, es limitada puede ser económico modificar el suelo existente con cemento o con cal, lo cual reducen enormemente las propiedades de expansividad de los suelos que las tienen. Los ensayos de laboratorio y los tramos de campo19-20 indican la efectividad del cemento para modificar el comportamiento de los suelos expansivos. Un ejemplo de ello se observa en la Figura 6.

5. SUBBASES Para el diseño de los pavimentos de concreto, las experiencias sobre el comportamiento y las tecnologías modernas animan a utilizar todos los suelos y en especial aquellos que están en el sitio de la obra. En consecuencia, los ingenieros pueden analizar las condiciones de diseño y decidir si la capa de subbase es esencial o si se pueden usar alternativas menos costosas que exhiban buen comportamiento.

Para un proyecto especifico el contenido de cemento que es necesario adicionar para controlar los cambios de volumen se determina con base en ensayos de laboratorio. Con frecuencia, los ensayos para determinar los índices de plasticidad y de encogimiento se utilizan como medida de la efectividad del tratamiento. Una comparación21 de los efectos del cemento y de la cal en la modificación del suelo se encuentra en la Tabla 2. La función principal de la subbase es

prevenir el bombeo de los finos de los suelos finogranulares. La subbase es obligatoria cuando la combinación de suelos, agua, y tráfico pueden generar el bombeo. Tales condiciones se presentan con frecuencia en el diseño de

Si, las condiciones de funcionamiento del pavimento indican que el bombeo se puede generar, es necesario colocar una subbase de 0,10 a 0,15 m de espesor de material modificado.

pavimentos para vías principales y de tránsito pesado. Normalmente el bombeo no se presenta en vías de tránsito liviano, calles residenciales y aeropuertos de tránsito liviano, en estos casos el uso de una subbase no es económicamente justificable y los resultados deseados se pueden obtener con la apropiada, y menos costosa, preparación de la subrasante. Además, cuando la subbase se necesita, no se justifica desde el punto de vista económico, recomendar una capa gruesa con la intención de incrementar la capacidad estructural del pavimento, pues prácticamente toda ella recae sobre la placa de concreto. Entonces, las funciones económicas de la subbase se puede clasificar como: Primaria (la subbase se necesita)

Evitar el bombeo. (Las condiciones

que llevan a la formación del bombeo se discuten un poco más adelante)

Secundaria (la subbase es opcional)

Ayuda a controlar el cambio de

volumen para condiciones severas de cambios de volumen.

Sirve como capa para drenar el

pavimento, si es necesario.

Da una plataforma de trabajo más estable durante la construcción del pavimento.

5.1 Bombeo de finos. Estudios e investigaciones Se llama bombeo el fenómeno mediante el cual se da un desplazamiento de una

mezcla de suelo y agua que ocurre bajo las juntas de las losas, de las fisuras y de los bordes del pavimento. El bombeo puede ocurrir cuando el pavimento de concreto se construye directamente sobre suelos finos, plásticos y sobre subbases erodables. Si el bombeo es continuado y descontrolado se puede dar una pérdida de la uniformidad del soporte, por el desplazamiento del suelo, que puede hacer que los bordes de las losas queden en el aire. Hay consentimiento entre los investigadores sobre la necesidad de que se presenten tres condiciones simultáneas para que se dé el bombeo y son: Que la subrasante esté constituida por

un suelo que pueda entrar en suspensión.

Que haya agua libre entre las losas de

concreto y su apoyo. Pasada frecuente de vehículos

pesados. En el ensayo vial AASHTO34, en los pavimentos subdiseñados se dio considerable bombeo en subbases grueso granulares. Esto pone en evidencia que es posible que el bombeo de material grueso se puede dar cuando las losas están sometidas a deflexiones excesivas generadas por cargas pesadas frecuentes circulando sobre pavimentos de espesor inadecuado. En un pavimento normal, atendiendo tránsitos de vehículos con diversidad de cargas, el bombeo solo se presenta en suelos fino granulares.

grandes volúmenes de tránsito pesado. El comportamiento de los pavimentos de

concreto en el ensayo vial AASHTO mostró que aquellos pavimentos bien diseñados, sin subbases, son adecuados para muchas calles urbanas, vías regionales, autopistas de tránsito liviano y pistas de aeropuertos medianos.

Las subbases estudiadas incluyen pavimentos solicitados por más de 700 ejes pesados por día con cargas superiores a los 8 200kg. y proyectos solicitados diariamente desde 1 000 a 2 000 semi-remolques. En la Tabla 3 se muestran los valores de

la serviciabilidad y del bombeo de las secciones con y sin subbase de 0,15 m de espesor, también se indican los beneficios de la subbase como protección frente al bombeo generado por cargas pesadas.

La especificación AASHTO M 155 establece que para prevenir el bombeo se necesita: El material granular para usarse como

subbase en los pavimentos de concreto puede estar constituido por arena, grava - arenosa, agregado triturado, escoria triturada o granulada o la combinación de ellos. El material deberá cumplir con los siguientes requisitos.

Los estudios de campo hechos sobre más de 3 000km. de pavimentos de concreto en cinco estados que representan un amplio rango de suelos, clima y condiciones de servicio muestran que:

Los pavimentos diseñados para menos de 200 camiones por día no necesitan subbases para prevenir el bombeo.

Los suelos con menos de 45%

pasando por el tamiz N° 200 y con un índice de plasticidad inferior al 6% son adecuados para volúmenes moderados de tránsito pesado.

Las subbases que cumplen con las

especificaciones AASHTO M 155 previenen efectivamente el bombeo de

incluyen piedra triturada, áridos de

depósitos, arenas, gravas estabilizadas y materiales locales tales como escombros triturados o escorias.

Tamaño máximo Inferior a la tercera parte del espesor de la subbase

Pasa 200: 15% como máximo Índice de plasticidad

6 máximo

Límite Líquido 25 máximo

El principal criterio que controla las granulometrías es el de verificar el contenido de material que pasa el tamiz 200. También es importante evitar los agregados blandos por que pueden generar finos por abrasión, o por trituración, bajo la acción de los equipos de compactación y de trituración, generalmente esto se evita empleando agregados que tengan un desgaste en la máquina de los Ángeles inferior al 50 %.

Nota: Los materiales que superen las condiciones de contenido pasando por el tamiz 200 o con un índice de plasticidad superior a 6 o con un Limite Liquido superior a 25 se pueden usar siempre y cuando se estabilicen para su empleo. Los materiales deben estar gradados de tal manera que se puedan compactar de tal manera que no se presenten incrementos en la densidad cuando el pavimento se dé al servicio.

Como una guía, la Tabla 4, tomada de la especificación AASHTO M 147, muestra las gradaciones típicas para el material de subbase; las especificaciones ASTM D 1241 son similares. Cuando se usan subbases de granulometrías abiertas1 como la correspondiente a la A, puede que sea necesario construir filtros para prevenir la intrusión de suelos finos dentro de la subbase.

Las experiencias indican que el contenido de material que pasa por el tamiz 200 no debe superar el 15 % cuando se trata de pavimentos solicitados por altos volúmenes de vehículos pesados. (Más información se puede ver en la siguiente sección).

Cuando la experiencia muestre que es necesario prevenir daños por acción del congelamiento se debe consultar la literatura especializada.

5.2 Bases no tratadas Una amplia variedad de materiales y degradaciones se pueden usar para las subbases no tratadas. Esos materiales

5.2.1 Control granulométrico Aunque una amplia variedad de materiales locales se han comportado bien como subbases para pavimentos de concreto, es importante que para un proyecto en particular se tenga una granulometría razonablemente constante que sea compatible con los equipos de construcción de manera que se produzca un soporte uniforme y establece, condiciones imprescindibles para el buen comportamiento del pavimento. La especificación AASHTO M 147 divide los materiales para subbase en seis granulometrías diferentes. El material para la subbase de un proyecto en particular se debe limitar a una de las granulometrías disponibles. Y en todos los casos, la subbase para un proyecto en particular se debe mantener dentro de los límites de una granulometría simple. Sin embargo, mientras el control de la gradación se perfecciona, las seis granulometrfas permiten un amplio rango en porcentaje de materiales que pasan por los diferentes tamices. El resultado es que todas las gradaciones cercanas para la subbase pueden ser de granulometría abierta y ligeramente permeables, o densas y relativamente impermeables. Cualquiera de las dos puede trabajar satisfactoriamente si están bien construidas, pero una subbase con cambios bruscos o incontrolados entre granulometrfas abiertas y densas pueden generar pavimentos con comportamiento pobre. Un medio efectivo para asegurar el control de la granulometría es el de escoger una de las permitidas y dentro de ella, seleccionar una banda de trabajo a la cual deberá ceñirse la construcción, con tolerancias de 5% tanto por exceso como por defecto.

__________________________________ En ésta publicación, el término subbase de granulometría abierta" no se debe confundir con el término 'subbase permeable". Aquí esos términos se definen así: - Subbase de granulometría abierta. Con este nombre se designan los materiales con una gradación similar a la que se muestra en la tabla 4, en la columna A. Es un término viejo que persiste in la literatura y se usa con frecuencia. - Subbase permeable. Quizá más comúnmente designadas como de gradación abierta, las subbases permeables, han ganado popularidad en los últimos años como el medio de drenaje más efectivo. Estas subbases tienen alta permeabilidad y pueden drenar el agua muy fácilmente, lo cual no es cierto en los materiales llamados 'subbases de granulometría".

5.2.2 Diseño de filtros para subbases de granulometría abierta Cuando se especifican subbases densas la infiltración no es un problema, pero cuando se trata de bases de granulometría abierta se puede presentar la infiltración de la fracción fina de los suelos circundantes, y esto puede generar comportamientos indeseables en el pavimento. Con el fin de prevenir la infiltración de finos en las subbases de granulometría se deben seguir los siguientes criterios. El tamaño del 15% (0,5) de la subbase

no debe ser 5 veces más grande que el 85% (085) del tamaño del filtro.

El tamaño del 50% (050) de la

subbase no debe ser 25 veces más grande que el 50% (050) del tamaño del filtro.

El tamaño del 15% (0,5) el filtro no

debe ser 5 veces más grande que el 85% (085) del material de la subrasante.

El tamaño del 50% (050) del filtro no

debe ser 25 veces más grande que el 50% (050) del material de la subrasante.

(El (Dxx) corresponde al tamaño del tamiz en el que el XX% de las partículas son más pequeñas que ese tamaño). Si la subbase también se va a usar para cubrir las tuberías para el drenaje, el tamaño del 85% (D85) de la subbase deberá ser entre 1,5 y 2 veces el tamaño de los agujeros de la tubería. 5.2.3 Compactación Los materiales granulares están sujetos a la consolidación debido a la acción del

peso del tráfico, cuando se da al servicio el pavimento. Para prevenir una consolidación perjudicial, la subbase se debe compactar a altas densidades. Una investigación37 realizada en los laboratorios de la PCA, en la cual se simulaba la acción del tráfico de camiones, dio como resultado la necesidad de subbases de alta densidad para pavimentos de tráfico pesado. Los resultados típicos se muestran en la Figura 7. La investigación muestra además, que 50.000 repeticiones de carga pueden producir una consolidación excesiva donde las densidades son bajas y el 100% de la densidad AASHTO T 99 es la mínima necesaria para prevenir la consolidación perjudicial. El cuerpo de ingenieros especifica el 100% de la densidad ASSHTO T 180 en subbases para pavimentos de aeropuertos. Esto es equivalente a 105% aproximadamente, de la densidad AASHTO T 99. Con los equipos de compactación que se utilizan actualmente, densidades de esta magnitud son posibles de conseguir. El grado de compactación se debe especificar y exigir como un medio económico de asegurar el buen funcionamiento del pavimento. El laboratorio generalmente no posee adecuados controles de densidades para algunas subbases no cohesivas. En tales casos un grado equivalente de compactación, se debe establecer mediante ensayos de densidad relativa de suelos no cohesivos, ASTM D 4253 y D 4254. La consolidación de la subbase bajo la acción del tráfico es materia que concierne a otros aspectos. Cuando el espesor de la subbase se incrementa, la misma rata de consolidación de puede dar

Las subbases para pavimentos de

concreto debería tener un mínimo de 100% de la densidad AASHTO T 99. En proyectos en los que se tendrá grandes volúmenes de tráfico pesado, la densidad especifica no debería ser menor del 105% de las densidades estándar o 98 a 100% de la AASHTO T 108.

para las cargas repetitivas produciendo un incremento en la consolidación total. La Figura 8 muestra el resultado de ensayos de repeticiones de carga en subbases de 100, 150 y 300 mm de espesor ubicadas sobre una subrasante arcillosa y compactada al 100% de densidad AASHTO T 99. Después de 450.000 repeticiones de carga, se presentó mayor consolidación en la subbase de 300 mm de espesor. La menor consolidación del conjunto subbase-subrasante se presentó con la subbase de 10 mm.

Los ensayos de cargas estáticas se hicieron también en los laboratorios de la PCA con el fin de determinar cómo diferentes clases y profundidades de subbase afectaban las deformaciones y deflexiones en losas a escala natural, en el caso de carga actuando en el borde de las juntas transversales. El ensayo muestra solo reducciones pequeñas en los esfuerzos y deflexiones cuando los espesores son mayores de 100 y 150 mm. Los ensayos de repeticiones de carga han demostrado que las ligera reducciones en las deformaciones y deflexiones para subbases de 180 a 300 mm son compensadas por las consolidaciones excesivas de estos espesores.

El material extra y los costos de

construcción de una subbase de mayor espesor, no se justifica. Cuando los espesores se incrementan más allá de los 100 a 150 mm necesarios para prevenir el bombeo, existe el riesgo de un funcionamiento pobre del pavimento debido a la consolidación producida por el tráfico pesado.

Así, los ensayos de carga estática y repetitivas, dan suficiente información para concluir que:

5.2.4 Espesor Sabiendo que el propósito fundamental de la subbase es prevenir el bombeo, no es necesario ni económico usar espesores grandes. Los proyectos experimentales han demostrado que subbases de 75 mm de profundidad previenen el bombeo bajo cargas muy pesadas. Durante los estudios realizados a una subbase, las excavaciones hechas a los bordes del pavimento, revelaron que una subbase de 50 mm prevenía el bombeo en proyectos que habían soportado tráfico pesado durante 10 años o más. Subbases con espesores de 100 a 150 mm se especifican generalmente para construcciones de proyectos regulares como medio práctico de asegurar un espesor mínimo de 50 a 75 mm que es el espesor mínimo para prevenir el bombeo. Los resultados de las subbases estudiadas justifican esta práctica 5.3 Subbases tratadas con cemento y de concreto pobre El uso de subbases tratadas con cemento y, más recientemente, con concreto pobre, es común tanto en autopistas como en aeropuertos. Dentro de las razones para

su utilización es la creciente escasez de agregados que cumplan con las especificaciones para la construcción de pavimentos. El tratamiento con cemento y el concreto pobre, permiten un mayor uso

de materiales locales y de pavimento reciclado. Esto se traduce en conservación de agregados y ahorro en costos de transporte. Otros beneficios derivados del uso de estas bases tratadas son: Reducción en los esfuerzos de fatiga y

deflexión debido a las cargas de los vehículos.

Consecución de un soporte firme para

los equipos de formaletas deslizantes y para formaletas fijas.

Aportan una plataforma estable de

trabajo para facilitar las operaciones de construcción y permitir una colocación del concreto sin pérdida de tiempo por condiciones climáticas adversas.

Prevención de la consolidación de la

subbase por efectos del tráfico. Logro de una mejor transferencia de

carga en las juntas. Disminución de la intrusión de

partículas duras en el fondo de las juntas.

Tener una subbase más resistente a la

erosión. Construcción de pavimentos de

superficie más suave debido a la pista estable que se debe dejar para el equipo de formaletas deslizantes.

5.4 Subbases tratadas con cemento En la familia de materiales ligados con cemento (subbases tratadas con cemento, concreto pobre y concreto convencional) las subbases tratadas con cemento contienen la mínima cantidad de cemento,

usualmente entre el 4 y el 5 % de cemento por peso. Otra diferencia es que las mezclas de las bases tratadas con cemento son, igual que las bases no tratadas, de una consistencia más seca y por esto se deben compactar con rodillos. 5.4.1 Materiales Material granular de los grupos A-1, A-2-4, A-2-5 y A-3 de la clasificación AASHTO, se utilizan para subbases tratadas con cemento. Estos contienen menos del 35% que pasa por el tamiz 200, tienen un Ip de 10 o menos y pueden ser triturados o no. Las subbases tratadas con cemento se construyen con suelos A-4 y A-5 con resultados satisfactorios; sin embargo estos suelos no son recomendados para áreas donde se espera un alto volumen de tráfico pesado. El uso de los suelos A-6 y A-7 no son recomendados. Para lograr una gradación exacta, el tamaño máximo del material debe ser de 25,4 mm (1") y preferiblemente 20 mm (3/4") En muchos casos los materiales granulares sucios no son apropiados para las especificaciones de subbase, debido al exceso de finos o de plasticidad. Estos materiales baratos a menudo requieren menos cemento que los materiales limpios

y más agregados costosos. El contenido de cemento para subbases tratadas con este material está fundamentado por los ensayos de laboratorio denominados "húmedo y seco", "hielo y deshielo" y por los criterios38 de pérdida de peso de la PCA. Otros procedimientos que den una calidad equivalente del material se pueden usar. 5.4.2 Propiedades Los materiales tratados con cemento son apropiados para subbases debido a su resistencia a la erosión. Las bases no tratadas tienden a erosionarse debajo de las juntas con el paso del tráfico. En situaciones de alto volumen de tráfico esto generalmente lleva al escalonamiento de las losas y efectos adversos en el funcionamiento del pavimento. Esto es especialmente importante cuando se trabaja con pavimento simple, sin dovelas en las juntas.

El elevado valor de soporte de las subbases tratadas con cemento es otra propiedad deseable. Estos valores son obtenidos mediante el ensayo de placa y se expresa como el valor "k", módulo Westergaard de reacción de la subrasante. Es sabido que los ensayos de carga en subbases tratadas con cemento producen valores de k muy altos. Se ha cuestionado sobre si estos altos valores reducen los esfuerzos de fatiga en las losas de concreto. Para determinar esto, se construyeron losas sobre subrasantes y subbases con valores de k conocidos39. La Figura 9 muestra la deformación obtenida bajo una carga de 4.000 Kg y el valor de k calculado con estos datos. Los valores k calculados están muy cerca del determinado por el ensayo de placa hecho directamente sobre la subrasante y la subbase. Por lo tanto, las deformaciones y la correspondiente fatiga se reducen significativamente por el uso de la subbase tratada con cemento. Otra área de investigación40 de los laboratorios de la PCA, es el efecto de la subbase tratada en la transferencia de cargas a través de las juntas sin dovelas en losas de concreto simple. Los resultados se muestran en la Figura 10. Se hizo un incremento de la aplicación de carga sobre la losa con subbase granular sin tratamiento, la efectividad decreció gradualmente hasta acercarse a cero en el millón repeticiones. En la subbase tratada con cemento, la pérdida ocurre en forma más lenta; aún después de un millón de repeticiones, la efectividad queda en un nivel de 50%. Estos estudios indican que el uso de subbases tratadas con cemento proporcionarán una mejor transferencia de carga durante un periodo más largo que una subbase sin este tratamiento. Como resultado, el uso de diseños de losas de

concreto simple sin dovelas con una separación corta entre juntas puede extenderse a pavimentos que soportan cargas mayores que los límites sugeridos41. 5.4.3 Construcción La construcción de subbases tratadas con cemento se puede hacer con material producido en plantas de mezclado central o en el sitio. Cuando se hace en el sitio, los materiales se pueden procesar formando una capa directamente sobre la subrasante. La cantidad de cemento estimada se riega y se esparce, la mezcla se puede hacer con mezcladora de paso múltiple, cuando se requieran varios pasos para mezclas de materiales secos y húmedos, o con mezcladora de paso simple que complete el proceso en un solo paso. Cuando se utiliza planta de mezclado central, la mezcla húmeda se lleva a la vía en volquetas y se riega mecánicamente. Cuando el material granular, el cemento y el agua se han mezclado uniformemente y se ha regado en el espesor adecuado, se procede a compactar la mezcla. El equipo utilizado para la compactación depende de la gradación del material seleccionado. El paso final es darle un acabado a la subbase. La pérdida de humedad que pueda ocurrir durante el proceso, se previene rociando agua. Después de las operaciones finales se debe hacer un tratamiento de curado. Información más detallada sobre la construcción de subbases tratadas con cemento se podrá encontrar en la referencia 42. 5.5 Subbases de concreto pobre Este tipo de bases se hacen con una mayor cantidad de cemento y agua que la

utilizada en las subbases tratadas con cemento, pero éstas contienen menos cemento que el concreto convencional. Conservando la misma apariencia y consistencia que el concreto convencional, el concreto pobre se consolida por vibración. Algunos ingenieros han adoptado el término "econocreto" para estas mezclas que utilizan agregados locales. 5.5.1 Materiales El concreto pobre se diseña para una aplicación y un ambiente especifico y, en general, se utilizan agregados que no necesariamente tienen la calidad que exige un concreto convencional. Algunos de los requisitos para el concreto convencional tiene que ver con el desarrollo de las características del pavimento como una superficie expuesta, donde bajos contenidos de cemento y agregados que no cumplen con la normalización, pueden ocasionar un pavimento liso. Esto se debe a la pérdida de textura de la superficie o a la exposición de agregados, falta de resistencia a la abrasión, descascaramientos de la superficie, u otros efectos indeseables. Sin embargo algunos agregados que no cumplen con la normalización son aceptables cuando se usan para concreto pobre como una capa baja en la estructura del pavimento. Para reducir los costos y preservar la alta calidad de los agregados, la Administración Federal de Autopistas de los Estados Unidos de Norteamérica publicó la nota N 5080.34. Esta dice: Se anima a utilizar agregados de baja calidad disponibles en la zona para el econocreto. Se estimula el uso de material de pavimento reciclado como agregado. Los limites para los agregados de baja calidad deberán ser determinados por el estado,

basados en experiencias locales, o por ensayos de diseños del econocreto43. Los datos obtenidos de ensayos de laboratorio y la construcción de proyectos con concreto pobre44 indican que se puede utilizar un amplio rango de agregados. Algunos de estos agregados no son procesados hasta el grado en que los agregados normalmente se procesan. La mayoría contienen más material fino pasando por los tamices 100 y 200 de lo que es aceptable para un concreto normal, pero esto no es necesariamente objetable para el concreto pobre, ya que los finos extra suplen la trabajabilidad necesaria. En varios proyectos de reciclaje, los pavimentos viejos de concreto y de asfalto se trituran y se utilizan como agregados para subbases de concreto pobre. Los procedimientos normales y los ensayos para el diseño de mezcla se hacen igualmente para subbases de concreto pobre, con la siguiente excepción: Los agregados simples se utilizan frecuentemente en lugar de una combinación de agregado grueso y fino acopiados separadamente; el contenido de cemento es menor que el utilizado para concreto normal y se selecciona para obtener el nivel de resistencia que se discutirá posteriormente; y un requisito primario es que la subbase de concreto

pobre debe ser trabajable, capaz de lograr una consolidación por vibración, lo suficientemente cohesiva para resistir el asentamiento excesivo en el borde cuando circula el equipo de formaletas deslizantes. Otro requisito es que el concreto pobre endurecido, alcanza el nivel de resistencia y durabilidad apropiado para la condición de superficie expuesta. La trabajabilidad deben dar la existencia extra de finos en los agregados, cantidades de aire incluido más altas de lo normal adición de cenizas volantes, reducción de agua en el proceso de mezclado; o la inclusión de aditivos. Las investigaciones de laboratorio y de campo indican que las propiedades deseables del concreto pobre utilizado como capa de subbase se alcanzan con un contenido de cemento entre 120 kg/m3 y 200 kg/m3, asentamientos entre 20 mm y 75 mm, resistencia a la compresión a los 28 días entre 50 kg/cm2 y 100 kg/cm2 y el contenido de aire igual al recomendado para concreto normal. Información adicional sobre materiales y diseños de mezclas se puede encontrar en las referencias 44 y 45. 5.5.2 Propiedades Los resultados de laboratorio de varios estudios de resistencia y de otras propiedades de concreto pobre con varios contenidos de cemento se presentan en la referencia 44. La Figura 11 muestra los datos de la resistencia a al compresión y a la flexión de uno de estos estudios. Para el rango recomendado de resistencia a la compresión en subbases de concreto pobre (50 kg/cm2 a 100 kg/cm2) el módulo estático de elasticidad está usualmente en un rango de 105.000 kg/cm2 y 175.000 kg/cm2. Estas propiedades representan un material muy rígido y resistente

comparado con el resto de clases de bases.

Los beneficios de una base tratada con cemento (resistencia a la consolidación, soporte (k) y la eficiencia de la transferencia de cargas en las juntas) fueron discutidos en secciones anteriores. Se espera que el concreto pobre ofrezca estos beneficios en igual o mayor grado debido a la alta resistencia, Módulo de elasticidad resistencia, Módulo de elasticidad y resistencia a la erosión. Extensos estudios46 hechos en Francia han demostrado el potencial de erosión de varios materiales: El concreto pobre es considerado como “altamente resistente a la erosión” y el material granular tratado con cemento con un contenido del 5% es considerado “resistente a la erosión”. 5.5.3 Construcción El concreto pobre se construye esencialmente de la misma manera y con los mismos equipos de que un concreto normal para pavimentos. Las únicas diferencias son: (1) las juntas y (2) el tratamiento de la superficie de la subbase. Las siguientes recomendaciones que proceden de la experiencia deben ser tenidas en cuenta: La Instalación de juntas en subbases de concreto pobre no se consideran necesarias. Las grietas de contracción se desarrollarán pero la experiencia ha mostrado, que para bajas resistencias y para tratamientos de la

capa intermedia, que se discutirán posteriormente, las grietas generalmente no se reflejan en la superficie de concreto. El tratamiento recomendado para la capa intermedia se hace para dejar la superficie del concreto pobre sin textura para prevenir la unión mecánica al concreto de la losa y para aplicar un componente con base en parafina para el curado. Después de la aplicación de esta capa de curado, antes de la colocación del concreto se debe aplicar otra capa. Ejemplos de especificaciones para la construcción de subbases de concreto pobre se pueden encontrar en las referencias 47 y 48. 5.6 Subbases permeables En los últimos años, varias agencias de autopistas han experimentado o al menos incluido en sus especificaciones sistema de pavimentos drenantes para tráfico pesado. Estos sistemas consisten en tener subbases altamente permeables y drenes laterales para evacuar rápidamente el agua. La sección típica se muestra en la Figura 12. Información más detallada al respecto se puede encontrar en las referencias 49,50 y 51. 5.6.1 Materiales Las bases permeables se hacen con agregado grueso con una reducida cantidad de finos. Los materiales se encuentran en dos categorías: con y sin tratamiento. Las subbases tratadas las cuales proveen una plataforma estable son producidas bien sea con cemento (120 kg/m3 a 200 kg/m3) o con asfalto (2% a 2,5% por peso). Varias gradaciones son utilizadas por diferentes agencias siendo las más utilizadas la AASHTO N0 57 y N0 67. Las tablas 5 y 6 muestran las

gradaciones más utilizadas y los coeficientes de permeabilidad aproximados. Aunque los materiales gruesos, y de gradación abierta como la roca AASHTO N0 57, son utilizados la mayoría de los diseños pretenden incluir más finos para obtener una adecuada estabilidad para las operaciones de construcción sobre la subbase no tratada. Como resultado una los materiales permeables no tratados generalmente tienen un coeficiente de permeabilidad bajo (150 a 1 000 m/día), mientras que los materiales tratados tienen un coeficiente más alto (5 500 m/día o más) Los drenes laterales se hacen con el mismo material de alta permeabilidad que es utilizado para la subbase o con un material de más permeabilidad aún. Usualmente la tubería de PVC va dentro de la brecha con salidas laterales. Un geotextil es colocado dentro de la brecha con el fin de prevenir la intrusión de partículas La mayoría de las agencias prefieren usar una capa de agregado denso colocada entre la subbase y la subrasante para actuar como material filtrante. Sin embargo algunos contratistas utilizan geotextil en lugar de una capa de agregado. Varios criterios de diseño de filtros para material de agregado y para geotextil se encuentran en las referencias 50 y 51. 5.6.2 Construcción Los materiales de subbase permeable normalmente se colocan con una moto-trailla acondicionada o con una "finisher". Otro método para colocar el material consiste en transportar en volqueta, esparcir con tractor y perfilar con una motoniveladora.

largo del lado más bajo, esto disminuye considerablemente los costos.

Los métodos de compactación varían considerablemente dentro de las diferentes firmas contratistas. Las siguientes técnicas son las más comunes. Para materiales no tratados y tratados con concreto y con asfalto, se usa principalmente de 1 a 3 pasadas de un compactador de cilindro metálico de 4 a 10 ton. Una sobre compactación puede causar una degradación del material con una resultante pérdida de permeabilidad. Los materiales tratados con cemento se compactan de la misma forma o utilizando placas vibratorias.

En algunos casos, el borde interior de la brecha se localiza directamente debajo de la junta del pavimento con la berma; aunque el método preferido es ubicar la brecha 0,60 a 1 m más abajo para evitar problemas de sedimentación o daños del

Las subbases permeables tratadas con cemento se curan con la adición de agua continuamente o cubriendo con plástico durante 3 o 4 días. Los materiales de curado de concreto normal no se utilizan debido a que la textura gruesa de la superficie no permite un sellado efectivo. tubo colector bajo la acción de los equipos

de construcción. En algunos casos la subbase permeable se extiende debajo de la berma con el drenaje lateral instalado en el borde exterior.

Cuando se construye el pavimento con pendientes a ambos lados, se instalan los drenes laterales a lo largo de éste, y a ambos lados, para acortar el trayecto del drenaje. Sin embargo cuando el pavimento se construye con sección completa drenando a un solo lado, en cuyo caso se instala un solo drenes a lo

Permitir que los rayos del sol iluminen las pendientes de las zanjas y de las bases permeables no es bueno porque se

estimula la germinación de vegetación y la colmatación con deshechos. Por lo tanto se recomienda instalar tubería de desagüe; cuya separación no exceda los 100 a 150 m para asegurar un rápido drenaje. El espesor de la subbase permeable varia entre 75 y 150 mm, siendo 100 mm el más común ya que se estima que éste proporciona una adecuada capacidad de drenaje. El espesor de 100 mm de estas subbases, se considera apropiado para pavimentos de autopistas. Para aeropuertos y otros pavimentos donde existen áreas amplias para ser drenadas, un diseño adecuado requiere una capa más gruesa de esta subbase de acuerdo con el área de evacuación. Más información sobre el criterio de diseño de drenaje se encuentra en la referencia 51. 6. BIBLlOGRAFIA 1. Childs, LD., and Kapernick, J.W. Tests

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